基于EGR技术分析的农用甲醇发动机性能研究

耿 杰，甄旭东，王新建，王银山，赵培涛

(天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222)

随着人们生活水平的日益提高，汽车保有量越来越大，随之而来的环保和能源短缺问题日益严重[1]。甲醇由于生产成本较低、获取比较方便、生产技术相对成熟等原因，特别适合作为石油的代用燃料，对于解决我国石油能源短缺问题具有重要的战略意义。然而甲醇在燃烧过程中，可能产生醛类，并释放未燃甲醇，对环境造成污染。汪洋等对点燃式甲醇发动机的性能进行了研究[2-6]，Brusstar等于20世纪90年代在高压缩比柴油机上开展了甲醇燃料的研究[7]，为以后大马力甲醇燃料发动机的研究提供了新的方案与参考。通过传统试验对排气再循环(exhaust gas recirculation，简称EGR)系统的性能进行优化，该优化过程须要大额的试验设备投资和大量的人力投入，且耗费周期长，因此有必要通过软件工具对其设计过程进行优化，建立仿真模型，缩短废气再循环系统的开发周期，降低开发成本，并提出最恰当的废气再循环系统设计参数，使发动机性能达到最佳。

1 甲醇发动机工作过程数学模型的建立

1.1 燃烧模型

为获得缸内压力示功图，本研究采用零维模型(通常采用韦伯函数)模拟燃烧放热率：

(1)

式中：Q为燃料燃烧放出的热量；Qg为每循环燃料燃烧放热量；φz为燃烧持续期的曲轴转角；φ0为燃烧起始角；φ为瞬时曲轴转角；m为燃烧品质指数。

1.2 传热模型

传热计算公式为

(2)

(3)

1.3 进气管模型

连续性方程：

(4)

动量方程：

(5)

能量方程：

(6)

式中：ρ为气体密度；u为气体速度；A为管截面积；x为沿管轴线坐标；p为管内压力；V为单位网格体积；F为壁面摩擦力；E为单位质量气体能量；qW为壁面传热量；t为时间。

2 甲醇发动机工作过程仿真模型的建立

GT-Power可用于内燃机性能模拟与仿真计算，基于一维流体力学模型，采用有限体积法对实体模型进行仿真计算[8]。火花点燃式甲醇四缸发动机的仿真模型是在单缸基础上建立的，以某款农用柴油发动机为原型(表1)，利用 GT-POWER软件建立发动机工作过程仿真计算模型(图1)。所建模型已经经过了验证分析[9]，可用来对发动机的性能进行优化。

表1 发动机结构参数

3 甲醇发动机性能仿真

3.1 发动机性能模拟参数

由于EGR系统会对发动机的性能造成一定影响，所以当EGR系统工作时，点火提前角也要作相应调整。保持发动机其他模拟参数不变，改变点火提前角，使EGR率为0～40%，模拟参数见表2。

表2 发动机性能模拟参数

3.1.1 点火提前角、EGR率对缸内压力、放热率的影响 从图2、图3可以看出，随着EGR率的增大，缸内压力减小；当EGR率为30%，点火提前角为-6°CA时整个曲线较平缓，压力升高率较小。在同一EGR率下，点火提前角增大时，缸内压力也增大，因此当缸内EGR率不变时，可以适当增大点火提前角，使缸内压力增大。当EGR率增大时，放热率降低；当EGR率相同时，随着点火提前角的增大，放热率峰值升高。当EGR率为40%时，无论点火提前角是多少，放热率值均接近于0，原因是EGR率过高，废气再循环过多，进到气缸内的废气量过大，严重影响可燃混合气的点燃和持续燃烧，因此，EGR率不可以太高。

3.1.2 点火提前角和EGR率对发动机指示性能的影响 由图4-a可知，当EGR率为0、10%时，点火提前角越大，平均指示压力越小，且变化较为平缓。当EGR率为20%时，指示压力变化最为平缓，且当点火提前角为10°CA时，平均指示压力最大，为1.602 MPa。当EGR率等于30%时，平均指示压力随点火提前角的增大而增大。因此，当EGR率为30%左右时，应适当增大点火提前角。

由图4-b可知，当EGR率为0、10%时，随着点火提前角的增大，指示燃料消耗率也增大；当EGR率为20%，点火提前角为6°CA时，指示燃料消耗率最大，为505.4 g/(kW·h)，10°CA 的值最小，为 495.8 g/(kW·h)。 当EGR率为30%时，点火提前角越大，指示燃料消耗率越小，发动机经济性越好。

3.1.3 点火提前角、EGR率对发动机有效性能的影响 由图 5-a 可知，当EGR率为0、10%时，点火提前角越大，有效功率越小；当EGR率为30%时，点火提前角越大，有效功率越大，说明当EGR率大于20%时，点火提前角越大，发动机的动力性越好。由图5-b可知，当EGR率小于20%时，点火提前角越大，燃料消耗率越大；当EGR率为20%时，点火提前角等于8°CA处的燃料消耗率最小；当EGR率为30%时，点火提前角越大，燃料消耗率越小，发动机的经济性越好。

