（动力机械及工程专业论文）重型柴油机燃烧过程优化的仿真研究.pdf

摘要 随着石化能源的日益枯竭以及排放法规的日益严格，在满足低排放的前提下 提高柴油机热效率，一直是内燃机研究工作者的努力方向和研究重点。燃烧放热 率作为反映燃烧过程的关键参数，影响着发动机热效率、机械负荷及排放特性， 燃烧过程优化是实现柴油机高效清洁燃烧的途径之一。 本文首先基于一维模拟计算软件g t p o w e r ，建立了涡轮增压柴油机的原机 及二级增压系统仿真模型，使用燃烧放热重心c a 5 0 和燃烧持续期( c m 0 c a 9 0 1 这两个最重要的参数来表征燃烧放热率特性，进行了燃烧参数对柴油机性能影响 的仿真研究。结果表明：柴油机不同运行工况理论上存在一个最优的燃烧放热重 心c a 5 0 和最优的燃烧持续期，柴油机热效率最高。负荷越大、转速越低，最优 c a 5 0 时刻向上止点后推迟，燃烧持续期延长。但是，柴油机由于受到有限排放、 热负荷和机械负荷的限制，与理想放热规律存在差异导致燃烧损失。进一步研究 表明，在小负荷工作时燃烧损失主要是由燃烧持续期损失造成的，随着负荷的增 大，燃烧损失逐渐增大。c a s 0 比燃烧持续期对热效率的影响更明显，燃烧持续 期比c a 5 0 对排放的影响更突出。对于采用e g r 系统柴油机，降低泵吸损失也 是提高发动机热效率的有效措施。 在此基础上，建立了两种不同管路布置的高压e g r 系统仿真模型，模拟研 究了其对柴油机性能和排放的影响。研究结果表明：对排气脉冲能量利用较好的 隔开取气高压e g r 系统可以提高废气再循环的引入能力( 特别是对实现e g r 比 较困难的低转速大负荷工况) ，降低泵吸损失，并改善n o x 排放和燃油消耗率 之间的折衷关系；相对单级增压，两级增压采用隔开取气布置的高压e g r 系统 对性能和排放的改善效果减弱；通过优化两级增压隔开取气方式的e g r 管路结 构尺寸后，能够进一步改善柴油机的燃油经济性。 关键词：柴油机；燃烧参数；热效率；e g r 管路；仿真；排放 堋瞰c t d u et ot h ep r e s s u r e so fe n e r g y s h o r t a g e sa n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， r e s e a r c h e r sa r ec o n t i n u a l l ys t r i v i n gt oi m p r o v et h et h e r m a le f f i c i e n c ya n dt or e d u c e t h ep o l l u t a n te m i s s i o n so fe n g i n e s a so n eo ft h ec r u c i a lp a r a m e t e r st h a tc o u l dr e f l e c t t h ec o m b u s t i o np r o c e s s ，h e a tr e l e a s ec h a r a c t e r i s t i c g r e a t l yi n f l u e n c e st h et h e r m a l e f f i c i e n c y ，m e c h a n i c a ll o a da n de m i s s i o n so fd i e s e le n g i n e t h eo p t i m i z a t i o no f c o m b u s t i o np r o c e s si so n eo ft h ee f f e c t i v ea p p r o a c h e st or e a l i z eh i 班e f f i c i e n c ya n d c l e a nc o m b u s t i o n i nt h i sp a p e r ，n u m e r i c a li n v e s t i g a t i o nw a sc o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so f c o m b u s t i o np a r a m e t e r so nd i e s e l e n g i n e sp e r f o r m a n c ea n de m i s s i o n s s i m u l a t i o n m o d e l so fo n e - s t a g ea n dm o d i f i e dt w o - - s t a g et u r b o c h a r g i n gl i dd i e s e le n g i n ew e r e b u i l t t w oi m p o r t a n tc o m b u s t i o np a r a m e t e r s ，c a 5 0t i m i n ga n dc o m b u s t i o nd u r