废气再循环时增压柴油机性能和排放的模拟计算.pdf

第23卷第5期 2002 年9月 江 苏 大 学 学 报 自 然 科 学 版 Journal of Jiangsu University Natural Science Vol 23No 5 Sep 2002 废气再循环时增压柴油机性能和排放的模拟计算 王 鹏 1 王德海 1 居钰生 2 杨 崴 2 1 江苏大学汽车与交通工程学院 江苏 镇江212013 2 一汽集团无锡油泵油嘴研究所 江苏 无锡214063 摘要 采用模拟计算技术研究废气再循环对柴油机性能和排放的影响 并通过实验加以验证 模拟计算和实验结果均表明废气再循环可以显著降低N0 X 排放 同时对柴油机性能也产生影响 柴油机的N0 X 排放随着EGR率的增加而显著降低 但柴油机的运转参数对废气再循环的作用也 有一定影响 不同负荷时N0 X 排放的变化情况不同 柴油机性能的变化也不同 在高负荷时 N0X 排放下降较明显 同时柴油机性能恶化也较严重 同时经实验验证 使用GT P0 WER软件建立的 计算模型有足够的计算精度 能够准确预测柴油机性能和排放 关键词 柴油机 废气再循环 模拟计算 性能 排放 中图分类号 TK421 5 文献标识码 A 文章编号 1671 7775 2002 05 0074 04 柴油机污染物的控制主要集中在N0 X 和颗粒 排放物上 颗粒排放的减少依靠先进的燃油喷射系 统 而控制N0 X 排放的最有效的途径是采用废气再 循环 EXhaust Gas Recirculation EGR 1 目前 欧洲各国在柴油机汽车上已广泛采用废气再循环技 术 而我国在这方面的研究比较滞后 模拟计算技 术在近年来得到迅速发展 VIPRETM计算程序能够 预测发动机进 排气系统内各种物质瞬态浓度 2 后 来又开发了ALAM0 ENG I NE计算程序用于预测 发动机N0 X 排放 3 将两个程序结合起来计算六 缸增压中冷柴油机在进行EGR时的性能和排放 不 仅适合较宽的工作范围 而且与实验数据相比具有 较高的精确性 4 模拟计算技术的迅速发展给柴油 机工作者提供了一个有力的开发工具 废气再循环同电控技术结合使用才能满足生产 实际的要求 因此笔者计算对比了不同EGR率时 柴油机的性能和N0 X 排放 为实现电控EGR做 准备 模拟计算方法 计算所用软件为STAR CD公司的GT P0 W ER软件 计算中采用 交错网格法 5 将柴油机的 流动系统分成若干个控制体积 并采用一维流体 气 体 动力学方程进行数学描述 基本方程有 连续性方程 dm dt bound mflx 能量方程 d m e dt 1dV bound mflx hgA T gas TWall 动量方程 d mflx dt d 1A bound mflx 4Cf O 2 2 dxA D C1 1 2 1O 2 A dx 式中mflx是通过边界的质量流量 m V 1 分别为 体积块内质量 体积 压力 A 为流通面积 e 为 内能 总焓 hg 为传热系数 O 分别代表体积块中 心速度 边界速度 Cf 为表面摩擦系数 C1 为压力 损失系数 D 为当量直径 柴油机性能的计算和实验验证 为研究废气再循环对柴油机性能的影响 以 收稿日期 2002 04 10 作者简介 王鹏 1977 女 辽宁沈阳人 江苏大学硕士生 CA6110 125 型直列四冲程 水冷 直喷式 涡轮 增压机为研究对象 该柴油机的主要参数为 标定 功 率 170 k W 2 300 r m in 最 大 扭 矩 850 N m 1 500 r m in 计算中选取了具有代表性的 两个转速 标定功率转速和最大扭矩转速 它们 也是十三工况排放实验采用的两个转速 为验证计 算结果的正确性 进行了该柴油机的废气再循环实 验 实验中废气在涡轮前引出 流经EGR冷却器后 与压缩中冷后的新鲜空气在文丘里管中混合 如图 1 所示 图1 EGR系统结构简图 F ig 1Schematic of EGRsystem 表1为该柴油机在标定点和最大扭矩转速 75 负荷进行废气再循环时 各项性能参数的计算 与实验结果的对比 对比结果表明 EGR阀开与关 时 计算的功率 扭矩 油耗 进气量 排温以及EGR 率与实验结果均有较好的吻合 数据表中没有对比 最大扭矩点的性能参数 这是因为该点进气压力过 高 经过降压装置后仍高于排气压力 无法将废气引 入进气系统 两个转速下 不同负荷不同EGR率时 主要性 能参数的计算和实验结果对比见图2和图3 对比 图表明 计算结果和实验结果有一致性的结论 在高 负荷时 随着EGR率的增加 柴油机性能恶化 油 耗显著增加 排温较大幅度地上升 而在低负荷时 柴油机性能几乎保持不变 甚至有优化的可能 油耗 并不是一直增加 而是波动变化 排温也仅略有上 升 它们的具体数值虽然有一定的差距 但曲线的 总体走势保持一致 而且数据间的差值也在一定范 围内 数据间的差值包括模拟计算的误差 也包含 了实验测量误差 由此可见模拟计算成功地预测了 柴油机性能 并预测出废气再循环对柴油机性能的 影响 图2 2 300 r m in时 性能参数的计算和实验 结果对比图 F ig 2Comparison of perfor mance bet ween si mulation and experi ment at 2 300 r m in 图3 1 500 r m in时 性能参数的计算和实验 结果对比图 F ig 3Comparison of perfor mance bet ween si mulation and experi