基于GTPower增壓柴油機(jī)EGR系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

1、基于 gt-power 增壓柴油機(jī) egr 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析楊洋，李麗，王麗娜，方娜，馬朝臣*5101520253035（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）摘要：本文以某車用重型增壓柴油機(jī)為研究對(duì)象，利用 gt-power 搭建其仿真模型,并針對(duì)此柴油機(jī)設(shè)計(jì)了一套帶中冷的 egr 系統(tǒng)。通過仿真分析，以高 egr 率、低損耗為目標(biāo)，對(duì)egr 系統(tǒng)的管徑及安裝位置進(jìn)行了優(yōu)化，最后計(jì)算分析了此設(shè)計(jì)模型對(duì)于柴油機(jī)整機(jī)性能的影響。本研究對(duì)于 egr 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及柴油機(jī)排放性能的改善具有重要意義。關(guān)鍵詞：egr；柴油機(jī)；gt-power中圖分類號(hào)：tk422design and ana

2、lysis of egr system based on gt-poweryang yang, li li, wang lina, fang na, ma chaochen(school of mechanical engineering,beijing institute of technology, beijing 100081)abstract: this paper built a model of a vehicle heavy turbocharged diesel engine by gt-power,designed an egr system for the diesel e

3、ngine. to get the target of high egr rate and low loss, thediameter and installation location of egr system were optimized, and analyzed the model effecton the performance of the diesel engine. the study had great significance for optimizing egrsystem and improving diesel engine emission performance

4、.keywords: egr; diesel engine; gt-power0 引言隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，提高發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能勢(shì)在必行。對(duì)于柴油機(jī)，其污染物的控制主要集中在 nox 和顆粒排放物上，顆粒的排放主要靠先進(jìn)的燃油噴射技術(shù)，而控制 nox排放的最有效措施是采用廢氣再循環(huán)技術(shù)(egr)1。egr 是將發(fā)動(dòng)機(jī)排放的部分廢氣引入進(jìn)氣管，與新鮮混合氣混合后再進(jìn)入氣缸，利用廢氣中的大量 co2 降低最高燃燒壓力，從而減少 nox 的排放。廢氣再循環(huán)技術(shù)可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī) nox 排放，已經(jīng)成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的排放控制措施之一2。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于 egr 技術(shù)的研究，主要趨向于 egr 與柴

5、油機(jī)的優(yōu)化匹配3，egr 的精確控制及 egr 率提高策略的研究。本研究是針對(duì)某車用重型增壓柴油機(jī)，設(shè)計(jì)了一套 egr 系統(tǒng)，應(yīng)用仿真模擬的方法設(shè)計(jì)選擇了與此發(fā)動(dòng)機(jī)匹配良好且 egr 率高的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。1 增壓柴油機(jī)基本參數(shù)本研究利用大型商業(yè)軟件 gt-power 建立柴油機(jī)仿真模型，選用某車用重型增壓柴油機(jī)為研究對(duì)象，仿真模型中柴油機(jī)的主要參數(shù)如表 1 所示。40作者簡(jiǎn)介：楊洋，（1988-），男，碩士，主要研究方向：渦輪增壓。通信聯(lián)系人：馬朝臣，男，博導(dǎo)，教授，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)和葉輪機(jī)械、內(nèi)燃機(jī)環(huán)境污染與控制。e-mail: mcc1900-1-參數(shù)名稱型式增壓方式缸徑?jīng)_程

6、排量標(biāo)定功率（轉(zhuǎn)速）壓縮比工作順序表 1 柴油機(jī)基本參數(shù)tab.1 basic parameters of diesel engine參數(shù)值四沖程直列六缸水冷柴油機(jī)一級(jí)廢氣渦輪增壓中冷132mm145 mm11.9l263kw（1900r/min）17.5:11-5-3-6-2-445505560利用 gt-power 建立的增壓柴油機(jī)仿真模型如圖 1 所示。圖 1 增壓柴油機(jī) gt 模型fig.1 gt model of turbocharged diesel engine2 egr 模型的建立egr 有中冷和非中冷兩種型式，非中冷的再循環(huán)廢氣溫度高，當(dāng)與新鮮空氣混合時(shí)，使進(jìn)入氣缸的新鮮空氣

7、溫度升高，粘性增加，從而損失增大。若采用中冷 egr，即將再循環(huán)的廢氣加以冷卻，可使進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮空氣的損失減少，避免了大負(fù)荷燃油經(jīng)濟(jì)性變差、排氣煙度增加等問題4。圖 2 是帶 egr 的單級(jí)增壓原理示意圖?？諝饨?jīng)壓氣機(jī)壓縮，經(jīng)中冷器冷卻以增加空氣密度、減小體積流量；冷卻后的空氣通過進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸。從發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣有一部分經(jīng)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管引出，經(jīng) egr 中冷器連接到發(fā)動(dòng)機(jī)入口。圖 2 帶 egr 的單級(jí)增壓原理示意圖fig.2 single stage booster principle diagram with egr利用 gt-power 軟件建立帶 egr 的單級(jí)增