a t i o n ( c m0 一c a 9 0 ) w e r et a k e nt or e p r e s e n tt h ec o m b u s t i o nh e a tr e l e a s ec h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t ss h o wt 1 1 巩t h e r ee x i s to p t i m a lc a 5 0t i m i n ga n dc o m b u s t i o nd u r a t i o n w h i c hc o u l dr e a l i z et h eh i g h e s tt h e r m a l e f f i c i e n c y u n d e rd i f f e r e n t o p e r a t i n g c o n d i t i o n s t h eo p t i m a lc a 5 0i sr e t a r d e da w a y 舶mt d ca n dc o m b u s t i o nd u r a t i o ni s a l s op r o l o n g e da st h ee n g i n el o a di n c r e a s e sa n de n g i n es p e e dd e c r e a s e s h o w e v e r ， t h e r ea r ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ea c t u a la n di d e a lc o m b u s t i o np r o c e s s e sw h i c hc a u s e d b yt h er e s t r i c t i o no fe n g i n et h e r m a la n dm e c h a n i c a ll o a d s ，a sw e l la se m i s s i o n s ，t h u s i n e v i t a b l yr e s u l ti nc o m b u s t i o nl o s s f u r t h e rr e s e a r c hs h o w st h a t ，t h ec o m b u s t i o nl o s s i sm a i n l yc a u s e db yt h ee x t e n d e dc o m b u s t i o nd u r a t i o nu n d e rl o wl o a dc o n d i t i o n s t h e r e f o r ea st h el o a di n c r e a s e s ，c o m b u s t i o nl o s sa l s oi n c r e a s e s t h ee f f e c to fc a 5 0 o nt h e r m a le f f i c i e n c yi sm u c hm o r en o t a b l et h a nc o m b u s t i o nd u r a t i o n ，w h i l ef o r p o l l u t a n te m i s s i o n s ，t h ei n f l u e n c eo fc o m b u s t i o nd u r a t i o ni sm o r ep r o m i n e n t f o r d i e s e le n g i n ew i t he g rs y s t e m ，r e d u c i n gp u m p i n gl o s s e si sa l s oa ne f f e c t i v em e a s u r e t oi m p r o v et h et h e r m a le f f i c i e n c yo fd i e s e le n g i n e b a s e do i lt h e s er e s u l t s ，t w os i m u l a t i o nm o d e l sw e r eb u i l tt oi n v e s t i g a t et h e e f f e c t so fp i p e l i n el a y o u t so fh i g hp r e s s u r ee g rs y s t e m so np e r f o r m a n c ea n d e m i s s i o n so fah e a v yd u t yd i e s e le n g i n e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g h p r e s s u r ee g rs y s t e mw i t hs e p a r a t e dp i p e l i n el a y o u t ，w h i c hc o u l dm a k eb e t t e ru s eo f p u l s i n ge n e r g yo fe x h a u s tg a s ，c a ne n h a n c et h ea b i l i t yo fe g ri n t r o d u c t i o n ( i n c r e a s i n gt h ei n t a k e - e x h a u s tp r e s s u r ed i f f e r e n c e ) ，e s p e c i a l l yu n d e rl o ws p e e d ，h i g h l o a dc o n d i t i o n sf o rt h er e a s o nt h a te x h a u s tg a si sd i f f i c u l tt oi n t r o d u c e du n d e rs u c h o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，a n dr e d u c et h ep l l m p i n gl o s s e s ，t h e r e f o r em u c hb e t t e rt r a d e o f f b e t w e e nn o xa n df u e le c o n o m yc a l lb ea c h i e v e d ；w h e nt w o - s t a g et u r b o c h a r g i n g s y s t e mi sa p p l i e d ，t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w op i p e l i n el a y o u th i e , hp r e s s u r ee g r s y s t e m sb e c o m eq u i t es m a l l ；t h ef u e le c o n o m yc a nb ef u r t h e ri m p r o v e db y o p t i m i z i n gt h ee g rp i p eg e o m e t r i cd i m e n s i o n so fas e p a r a t e dh i g hp r e s s u r ee g r t w o - s t a g eb o o s ts y s t e m k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；c o m b u s t i o np a r a m e t e r ；t h e r m a le f f i c i e n c y ；e g r p i p e l i n e ；s i m u l a t i o n ；e m i s s i o n 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自内燃机问世一百二十多年以来，无论是在交通运输、国防还是在旅游、日 常生活方面，内燃机都得到了非常广泛的应用。至今，其它动力源都无法取代内 燃机。柴油机可以说是内燃机工业中最具代表性、最重要的产品之一。它不仅热 效率高，输出功率大，而且在耐久性和稳定性方面都有其突出的优势。1 8 9 2 年， 德国工程师r u d o l f - d i e s e l 仓l j 造了第一台燃用柴油的动力装置【l 】。1 8 9 5 年世界上第 一台水冷四冲程柴油机正式投入运转，实现了2 4 的热效率，成为当时热效率最 高的热力机械。3 0 年后，另一位德国工程师r o b e r t b o s c h 发明了高压燃油喷射装 置，使柴油机有了向小型化发展的可能。1 9 7 0 年，德国大众汽车公司首次将柴油 机运用到轿车上。 图1 1 内燃机的应用 如今，发动机柴油化已成为不可阻挡的发展趋势。目前，欧洲国家1 0 0 的 重型车、9 0 的商用车采用了柴油机，柴油轿车已占轿车年产量的3 2 ，法国、 西班牙等国家高达5 0 v 2 上【2 。在美国，商用车中柴油车的比例约达到9 0 ，在 日本也约有3 8 的商用车是用柴油机驱动的。我国的柴油车发展比较晚，2 0 世纪 9 0 年代以来，国产柴油车由7 5 8 万辆增加到4 2 5 8 万辆，占总产量的比例从4 8 8 增 h 到2 6 1 6 。车用柴油化正以势不可挡之势引领着国际潮流，s p r i n g e r 等人也 认为，车用内燃机已不可逆转的迈入柴油机时代【3 。5 】。 第一章绪论 1 2 内燃机面临的挑战 随着内燃机工业大踏步发展，大量的内燃机投入使用。人类在享受内燃机带 来便利和舒适的同时，也不可避免的承受着其带来的负面影响。地球上石油储量 的2 3 以上都被内燃机所消耗，城市环境也受到其排出的有害气体的严重污染。 因此，内燃机发展必须解决石化能源短缺和环境污染严重这两大难题。 