ment at 1 500 r m in 57 第5期王鹏等 废气再循环时增压柴油机性能和排放的模拟计算 表1 EGR阀不同开度时 各性能参数的计算和实验结果的对比 Tab 1Performance si mulation and eXperi m ent at different EGR valve position 参数 2 300 r m in 100 负荷1 500 r m in 75 负荷 EGR阀关EGR阀开EGR阀关EGR阀开 测量值计算值测量值计算值测量值计算值测量值计算值 EGR率 005 565 41001 411 29 功率 k W 169169 6164 5168 399 897 394 896 1 油耗 g k W h 219 21218 37219 88222 82206 8207 05213 30214 05 进气量 kg h 910 2969 9902 8916 2448 7461 2399 4416 7 排温 C 590579616606554542620612 3 柴油机NOX排放计算与实验验证 采用废气再循环的目的就是降低NOX排放 文中计算了不同EGR率时的NOX排放情况 并与 实验结果进行对比 分析废气再循环对NOX排放的 影响 同计算柴油机性能一样 NOX 排放计算中同样 选取了标定转速和最大扭矩转速 表2为标定点和 最大扭矩转速 75 负荷时NOX 排放的计算和实验 结果的对比 对比结果表明 EGR阀开与关时 计算 的NOX排放与实验结果均有较好的吻合 同时 在 标定点 最大EGR率可达5 41 此时NOX排放降 幅为22 2 在最大扭矩转速 75 负荷时 最大 EGR率可达1 29 此时NOX 排放降幅为13 0 虽然NOX排放的降幅不大 但对比其性能参数 可 在达到排放要求的同时保持良好的性能 两个转速条件下 计算结果和实验数据的对比 见图4 结果表明 在两个转速的各负荷范围内 计 算结果和实验结果有很好的一致性 废气再循环能 够降低NOX排放 在中高负荷时 曲线下降较急 说 明此时NOX排放随EGR率的增加下降很显著 在 低负荷时 曲线趋于平缓 说明此时NOX排放的变 化较小 由于所选柴油机的增压比较大 且要保持 其良好的动力性 因此计算中限制了旁通节流阀的 开度 从而使该柴油机的最大EGR率较低 NOX 排 放的下降幅度也不是很明显 另外 由于在高负荷时 EGR 对柴油机性能负 面影响较大 可采用较低的EGR率 而引起NOX排 放的显著下降 但在低负荷时 EGR 对柴油机性能 负面影响较小 可采用较大的EGR率以降低NOX 排放 表2 EGR阀不同开度时 NOX 排放的计算和实验结果对比 Tab 2Si mulation and eXperi m ent of NOXem ission at different EGR valve position 参数 2 300 r m in 100 负荷1 500 r m in 75 负荷 EGR阀关EGR阀开EGR阀关EGR阀开 测量值计算值测量值计算值测量值计算值测量值计算值 EGR率 005 565 41001 411 29 NOX 10 6 1 148 61 175 95913 94915 21 273 61 296 451 117 41 128 46 图4不同转速 不同EGR率时NOX排放计算和实验结果对比 F ig 4Comparison of NOXem ission bet ween si mulation and eXperi ment at different EGRrate 67 江 苏 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第23卷 4 结论 1 在高负荷时 随着EGR率的增加 柴油机 性能恶化 油耗显著增加 排温较大幅度地上升 而 在低负荷时 柴油机性能几乎保持不变 甚至有优化 的可能 2 废气再循环能够降低N0 X 排放 且在中高 负荷时 N0X 排放随EGR率的增加下降很显著 在 低负荷时 N0X 排放随EGR率的变化较小 结合 结论 1 考虑 应在高负荷时采用较低的EGR率 在 低负荷时采用较高的EGR率以降低N0 X 排放 3 由计算和实验结果对比图表可知 该增压 柴油机模拟计算模型在计算柴油机性能和N0 X 排 放时有较高的计算精度 能够准确地预测柴油机性 能和N0 X 排放随EGR率的增减发生的变化 参考文献 1 濑古俊之 汽车排放法规及燃油耗法规的动向和与 之相适应的发动机燃烧技术 J 国外内燃机 2001 3 50 53 2 Zhang Houshun S tanley K W idener An Integrated En gine Cycle S i mulation M odel W ith Species T racking in P iping System C SAE960077 87 102 3 Lee G Dodge Douglas M Leone David W Naegeli A PC based M odel for Predicting N0XReductionsin D iesel Engines C SAE962060 145 157 4 Zhang Houshun A Predictive Tool for Engine Perfor m ance and N0XEm ission C SAE982462 1 15 5 GT P0 WER U ser s M anual and Tutorial M odeling