3.1.4 点火提前角、EGR率对NOx排放影响 由图6-a可知，当点火提前角为6°CA时，NOx排放量最少。随着点火提前角的增大，NOx浓度峰值增大，当点火提前角增大到 14°CA时，NOx排放量最大，且峰值相位提前。当曲轴转角为20～50°CA时，点火提前角越小，NOx浓度越大。由 图6-b 可知，当EGR率为20%时，NOx排放量随点火角变化的趋势和EGR率为10%时几乎一致，但NOx排放量较EGR率为10%时大幅下降，因此，为有效降低NOx排放量，应适当提高EGR率。

3.2 负荷和EGR率对发动机性能的匹配影响

发动机的性能指标随着负荷的改变而发生变化，本研究在加入EGR率的情况下，改变发动机负荷，研究分析发动机性能，以便对不同负荷与EGR率的选择进行最优匹配。当发动机转速不变时，通过改变节气门的开启角度反映负荷大小，发动机的模拟参数见表3。

表3 负荷和EGR率对发动机性能影响研究模拟参数

3.2.1 负荷和EGR率对缸内压力的影响 由图7可知，在不同节气门开度(负荷)下，随着EGR率的改变，缸内平均压力曲线的变化规律相似，都是随EGR率的增大而降低。比较3组数据发现，节气门开度越大，缸内压力峰值也越大，原因是随着节气门开度的增大，进入缸内的工质增多；节气门开度从10°增至30°时，压力峰值增加较明显；从3个图的横向对比来看，节气门开度从30°增大至50°时，同一EGR率下的压力峰值增加，但增加趋势变缓。

3.2.2 负荷、EGR率对发动机有效性能影响 由图8-a可知，EGR率越小，发动机有效功率越大。当EGR率相同时，发动机节气门开度越大，有效功率越大。节气门开度从10°增大到30°时，功率上升较快，变化率较大，而从50°增大到90°时，变化率较小，这是因为节气门开度增大，缸内新鲜充量增多，废气相对减少，燃烧速度加快，泵气损失减少，有效功率增加；而负荷继续增大时，泵气损失变化相对较小，所以功率增加较小，达到最大负荷时，功率达到最大值。图8-a显示，随着节气门开度的增大，发动机有效输出功率增大，这符合发动机的速度特性曲线变化特征。

当发动机转速一定时，燃料消耗率随负荷变化而变化的关系被称为发动机的负荷特性，图8-b中的曲线可以看作发动机的负荷特性曲线。从图中可以看出，发动机的有效燃料消耗率随负荷的增加而减小。节气门开度为10%，随着EGR率的增大，燃油消耗率迅速增加，原因在于此时节气门开度较小，可燃混合气总量较小，增加较多废气再循环，加重了发动机的不正常燃烧，为了使发动机正常稳定燃烧，必须增加进油，不利于发动机的经济性能。节气门开度从10°增大到30°时，燃料消耗率降低较为明显，而继续增大节气门开度，燃料消耗率变化较小，原因与有效功率随节气门开度的变化一致。有效燃料消耗率减小时，有效热效率增加，有利于提高发动机的经济性能。在图8-b中，当EGR率为30%时，节气门在10%～30%之间的曲线没有显示出来，经过分析研究认为，此段EGR率较大，废气较多，而节气门开度较小，新鲜空气较少，可燃混合气被稀释太多，因此在GT-power软件进行计算时发现，燃烧室内可燃混合气太稀，并未达到合理的点燃条件，这一段并未有效燃烧，因此缺少一段。

由图9可知，相同的节气门开度，EGR率增大，NOx浓度减小。当EGR率不变时，节气门开度增大，缸内温度升高，NOx浓度增大。当节气门开度为50°～90°时，NOx浓度差异较小。

4 结论

当发动机负荷不变，点火提前角相同时，EGR率越高，平均指示压力越小，动力性越差；当EGR率为0～10%时，点火提前角越大，有效功率越小，有效燃料消耗率越大；当EGR率为20%，点火提前角为10°CA时的有效功率最大，动力性最好；当EGR率为30%时，点火提前角越大，有效功率越大，有效燃料消耗率越小。

发动机点火提前角一定，节气门开度越大，放热率越大，压力越高，有效功率越大，有效燃料消耗率越小，但在50°、70°、90°时的增加量较小，NOx浓度随节气门开度增大而增大。在节气门开度为10°，随着EGR率的增大，有效燃料消耗率迅速增加，严重影响发动机的经济性能，同时，发动机NOx浓度较小，所以发动机在小负荷时，EGR率应减小或为0。