1 2 1 石化能源短缺 针对地球上的石油资源到底还能供人类用多久，近年来众多学者和研究机构 对其进行了深入的研究和讨论。英国科学家d a v i dk i n g 警告，地球上的石油储 量很可能只有人们认为的三分之二左右，不排除在几年后出现石油能源匮乏和油 价飙升的现象。最新的研究数据显示，之前估计常规石油储量约为1 1 5 1 3 5 万 亿桶之间，如今已降为约8 , 5 0 0 - 9 ，0 0 0 亿桶。另外，最早到2 0 1 4 年，全球石化能 源的供给量将无法满足对石油的消耗型6 】。 近年来，我国汽车产业保持着强劲的发展势头，石油消耗量也不断攀升。自 1 9 9 3 年我国正式跨入石油净进口国的行列以来，从对石油进口的依赖度6 上升 到2 0 0 9 年的5 1 3 ；根据研究机构的预测结果，我国对石油进口的依赖程度会 逐年严重，在1 0 余年后，很有可能升至6 5 之多【7 】。 为应对如此严重的石油危机，除了积极探索新能源以外，努力降低汽车对石 油的消耗量也是一条行之有效的途径。美国政府、日本政府及欧洲等各国政府先 后颁布了油耗法规及实施计划【8 】：美国联邦标准c o r p o r a t ea v e r a g e f u e le c o n o m y 要求轻型轿车的燃油消耗率在2 0 1 0 年达到3 5 m p g , 卡车达至1 1 2 7 5 m p g ( m i l e sp e r g a l l o n ) 阴。日本政府要求2 0 0 0 年型号的轿车要比十年前轿车的油耗改进8 5 ， 2 0 0 3 年的商用车要比1 9 9 0 年油耗降低。欧洲和德国汽车协会分别要求 2 0 0 5 年比1 9 9 5 年油耗节约1 5 ，比1 9 9 0 年减少2 5 r o l l 。由德国大众公司开 发并批量生产的l u p o 轿车油耗已达到3 l 1 0 0 k i n 1 到。 早在8 0 年代，我国政府就颁布了j b 3 8 0 9 8 4 载货汽车燃料消耗量限值的 规定。对于乘用车油耗限值，国家强制性标准也于2 0 0 5 年7 月1 日起正式实施。新 标准中做出如下规定：车重为2 4 t 的多用途车，到2 0 0 5 年油耗必须低于 1 5 5 l 1 0 0 k m ；至u 2 0 0 8 年油耗不能超过1 4 l 1 0 0 k i n 。重量为1 t 的汽车，至u 2 0 0 5 年耗 油量最多不超过8 2 l 1 0 0 k m ，而至u 2 0 0 8 年时最大耗油量为7 l 1 0 0 k m 。 1 2 2 环境污染及内燃机排放法规 自上个世纪以来，内燃机的大范围应用给大气环境造成了严重的污染。内燃 第一章绪论 机的主要排放物有：颗粒物、氮氧化物、未燃碳氢以及一氧化碳等。这些污染物 成分成为影响城市空气质量的主要污染源，直接威胁着人们的身体健康。国外有 研究表明【i3 j ：工业发达的西方国家，其大中城市的环境污染物中，有约4 1 的氮 氧化物、2 8 的碳氢化合物以及5 4 的一氧化碳都是内燃机排出的污染物所造成 的。我国北京、上海这样的一线城市，由汽车造成的污染物也占有相当大的比例： 一氧化碳约占城市空气污染的8 0 ，氮氧化物占4 1 左右0 4 。由于汽车保有量 的迅速增加，大气污染也呈现日益严重的态势。1 0 年前我国的汽车保有量仅为 2 0 0 0 万辆，一氧化碳的年排放量为1 4 1 2 万吨，碳氢化合物为6 5 0 万吨，氮氧化物 为11 9 万吨；预计至u 2 0 2 0 年的汽车保有量将达至u 2 0 0 0 年的6 5 7 5 倍，c o 、h c 和 n o x 的排放量将分别达到2 0 0 0 年的1 7 倍、1 4 倍和1 9 倍。 为应对日益严重的环境污染问题，世界各国都相继制定了严格的排放法规。 图1 2 是欧洲、美国、和日本三大法规体系对柴油 f ，l n o 。和p m 的限值要求。从图 中可以看出，随着时间的推移，这三种主要法规的要求都是越来越严格。当达到 e u 6 阶段时，n o 。和p m 的排放限值分别为o 4 9 ( k w h ) 和o 0 1 9 ( k w h ) 。 = r ，“： 。3 u s a ! 。1 6e u , o t x ? j p 2 0 0 5 o - 8 。 j p 2 0 0 9 + 00 8 。0 1 2 p2 0 0 , 1 6 j a p a t l， 戳：蚕t 一 图1 - 2 三大法规体系对n o 。和p m 的限值要求 我国基本上采用欧洲排放标准体系。但在细节上有一些差别，在时间上也晚 于欧洲标准的实施日期。表1 1 为我国重型车用柴油机各阶段的排放限值。 表1 1我国重型车用柴油机排放标准( 单位：趴k w h ) ) 絮施丈范茕化拶琏氯化螽睾磐氨镀化物；凝$ 遗物 p m )躐螋 j ：竣l 蓼c 0j：h cj n o ：- ：_ 进气营 ( b ) 图“两种涡轮增压系统示意图 定压涡轮增压系统是把内燃机所有气缸的排气收集到一个体积足够大的排 气管内，然后再引入涡轮。由于排气管得稳压所用，尽管各缸的排气是交替的， 涡轮入口处的压力也基本保持不变。定压涡轮增压器的主要优点是：涡轮在定压 下全周进气，增压器效率较高；气流引起的激振较小，不易引起叶片的断裂；排 气系统简单，成本较低，易于布置和维护。