高原环境下EGR与VNT对柴油机性能影响的仿真研究*

文万斌1 刘少华1 毕玉华1 彭宏伟1 代国雄 付全

（1-昆明理工大学云南省内燃机重点实验室云南昆明6505002-昆明云内动力股份有限公司）

Abstract：In order to study the effect of EGR and VNT on diesel engine performance,combustion and emission characteristics for plateau environment,one dimensional flow simulation model of diesel engine including EGR and VNT system was established based on bench testing using GT-POWER and numerical calculation and analysis were carried out.Results show that effective specific fuel consumption of diesel engine basically increases with the increase of EGR rate.When VNT open degree is relatively small, effective specific fuel consumption goes up slowly as EGR rate increases.Maximum cylinder pressure and temperature decrease with the increase of EGR rate.When EGR rate is constant,maximum cylinder pressure falls as VNT open degree goes up.Emission of NOxgradually decreases with the increase of EGR rate.And emission of NOxdecreases with the increase of VNT open degree when EGR rate remains constant.Particulate emissions of different operating conditions show different trends with the increase of EGR rate;Particulate emissions increase with a further increase of the EGR rate.Also,when EGR rate stays the same,particulate emissions basically fall with decrease of VNT open degree.

Keywords：Plateau environment,Exhaust gas recirculation,Variable nozzle turbocharger,Diesel engine, Simulation

高原环境下EGR与VNT对柴油机性能影响的仿真研究*

文万斌1刘少华1毕玉华1彭宏伟1代国雄2付全2

（1-昆明理工大学云南省内燃机重点实验室云南昆明6505002-昆明云内动力股份有限公司）

为了研究在高原环境下排气再循环（EGR）与可变喷嘴涡轮增压（VNT）对柴油机性能，燃烧和排放的影响，在台架测试的基础上，应用GT-POWER软件，建立了带EGR与VNT系统的柴油机一维流动仿真模型，并进行了模拟计算与分析。研究表明，随着EGR率增加，柴油机有效燃油消耗率基本呈现增加的趋势。当VNT开度比较小时，有效燃油消耗率随EGR率增加的幅度也较低。最大缸内压力和最高缸内温度随着EGR率增加而降低。在EGR率相同时，最大缸压随着VNT开度增大而减小。NOx排放随着EGR率的增大而逐渐降低，EGR率一定时，NOx排放随VNT开度的增大而逐渐降低。在不同工况下，随着EGR率增加，颗粒物排放呈现不同的变化趋势；当EGR率进一步增大时，颗粒物排放呈现增加的趋势。在相同EGR率时，颗粒物排放基本随VNT开度的减小逐渐降低。

高原环境EGRVNT柴油机性能仿真

Abstract：In order to study the effect of EGR and VNT on diesel engine performance,combustion and emission characteristics for plateau environment,one dimensional flow simulation model of diesel engine including EGR and VNT system was established based on bench testing using GT-POWER and numerical calculation and analysis were carried out.Results show that effective specific fuel consumption of diesel engine basically increases with the increase of EGR rate.When VNT open degree is relatively small, effective specific fuel consumption goes up slowly as EGR rate increases.Maximum cylinder pressure and temperature decrease with the increase of EGR rate.When EGR rate is constant,maximum cylinder pressure falls as VNT open degree goes up.Emission of NOxgradually decreases with the increase of EGR rate.And emission of NOxdecreases with the increase of VNT open degree when EGR rate remains constant.Particulate emissions of different operating conditions show different trends with the increase of EGR rate;Particulate emissions increase with a further increase of the EGR rate.Also,when EGR rate stays the same,particulate emissions basically fall with decrease of VNT open degree.

Keywords：Plateau environment,Exhaust gas recirculation,Variable nozzle turbocharger,Diesel engine, Simulation

引言

采用排气再循环（EGR）技术能够有效降低柴油机氮氧化物（NOx）排放[1-3]。但是在高原环境下，大气压力随着海拔升高而下降，涡轮进排气压力差增大，导致涡轮超速，致使压比升高，加剧传统增压中冷柴油机在某些工况下的进排气逆差问题（进气压力大于排气压力），导致EGR率波动大以及EGR响应迟缓，从而影响柴油机的燃烧和排放。可变喷嘴涡轮增压技术（VNT）除了能够根据工况需求调节涡轮流通面积，从而匹配柴油机需求的增压比，改善增压柴油机的低工况性能和瞬态响应外，还能够调节进排气压差，改善EGR的工作稳定性并有效拓宽EGR的工作范围[4-6]。因此，开展高原环境下EGR与VNT对某柴油机性能影响的仿真研究，系统分析EGR与VNT对柴油机性能以及燃烧和排放特性的影响关系。

