基于柴油机各缸EGR率差异的分缸仿真分析

龙海生，彭宇明，李大勇

（1.西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031；2.成都威特电喷有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

柴油机因为结构等方面的原因，排气循环入口位置与各缸进气口距离不一致，导致各缸实际的EGR率不一致。在同样的喷油参数下，各缸实际EGR率不同，其燃烧情况也不同。传统柴油机喷油控制并没有考虑柴油机各缸EGR率不同对柴油机燃烧排放的影响，多采用各缸喷油参数相一致的统一喷油控制策略，导致柴油机各缸燃烧不平衡，对柴油机工作的平稳性和排放性都会造成很大的影响。

1 电控单体泵柴油机仿真模型的建立

1.1 建立柴油机仿真模型

本文以4缸电控单体泵柴油机为原型，在建模过程中实体模型的结构参数来自于台架柴油机的实际结构尺寸。在软件GTSUITE环境下，建立该发动机的计算模型，其中，圆管尺寸直接使用实测所得值，不是圆管的利用当量直径进行替换；匹配参数如进、排气定时等完全按照原始机的给定值进行设定，以确保实体模型模拟的准确性。

1.2 仿真模型准确性验证

1.2.1 柴油机模型仿真分析

在模拟计算过程中，模型各缸采用相同的喷油参数。设置柴油机转速为柴油机低怠速n＝800r/min，废气循环率为零。设置模型中喷油参数如下：各缸循环喷油量为30mg，各缸喷油提前角为6°CA。模拟计算后柴油机NOx排放浓度为143.5‰（体积分数）。

1.2.2 柴油机仿真模型验证

在仿真模型验证过程中，分别选用柴油机转速为800r/min的稳态工况和转速为2 500r/min、负荷为110Nm两种工况进行验证。根据以往该型柴油机在实验测试中得出的数据，怠速为800r/min时，实验测出柴油机的NOx排放浓度为141.8‰（体积分数）；转速为2 500r/min、扭矩为110Nm时，柴油机NOx排放浓度为194.3‰（体积分数）。

对比实验数据与仿真模型模拟计算得出的柴油机NOx排放浓度可知：在转速为800r/min时，仿真计算得到的NOx排放量与实验数据相差1.2%；在转速为2 500r/min时，仿真计算得到的NOx排放浓度为197.4‰（体积分数），与实验数据相差1.6%，差距很小，在可接受的范围内。由上述数据对比可知模型建立正确。

2 各缸喷油参数相同标定方法的仿真分析

2.1 各缸喷油参数相同的标定方式所存在的问题

废气再循环在柴油机中低转速段对柴油机的排放性能有着很大的影响，据此基于建立的模型模拟EGR对柴油机排放的影响时，分别选用转速为1 950r/min和1 500r/min两种稳态工况进行模拟分析。按照以往实验标定时柴油机在这两种工况下的喷油参数及EGR上限设定来确定仿真模型的喷油参数及EGR设定，并在各缸喷油参数相同的标定方式下建立柴油机仿真模型进行仿真分析。模型的喷油参数及柴油机EGR上限值设定如下：当n＝1 500r/min时，喷油提前角为9°CA，各缸循环喷油量为48.5mg，EGR上限为23%；当n＝1 950r/min时，喷油提前角为－10°CA，各缸循环喷油量为50mg，EGR上限为25%。

在仿真模型中按照以上给出的喷油参数进行仿真运算，当每缸喷油参数相同时，仿真模拟运算后得出以下数据：

n＝1 950r/min时，按1～4缸顺序，各缸实际EGR率：21%，21.6%，21.8%，23.3%；各缸 NOx排放［g/（kW·h）］：4.39，3.64，3.14，2.67；各缸 SOOT排放［g/（kW·h）］：0.00，0.01，0.02，0.04。

n＝1 500r/min时按1～4缸顺序，各缸实际EGR率：18.1%，18.3%，18.5%，19.9%；各缸 NOx排放［g/（kW·h）］：3.16，2.98，2.74，2.38；各缸SOOT 排放［g/（kW·h）］：0.01，0.01，0.02，0.03。

从以上运算数据中可以看到：在喷油参数相同的情况下，柴油机各缸实际EGR率不相同，各缸NOx和SOOT排放因EGR率的不同也有较大差异。

2.2 柴油机各缸实际EGR率不同的原因分析

当废气经过废气循环系统进入进气歧管时，由于废气进口位置与柴油机各缸进气门距离有差异，进入气缸的气体因为废气与空气混合程度不同，使得实际进入各缸的废气量也不同。因此，柴油机各缸的实际EGR率不一样。

3 分缸标定优化的仿真分析

通过对影响柴油机尾气中NOx和SOOT排放因素的分析可知：喷油量能有效地控制柴油机尾气中SOOT排放，而喷油提前角对柴油机NOx的排放影响很大。要达到同时对柴油机NOx和SOOT排放进行控制调节，就需要对柴油机的喷油量跟喷油提前角均进行分缸标定控制。在具体的分缸标定研究中，选用转速为n＝1 950r/min及n＝1 500r/min两种稳态工况进行研究分析。

在n＝1 950r/min及n＝1 500r/min时，对柴油机喷油量与喷油提前角同时进行分缸标定。

n＝1 950r/min时，按1～4缸顺序，设定各缸循环喷油量（mg）为：49.5，49，49，48.5；各缸喷油提前角（℃A）为：6，8.5，10，12。

按此喷油参数进行模拟计算，得出以下排放数据：各缸 NOx排放［g/（kW·h）］：3.13，3.14，3.11，3.08；各缸 SOOT 排放［g/（kW·h）］：0.00，0.01，0.01，0.03。

n＝1 500r/min时，按1～4缸顺序，各缸循环喷油量为（mg）：48.5，48.5，48，47.5；各缸喷油提前角（℃A）为：7.5，8.5，9.5，11。

按此喷油参数进行模拟计算，得出以下排放数据：各缸 NOx排放［g/（kW·h）］：2.84，2.86，2.84，2.72；各缸 SOOT 排放［g/（kW·h）］：0.01，0.01，0.01，0.02。

对比分析统一喷油参数标定方式与喷油参数分缸标定方式柴油机尾气中NOx与SOOT排放可知：通过对喷油参数的分缸标定，柴油机各缸的NOx排放更均衡，各缸SOOT排放差异的现象也得到了较大改善。

4 结论

（1）由于柴油机EGR入口位置与各缸距离不一致，循环废气与空气的混合程度不同，使得进入柴油机各缸实际的废气量不同，导致各缸实际EGR率不同。

（2）在相同的喷油参数条件下，EGR率越高，缸内燃烧温度越低，NOx排放量越少，SOOT排放量增加。柴油机各缸实际EGR率不同，各缸燃烧情况不同，对柴油机整体的排放性及工作的平稳性都有很大的影响。

（3）对柴油机喷油量和喷油提前角同时进行分缸标定，对减少柴油机NOx和SOOT排放以及改善柴油机各缸燃烧均衡性等方面均有较好的效果。

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