主要缺点是，排气的脉冲能量利用率 较低。图4 5 是定压增压柴油机的理论示意图，由此来说明增压器对内燃机排气 能量的利用情况。图中红色阴影面积是排气中涡轮的可用能量，绿色面积代表燃 气的损失能量。定压系统只从燃气损失的能量中回收很小的一部分能量e e - f f ， 使定压系统中排气温度从e 点提高到e 点，5 - b e 5 中大部分能量都不可避免的 损失了。 图4 5 定压涡轮增压系统理论示功图 第四章优化高压e g r 系统提高增压柴油机热效率的研究 脉冲涡轮增压系统是采用两根或更多排气支管将相邻发火顺序气缸的排气 相互隔开，分别流入涡轮中，推动压气机做功。由于排气管内的压力是周期性脉 动的，造成涡轮进口压力的周期性脉动。这种增压系统的特点是排气系统容积尽 可能小，在气缸刚刚开始排气时，节流损失固然很大，但由于排气管内压力p t 迅速升高，并接近缸内压力p b ，因而总的节流损失大大减少。此外，排气管中气 流流速较高，因而部分气流的动能可以在涡轮中直接加以利用使得涡轮的可用能 增加，有利于增压压力的提高。所以，脉冲系统比定压系统能更好的利用排气能 量，提高在定压系统中损失能量的利用率。 图4 6 是原机采用定压和脉冲两种增压方式外特性上进气量，扭矩以及油耗 的计算结果对比。所采用的原机增压器的型号是h x 4 0 w 。 图4 6 单级增压不同增压方式外特性对比 由图4 6 可知，各转速全负荷工况，采用脉冲增压相比定压增压，在外特性 曲线上进气量和有效扭矩都有不同幅度的增加，燃油经济性也得到改善。在低转 速时，脉冲增压的优势体现的更为明显。如在9 0 0 r r a i n 、1 0 0 负荷时，定压增压 系统柴油机有效扭矩为1 0 5 0 n m ，比油耗为2 3 2 5 ( k w h ) ：脉冲增压系统柴油机 有效扭矩为1 0 9 4 n m ，较定压系统提高了4 1 9 ，有效燃油消耗率为 2 2 3 2 9 ( k w h ) ，较定压系统下降了4 。这主要是由于柴油机在低转速时，涡轮 前废气能量小，涡轮前压力低，损失掉的燃气可用能量较中高转速时大大增加， 脉冲增压系统的可用能相对定压增压系统的可用能增大，从而大幅改善了柴油机 低速扭矩特性及油耗。 4 9 第四章优化高压e g r 系统提高增压柴油机热效率的研究 4 3 两种e g r 管路布置方式对柴油机的影响 根据上节讨论的结果可知，如果将排气管隔开分别进入涡轮，会提高排气脉 冲能量的利用率，降低节流损失，提高排气能量在涡轮中的利用率。通过对定压 增压和脉冲增压系统特性进行分析，本节将对连接排气管和涡轮之间的连接管进 行改进，对比研究实现e g r 不同的取气方式对柴油机性能和排放的影响。 方案1 ：所有气缸的排气流经排气歧管后通过一段管接头连接流进涡轮。各 缸排气在管接头中进行充分混合。废气从管接头处( 混合后) 引入e g r 冷却器， 并经过e g r 阀和单向阀与流经节气门后的新鲜进气混合。这一方案从增压器工 作方式来看更接近定压增压系统，模型结构示意如图4 7 ( a ) 所示。 方案2 ：所有气缸的排气流经排气歧管后通过一段中间隔开的管接头连接流 进涡轮。隔开的两侧分别与连接前三缸和后三缸的排气支管相通。废气分别从管 接头隔开的两侧引出，经一段管路后混合再流进e g r 冷却器，并经过e g r 阀和 单向阀与流经节气门后的新鲜进气混合。这一方案从增压器工作方式来看更接近 脉冲增压系统，模型结构示意如图4 7 ( b ) 所示。 e g r 阀 j 夕l j 心 ( a ) 方案i e g r 阀 、 夕 。j 心| | f 。i 涡轮机 ( b ) 方案2 图4 7 两种方案模型结构示意图 本节分别在单级增压和两级增压条件下，建立上述两种不同管路布置的高压 冷却e g r 系统模型，研究其对柴油机性能、燃烧和排放的影响。 4 3 1 单级增压e g r 系统对柴油机的影响 图4 8 4 1 3 分别是1 3 3 0 f r a i n 、7 5 负荷，1 6 6 0 r m i n 和1 9 9 0 r r a i n 、1 0 0 负 荷时，单级增压耦合e g r 不同取气方式对进排气管路中压力波动及形成e g r 能 力的比较。图中压力波动大的为排气压力，波动小的为节气门后压力。 第四章优化高压e g r 系统提高增压柴油机热效率的研究 图4 813 3 0 r m i n ，7 5 负荷进排气压力 波动及e g r 阀质量流量 图4 91 3 3 0 r r a i n ，7 5 负荷e g r 率 随节气门的变化 图4 1 01 6 6 0 r r a i n ，1 0 0 负荷进排气压力图4 - 1 11 6 6 0 r m i n ，1 0 0 负荷e g r 率 波动及e g r 阀质量流量随节气门的变化 从以上各图中均可以看出，当节气门开度相同时，采用e g r 隔开取气的方 案2 排气管内压力及波动明显高于混合取气方式，且进排气压差也更大。如 1 6 6 0 r m i n 、1 0 0 负荷情况下，e g r 混合取气方式的最大进排气压差为0 0 1 8 m p a ， 隔开取气方式的最大进排气压差达到0 0 4 2 m p a 。