1仿真模型建立与验证

1.1 仿真模型建立

以四缸高压共轨柴油机为研究对象，应用美国Gamma Technologies公司开发的GT-Power软件建立带EGR与VNT系统的柴油机一维流动仿真模型，模拟柴油机在高原环境下的工作过程，如图1所示。柴油机主要技术参数如表1所示。

图1 柴油机GT-Power仿真模型

表1 柴油机主要技术参数

1.2 仿真模型的验证

通过比较仿真模型的计算结果和试验台架上测得的试验结果，对比仿真值和试验值的差异，从而验证该仿真模型的有效性。图2是柴油机外特性下主要性能参数试验结果与仿真结果的对比图。通过对比发现，试验值与仿真值吻合度较好，最大误差均在5%以内，说明此模型能够用于预测该柴油机的相关性能。

图2 柴油机试验值与仿真值比较

2仿真计算结果与分析

2.1 VNT与EGR对柴油机经济性影响分析

图3表示在1 800 r/min-200 N·m与4 000 r/min-140 N·m工况下EGR与VNT对柴油机有效燃油消耗率的影响。

图3 不同VNT开度下EGR率对经济性的影响

从图中可以看出，随着EGR率增加，柴油机有效燃油消耗率基本呈现增加的趋势。而且在VNT开度一定时，EGR率越大，有效燃油消耗率随EGR率上升速度越快。分析认为，EGR率较小时，随着EGR率的增加，泵气损失减少，可以减缓由于空燃比下降带来的燃烧恶化程度。随着EGR率的不断增加，泵气损失的降低，已不能弥补燃烧效率下降所带来的燃油消耗的增长，因此，有效燃油消耗率上升速度加快。

在1 800 r/min-200 N·m工况，VNT开度为20%时，当EGR增加到11%，有效燃油消耗率上升了2.2%；VNT开度为25%时，同样的EGR率增加幅度下，有效燃油消耗率上升了3.6%。在1 800 r/min-200 N·m工况，EGR率从0增大到4%的过程中，VNT开度为20%，25%，30%时，有效燃油消耗率分别上升了0.4%，0.55%，1%；在4 000 r/min-140 N·m工况，EGR率从0增大到14%的过程中，VNT开度为45%，50%，55%，60%，65%，70%，75%，80%所对应的有效燃油消耗率分别上升了0.5%，1.9%，3.2%，3.6%，5.6%，6.5%，8.1%，10.6%。对比发现，当VNT开度较小时，有效燃油消耗率随EGR率增加的幅度也较低，VNT开度的变化会对EGR与有效燃油消耗率之间的关系产生一定的影响。因此，在高原环境下引入EGR时，可以通过适当减小VNT开度，恢复一部分燃油经济性。

2.2 VNT与EGR对柴油机燃烧特性影响分析

图4～图5表示在1 800 r/min-200 N·m和4 000 r/min-140 N·m两个工况点，EGR率与VNT开度对柴油机最大缸内压力和最高缸内温度的影响。

从图4可以看出，在两种不同工况下，最大缸内压力均随着EGR率增大而降低。这主要是因为引入EGR后，缸内引入的排气使缸内的新鲜空气量减少，排气中的大量惰性气体导致燃烧缓慢，最高燃烧压力下降。在EGR率相同时，两种工况下最大缸压均随着VNT开度增大而减小。这主要是由于VNT开度增大，使得涡轮对排气能量利用效率下降，从而导致增压压力与进气量下降。在喷油量不作调整的情况下，燃油与空气混合效果变差，从而导致燃烧效率下降。

从图5可以看出，两种不同工况下最高缸内温度均随着EGR率增加而降低，主要原因在于，一方面随着EGR率增加，缸内燃烧过程中废气增加，而废气中有相当大一部分CO2、H2O等三原分子，使得缸内气体比热容增大；另一方面，EGR引入部分惰性气体，从而稀释了缸内进气，使得燃烧效率下降，燃烧温度降低。对比还发现，在1 800 r/min-200 N·m工况下，随着VNT开度的减小，在同等EGR率下，缸内最高温度逐渐降低。在4 000 r/min-140 N·m工况下，情况变得较为复杂。当VNT开度在45%～60%范围内变化时，在相同EGR率下，基本呈现出较小的VNT开度对应较低的缸内最高温度。当VNT开度继续增大时，相同EGR率下，缸内最高温度随VNT开度的变化不呈现明显规律。