fl uid floW S 13 28 Nu merical Study of the Effect of EGR on the Perfor mance and Em issions of Turbo Charging D iesel Engine WANG peng 1 WANG de hai 1 J U Yu sheng 2 Yang W ei 2 1 School of Automobile and T raffic Engineering Jiangsu University Zhenjiang Jiangsu 212013 China 2 W uXi fule Injection ECuipment Research Institute W uXi Jiangsu 214063 China Abstract The effect of the EXhaust Gas Recirculation EGR on the perfor mance and em issions of the tur bo charging diesel engineis studied numerically and tested eXperi mentally both si mulation and eXperi mental re sults shoWthat EGRcan reduce N0Xem ission evidently While affecting the perfor mance of engine The Working parameters also have effects on the perfor mance of EGR The changes of N0Xem ission and engine perfor mance are different W ith engineload altering Compared tothe eXperi mental results it shoWs that the si mnlation model gives enough calculation precision to predict the perfor mance and em issions of the engine Key words diesel engine eXhaust gas recirculation si mulation perfor mance em ission 责任编辑陈持平 77 第5期王鹏等 废气再循环时增压柴油机性能和排放的模拟计算 废气再循环时增压柴油机性能和排放的模拟计算废气再循环时增压柴油机性能和排放的模拟计算 作者 王鹏 王德海 居钰生 杨崴 作者单位 王鹏 王德海 江苏大学汽车与交通工程学院 江苏 镇江苏 212013 居钰生 杨崴 一汽集 团无锡油泵油嘴研究所 江苏 无锡 214063 刊名 江苏大学学报 自然科学版 英文刊名 JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY NATURAL SCIENCE EDITION 年 卷 期 2002 23 5 被引用次数 8次 参考文献 5条 参考文献 5条 1 濑古俊之 汽车排放法规及燃油耗法规的动向和与之相适应的发动机燃烧技术 期刊论文 国外内燃机 2001 03 2 Zhang Houshun Stanley K Widener An Integrated Engine Cycle Simulation Model with Species Tracking in Piping System 3 Lee G Dodge Douglas M Leone David W Naegeli A PC Based Model for Predicting NOx Reductions in Diesel Engines 4 Zhang Houshun A Predictive Tool for Engine Perform ance and NOx Emission 5 GT POWER User s Manual and Tutorial Modeling Fl uid Flow 本文读者也读过 10条 本文读者也读过 10条 1 刘仁鑫 李晓珍 出油阀对柴油机性能影响的试验研究 期刊论文 江西农业大学学报 自然科学版 2003 25 2 2 李永强 刘胜吉 李菁 张新 熊飞 孙建中 Li Yongqiang Liu Shengji Li Jing Zhang Xin Xiong Fei Sun Jianzhong 用电控VE泵的车用国 柴油机性能参数优化与模拟计算 期刊论文 小型内燃机与摩托车2010 39 2 3 文代志 李鹏 刘近平 WEN Dai zhi LI Peng LIU Jin ping 进气CO2浓度和燃油压力对柴油机性能的影响 期刊论 文 广西工学院学报2010 21 4 4 王兴海 谢程宁 宁智 马震 李玉珍 WANG Xing hai XIE Cheng ning NING Zhi MA Zhen LI Yu zhen 排气净化器 对柴油机性能的影响 期刊论文 西安理工大学学报2007 23 4 5 申立中 沈颖刚 易宁 毕玉华 颜文胜 Shen Lizhong Shen Yinggang Yi Ning Bi Yuhua Yan Wensheng 应用无量 纲分析法对柴油机性能的大气修正 期刊论文 内燃机学报1999 17 2 6 王浒 尧命发 郑