较大的进排气压差会使更多的 废气通过e g r 阀流入气缸，导致e o r 引入能力增强。这主要是由于采用隔开取 气方式，减少了各缸排气压力波的相互干扰，且排气管容积相比于混合取气方式 小，减小了排气压力波动损失。单向阀避免了中低转速大负荷工况下排气压力小 于进气压力瞬时引起的进气倒流，有助于提高e g r 率。 第四章优化高压e g r 系统提高增压柴油机热效率的研究 图4 1 21 9 9 0 r m i n ，1 0 0 负荷进排气压力图4 1 31 9 9 0 r r a i n ，1 0 0 负荷e g r 率 波动及e g r 阀质量流量随节气门的变化 对于较难实现e g r 率的低转速大负荷工况，如1 3 3 0 r r a i n 、7 5 负荷，采用 混合取气的方案1 最大e g r 率只能达到4 ，而采用隔开取气的方案2 在相同节 气门开度下可以达到7 3 。由此看出，方案2 在一定程度上改善了低转速大负 荷工况难以实现e g r 的情况。 图4 _ 1 4 年1 9 分别是1 3 3 0 r r a i n 、7 5 负荷、1 6 6 0 r r a i n 和1 9 9 0 r r a i n 、1 0 0 负荷时，单级增压耦合e g r 不同取气方式对柴油机性能和燃烧的影响。 三 | | 黧c ：二杉 5670 o1 h o i ，培( k w ) 1 ) 甜 到2 2 薹 抛占 埘i 瑚置 图4 1 41 3 3 0 r r a i n ，7 5 负荷进气图4 1 51 3 3 0 r r a i n ，7 5 负荷缸内压力 流量和比油耗和瞬时放热率 从图中均可以看出随着n o x 比排放下降( e g r 率增大) ，新鲜进气量下降， 有效燃油消耗率上升。这主要是由于增大e g r 率需要减小节气门开度，节流损 失增加，使得新鲜进气量和空燃比降低，燃油消耗率上升。 o 5 o 6 o s硼函剿和籼 第四章优化高压e g r 系统提高增压柴油机热效率的研究 。端 主喷定时7 a g 啪c 二，r 预喷油量- ：! n o i ，( f 蚺h ) 1 ) 图4 1 61 6 6 0 r m i n ，1 0 0 负荷进气 流量和比油耗 图4 1 71 6 6 0 r m i n ，1 0 0 负荷缸内压力 和瞬时放热率 彳 舌 e 宿 辕 型 图4 1 81 9 9 0 r r a i n ，1 0 0 负荷进气图4 - 1 91 9 9 0 r r a i n ，1 0 0 负荷缸内压力 流量和比油耗和瞬时放热率 从图中还可以看出，对于各转速大负荷工况来说，采用隔开取气相比于混合 取气，n o x 和b s f c 的折衷关系都得到了不同程度的改善。这主要是由于以下三 方面的原因：1 隔开取气系统涡轮对燃气可用能的能量利用率有所提高。这是 因为隔开取气方式减少了各缸排气的相互干扰，削弱了排气能量的损失；且排气 管接头容积小，减少了由于排气造成的节流损失；排气管中气体流速高，因而部 分气流的动能能够直接在涡轮中加以利用。2 在相等n o x 排放条件下，e g r 隔 开取气方式所需的节气门开度较大，新鲜进气量多，所以瞬时放热率和缸内压力 峰值都较高，燃烧持续期缩短，使得总的燃烧指示热效率高。3 节气门开度大导 致系统节流损失降低，进气量大造成进气压力较高，而排气压力相差不大( 见缸 内压力曲线) ，所以泵吸损失较小。这些因素综合导致了相同n o x 比排放情况下， 隔开取气方式有效燃油消耗率有明显的降低。 第四章优化高压e g r 系统提高增压柴油机热效率的研究 4 3 2 两级增压e g r 系统对柴油机的影响 图4 - 2 0 、4 2 1 给出了16 6 0 r r a i n 、5 0 负荷和19 9 0 r r a i n 、7 5 负荷两级增压 耦合两种e g r 系统不同取气方式的e g r 率随节气门开度的变化。图4 2 2 4 2 4 分别是1 3 3 0 r r a i n 、1 6 6 0 r m i n 的5 0 负荷和1 9 9 0 r m i n 的7 5 负荷时，柴油机燃 油经济性和排放比较。从图中可以看出，两级增压中低转速中等负荷以及高转速 大负荷的情况下，均可以借助节气门实现较高的e g r 率，从而获得较低的n o x 比排放。在相同节气门开度下，方案2 能实现更高的e g r 率。 图4 2 01 6 6 0 r m i n ，5 0 负荷e g r 率 随节气门开度的变化 图4 - 2 11 9 9 0 r r a i n ，7 5 负荷e g r 率 随节气门开度的变化 图4 2 21 3 3 0 r m i n ，5 0 负荷n o x图4 2 31 6 6 0 r r a i n ，5 0 负荷n o x 和比油耗的t r a d e o f f 关系和比油耗的t r a d e o f f 关系 从图中还可以看出，虽然采用隔开取气系统柴油机仍具有更好的n o x 和 b s f c 的折衷关系，但总体而言，相对于单级增压，两级增压采用方案2 实现e g r 改善油耗的优势减弱。