图4 不同VNT开度下EGR率对最大缸内压力影响

图5 不同VNT开度下EGR率对缸内最高温度影响

2.3 VNT与EGR对柴油机排放特性影响分析

图6～7为VNT与EGR对NOx与颗粒物排放的影响。

从图6可以看出，在两种工况下，随着EGR率的增大，NOx排放逐渐降低。EGR率一定时，NOx排放随VNT开度的增大而逐渐降低。这主要是由于随着VNT开度的减小，增压比逐渐增大，进气量逐渐增加，缸内含氧量进而增加，使燃烧更充分，燃烧温度上升，导致NOx排放增加。在4 000 r/min-140 N·m工况下，随着EGR率增大，NOx排放在不同VNT开度之间差值逐渐缩小。说明随着发动机负荷和引入EGR率的增加，VNT开度的调节对EGR降低NOx排放的辅助作用在逐渐弱化。

从图7可以看出，在1 800 r/min-200 N·m工况下VNT开度为30%，25%，20%时，分别对应EGR率小于2%、2%、4%时，随着EGR率增加，颗粒物排放下降；当EGR率进一步增大时，颗粒物排放随之增加，且随着EGR率的增大，上升速度逐渐加快。这主要是因为在EGR率较小时，EGR率的引入使得缸内温度下降；当EGR率进一步增大，缸内氧浓度大幅降低，缸内最高温度的下降无法改变氧浓度降低造成颗粒物排放增加的趋势，从而导致颗粒物排放不断增加。在4 000 r/min-140 N·m工况下，颗粒物排放基本随着EGR率增大而增加，随着EGR率增大，颗粒物排放随EGR率增加的趋势更为明显。对比发现，在两种工况下，在相同EGR率时，颗粒物排放基本随VNT开度的减小逐渐降低。主要原因在于，随着VNT开度的减小，进气量增加，能够有效改善燃烧过程中的缺氧状况，降低颗粒物排放。

图6 不同VNT开度下EGR率对NOx排放影响

图7 不同VNT开度下EGR率对颗粒物排放影响

3结论

1）随着EGR率增加，柴油机有效燃油消耗率基本呈现增加的趋势。在VNT开度一定时，EGR率越大，有效燃油消耗率随EGR率上升速度越快。当VNT开度较小时，有效燃油消耗率随EGR率增加的幅度也较低。在高原环境下引入EGR时，可以通过适当减小VNT开度，恢复一部分燃油经济性。

2）最大缸内压力随着EGR率增大而降低。在EGR率相同时，最大缸压随着VNT开度增大而减小。最高缸内温度随着EGR率增加而降低。

3）随着EGR率的增大，NOx排放逐渐降低。EGR率一定时，NOx排放随VNT开度的增大而逐渐降低。在1 800 r/min-200 N·m工况下，随着EGR率增加，颗粒物排放先下降后增加；在4 000 r/min-140 N·m工况下，颗粒物排放基本随着EGR率增大而增加。在相同EGR率时，颗粒物排放基本随VNT开度的减小逐渐降低。

1朱瑞军，王锡斌，冉帆，等.EGR和冷EGR对柴油机燃烧和排放的影响[J].西安交通大学学报，2009，43（9）：23-26

2平银生，张逸敏，蔡东波，等.利用EGR降低柴油机排放的研究[J].内燃机工程，2000，21（4）：6-10

3杨帅，李秀元，应启戛，等.EGR率对柴油机排放特性影响的试验[J].农业机械学报，2006，37（5）：29-33

4Hawley J G,Wallace F J,Cox,A.,et al.Reduction of steady state NOxlevels from an automotive diesel engine using optimised VGT/EGR schedules[C].SAE Paper 1999-01-0835

5郑尊清，尧命发，高俊华，等.采用VNT/EGR和DOC降低柴油机排放的试验[J].内燃机学报，2010，28（4）：289-296

6王天灵，李骏，吴君华，等.EGR和VNT的匹配对增压柴油机排放的影响[J].吉林大学学报（工学版），2006，36（4）：493-496

Simulation Study on Effect of EGR and VNT on Diesel Engine Performance for Plateau Environment

Wen Wanbin1,Liu Shaohua1*,Bi Yuhua1,Peng Hongwei1,Dai Guoxiong2,Fu Quan2
1-Yunnan Provincial Key Laboratory of IC Engine,Kunming University of Science and Technology (Kunming,Yunnan,650500,China)2-Kunming Yunnei Power Co.,Ltd.

TK421+.8

A

2095-8234（2016）06-0006-06

2016-09-25）

国家自然科学基金项目（51466003）。

文万斌（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向为内燃机现代设计。