这主要是由于两级增压的压比较高，混合取气系统中排气 管内的压力也相应提高，排气能量的损失有所下降；另一方面脉冲能量在排气能 第四章优化高压e g r 系统提高增压柴油机热效率的研究 量中所占的比重也随压比的增加而减小，所以两种系统对排气能量的利用效果将 随着压比的提高而逐渐接近。 图4 - 2 419 9 0 r r a i n ，7 5 负荷n o x 和比油耗的t r a d e - o f f 关系 对于1 3 3 0 r r a i n ，5 0 负荷情况下，相对于高转速来说增压比低，进气流量 和排气流量都相对很小，涡轮前总的废气可用能也相对较少，所以方案1 和方案 2 涡轮对能量利用率的差别几乎表现不出来。因此在低转速中小负荷工况，尤其 是高增压比的水平下，采用隔开取气方式的方案2 效果不大。而对于高增压比高 转速大负荷情况，由于涡轮前可用能的总量较多，因此方案2 对排气能量的利用 率仍相对较高，n o x 和b s f c 的折衷关系依然可以得到较大程度的改善。 4 3 3 优化的管路布置方式进气均匀性研究 图4 - 2 5 、4 2 6 、4 2 7 是方案2 隔开取气方式1 3 3 0 r r a i n 、1 6 6 0 r m i n 的5 0 负荷和1 9 9 0 r m i n 的7 5 负荷时各缸新鲜进气和e g r 废气混合后的质量流量。 从图中可以看出，方案2 中各缸的混合进气流量是比较均匀的，各缸之间最大进 气质量流量差不超过0 7 k g h 。 图4 2 513 3 0 r m i n ，5 0 负荷各缸 进气流量 图4 2 61 6 6 0 r r a i n ，5 0 负荷各缸 进气流量 第四章优化高压e g r 系统提高增压柴油机热效率的研究 4 4 试验验证 图4 - 2 71 9 9 0 r r a i n ，7 5 负荷各缸的进气流量 由于两级增压具有更高的功率输出及降低排放的潜力，本节的试验研究是在 一台两级增压e g r 国样机上，根据之前两级增压e g r 系统模拟工况点，对 比分析两种e g r 取气方式对柴油机性能及排放的影响。试验结果表明，改进e g r 系统管路布置能有效改善柴油机的燃油经济性，并验证了模拟结果的正确性。 图4 - 2 8 以1 3 3 0 r r a i n 、5 0 负荷为例给出了不同取气方式下e g r 率随节气门 开度的变化。图4 - 2 9 、图4 - 3 0 与图4 - 3 1 分别是1 3 3 0 r r a i n 、1 6 6 0 r m i n 的5 0 负 荷和1 9 9 0 r r a i n 的7 5 负荷时，两级增压耦合e g r 不同取气方式柴油机燃油经 济性和排放的试验结果。 图4 2 81 3 3 0 r m i n ，5 0 负荷e g r 率图4 2 91 3 3 0 r m i n ，5 0 负荷n o x 随节气门开度的变化和比排放的t r a d e o f f 关系 从图中可以看出试验结果与之前模拟计算所得的趋势规律基本一致，验证了 采用隔开取气的方案2 有助于提高e g r 引入能力及其对柴油机n o x 和b s f c 的 嚣玎筋西甜嚣恐纠伸仰盯 莩噼崔0 第四章优化高压e g r 系统提高增压柴油机热效率的研究 折衷关系的改善作用。但鉴于试验中e g r 率的测量方法与模拟计算软件中定义 的e g r 率算法不同，以及试验用节气门开度与计算节气门模块的表示方法有所 差异，故模拟结果和试验结果在数值上有所不同，不做比较。 图4 3 016 6 0 r m i n ，5 0 负荷n o x 和比排放的t r a d e o f f 关系 图4 3 11 9 9 0 r m i n ，7 5 负荷n o x 和比排放的t r a d e - o f f 关系 4 5 两种e g r 管路布置方式燃烧参数及能量损失的对 匕研究 由前面部分的分析可以看出，增压中冷柴油机采用e g g 隔开取气的方案2 ， 在相同的n o x 排放情况下能够提高柴油机热效率。本部分从燃烧参数和能量分 配的角度，分析e g r 隔开取气方式提高柴油机热效率的原因。 图4 3 2 4 3 4 分别是1 3 3 0 r m i n 、1 6 6 0 r r a i n 的5 0 负荷和1 9 9 0 r r a i n 、7 5 负 荷时，柴油机有效燃油消耗率随c a s 0 和放热持续期的变化规律以及两种不同方 案e g r 取气方式n o x 比排放情况。 u u a 卜 t o 图4 3 21 3 3 0 r r a i n ，5 0 负荷比油耗及 n o x 随放热规律变化 图4 3 316 6 0 r m i n ，5 0 负荷比油耗及 n o x 随放热规律变化 第四章优化高压e g r 系统提高增压柴油机热效率的研究 图4 3 41 9 9 0 r r a i n ，7 5 负荷比油耗及n o x 随放热规律变化 从以上各图中均可以看出，相同n o x 比排放情况下，e g r 隔开取气方式( 方 案2 ) 的燃烧参数更接近油耗最优的燃烧参数，比油耗较低。例如，在图4 3 2 中，当n o x 比排放值都为3 6 9 ( k w h ) 时，方案l 的放热率重心c a 5 0 为1 2 0 c a ， 燃烧持续期为2 8 。c a ；而方案2 的放热率重心c a 5 0 为1 1 5 0 c a ，燃烧持续期为 2 7 。c a 。在图4 - 3 4 中，当n o x 都为3 5 9 ( k w h ) 时，方案1 的放热率重心c a 5 0 为1 7 5 0 c a ，燃烧持续期为3 6 0 c a ：而方案2 的放热率重心c a 5 0 为1 6 5 0 c a ， 燃烧持续期为3 4 。c a 。与之前模拟结果一致，高转速大负荷工况相对于低转速中 小负荷，涡轮前废气能力增多，隔开取气方式优势明显提高。 图4 3 5 4 3 8 分别是1 6 6 0 r r a i n 、5 0 负荷工况，n o x 排放约为2 6 9 ( k w h ) 和1 9 9 0 r m i n 、7 5 负荷工况，n o x 排放约为3 5 9 ( k w h ) 时，两种e g r 取气方式 柴油机总指示热效率、净指示热效率以及泵吸损失的对比。 j 3s5 n c ，c ar e ct t 二er m a l ! 。| ：e ：j _ e ：【r c * c a , e ct r e r m a ! “：i e ： 图4 3 516 6 0 r m i n ，5 0 负荷两种 方案热效率比较 泵吸损去 图4 3 61 6 6 0 r m i n ，5 0 负荷两种 方案泵吸损失比较 第四章优化高压e g r 系统提高增压柴油机热效率的研究 二r o s sf 1 d i c a t e dt j e r m ai 。= j e _ ：， n e ：l n d i c a t e et h e r ma l ! 。【：- er ： 图4 3 71 9 9 0 r m i n ，7 5 负荷两种 泵吸损失 图4 3 81 9 9 0 r m i n ，7 5 负荷两种 方案热效率比较方案泵吸损失比较 从上图中可以看出，采用e g r 隔开取气的方案，使得柴油机总的指示热效 率，除去泵吸损失后的四冲程循环指示热效率都较高。这主要是由于一方面，方 案2 对涡轮前排气能量的利用率较高以及节气门的节流损失小，使得进气量较 多，缸内燃烧较充分，燃烧相位提前，燃烧持续期缩短，工质膨胀做功增加，总 指示热效率增加；另一方面由于泵吸损失较小，导致循环指示热效率升高。因此， 在n o x 相同的情况下，方案2 改善了柴油机燃油经济性。 4 6 隔开取气方式e g r 管路结构尺寸优化 从之前的模拟及试验结果可知，不论是对单级增压还是两级增压来说，采用 隔开取气的方案2 实现e g r 都可以在牺牲燃油经济性较少的基础上获得较低的 n o x 排放。但相比于单级增压柴油机来说，两级增压由于高增压比使得采用隔开 取气对燃烧和排放的改善潜力减弱。然而两级增压由于其高进气密度及对低速扭 矩的改善作用等特点在柴油机特别是重型柴油机上受到越来越多的重视。 除了取气方式对e g r 具有重要影响外，e g r 管路的直径和长度等结构参数 也影响e g r 的实现效果。对于隔开取气的方案2 来说，管道直径偏大或长度过 短都可能会减弱对排气脉冲能量的利用；直径过小则可能会增大阻力而不利于废 气引出。因此，有必要对e g r 管路的直径和长度进行优化设计，从而改善隔开 取气在两级增压上的效果。 之前模拟计算中设定的e g r 分开取气段管路的直径和长度分别为5 0 m m 和 5 0 0 m m 。现保持隔开取气管道长度5 0 0 m m 不变，分别取管道直径为2 0 m m 、3 0 m m 、 4 0 m m 、6 0 m m ，对两级增压1 9 9 0 r m i n 、7 5 负荷工况隔开取气进行对比研究。 结果如图4 3 9 所示。由下图可知e g r 分开取气段管路直径采用3 0m l i l 时，效 果最好。 第四章优化高压e g r 系统提高增压柴油机热效率的研究 保持分开取气段管道直径5 0 m m 不变，分别取管道长度为1 0 0m m 、3 0 0 衄、 7 0 0m m 。如图4 4 0 是对两级增压1 9 9 0 r r a i n ，7 5 负荷工况改变e g r 管道长度 时隔开取气的模拟结果。从图中可以看出理论上管道长度越长，对发动机燃烧和 排放的改善效果越明显。但考虑到实际发动机安装空间的限制，这里管道长度最 长可取到7 0 0 m m 。 图4 3 91 9 9 0 r p m ，7 5 负荷不同e g r 管道直径时n o x 和比油耗 图4 - 4 01 9 9 0 r p m ，7 5 负荷不同e g r 管道长度时n o x 和比油耗 的t r a d e - o f f 关系的t r a d e - o f f 关系 取e g r 分开取气段管路长度7 0 0 r a m ，直径3 0 m m 作为优化后e g r 管路参 数，对比研究优化前后两级增压采用隔开取气n o x 和b s f c 的折衷关系。图 4 - 4 1 _ 4 3 分别是1 3 3 0 r r a i n 、1 6 6 0 r r a i n 的5 0 负荷和1 9 9 0 r r a i n 、7 5 负荷柴油 机燃油经