8、壓柴油機(jī)仿真模型如圖 3 所示。對(duì)于自然吸氣的柴油機(jī)，進(jìn)排氣之間有足夠的壓力差，egr 的控制比較容易實(shí)現(xiàn)。本研究涉及的是增壓柴油機(jī)，為了避免污染壓氣機(jī)葉輪，排氣引入口設(shè)置在壓氣機(jī)后；計(jì)算模型中壓氣機(jī)后-2-6570有中冷器，為了避免中冷器芯子受到排氣污染，將排氣引入口設(shè)置在中冷器后；為了實(shí)現(xiàn)egr 的最佳效果，要保證各缸的 egr 率一致，所以本研究將排氣引入口設(shè)置在進(jìn)氣總管上；渦輪后壓力接近大氣壓力，遠(yuǎn)小于壓氣機(jī)后壓力，如果將排氣引出口設(shè)置在渦輪后，基本不能實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)，因此本計(jì)算將排氣引出口設(shè)置在渦輪前的排氣主管上。圖 3 帶 egr 的增壓柴油機(jī) gt 模型fig.3 gt mode

9、l of turbocharged diesel engine with egr3 egr 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)753.1egr 管徑選擇由于 egr 率受到管徑和安裝位置的影響，其中管徑的影響很大，本研究先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了 egr 的大致尺寸，并對(duì) egr 的各段管徑進(jìn)行了模擬計(jì)算，最后確定出一個(gè)合理的管徑。以發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況作為設(shè)計(jì)工況，取該負(fù)荷下的數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)來設(shè)計(jì) egr 管徑5。在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況下，進(jìn)排氣管壓差為p =24.15pa、排氣管壓力為 p排 =224.7pa、排氣溫度80為 t排 =900k。由流體力學(xué)伯努力方程可以推得qegr = aegr 2p 排（1）qegr =g排 排

10、ega（2） 排 = p排 rt排（3）85其中，qegr 為廢氣再循環(huán)的體積流量， aegr 為待求的 egr 引管的面積， 排 為再循環(huán)廢氣密度，由以上公式得aegr =（4）帶入已知參數(shù)，計(jì)算結(jié)果為 r=30.22mm由于估算的管徑為 30.22mm，本計(jì)算分別對(duì)：20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、9045mm 的管徑進(jìn)行了仿真，下面是仿真結(jié)果對(duì)比（橫坐標(biāo)為 egr 閥開度）：-3-（g排 排） egr2p 排a)c)b)d)95100105圖 4 標(biāo)定工況時(shí)不同 egr 管徑發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線a)egr 率 b) nox 排放 c)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 d)發(fā)動(dòng)機(jī)功率fig.4 pe

11、rformance curves of engine with different egr pipe diameter in the calibration conditiona) egr rate b) nox exhaust c) torque d) power發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定工況時(shí)，隨著 egr 閥開度增加，egr 率增加，隨著 egr 管徑的增加，egr 率增加；管徑達(dá)到 45mm 時(shí)，egr 率可以增加到 27%，管徑為 20mm 時(shí)，egr 閥開度增大到 60以上時(shí)，egr 率下降；隨著 egr 閥的開度增加，nox 的排放減少，在 060之間，隨著閥開度的增大，nox 排放降低速率降

12、低，隨著管徑的增加，降低速率越大，但是在管徑在 30mm 以上時(shí)，egr 閥開度在 60以上時(shí)，隨著閥開度的增大，nox 的排放增加；隨著 egr 閥開度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩減小，管徑越大，減小的越多，管徑為 20mm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工況不穩(wěn)定；隨著 egr 閥開度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率減小，管徑越大，減小的越多，管徑為 20mm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工況不穩(wěn)定；1103.2綜合考慮 egr 管徑對(duì) nox 排放和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，選擇管徑 30mm。egr 排氣引出端位置選擇為了優(yōu)化排氣引出端，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率下降的最少，nox 排放減少的最多。排氣引出端設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣總管上，渦輪前，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外形尺

13、寸及管路布置，這一管長(zhǎng)為115mm，共設(shè)置了 4 個(gè)計(jì)算點(diǎn)如圖 11（圖中為 2 點(diǎn)示意）；為了驗(yàn)證渦輪后由于氣體壓力115低，egr 不能回氣，設(shè)置了點(diǎn) 5 進(jìn)行計(jì)算。egr 管中若裝單向閥, 可大幅度提高高負(fù)荷時(shí)的 egr 率。即使在全負(fù)荷,也可獲得高的 egr 率6。由于本設(shè)計(jì)是針對(duì)外特性，所以設(shè)置了單向閥。-4-120圖 5 排氣引出端設(shè)置點(diǎn)fig.5 output position of exhaust gas根據(jù)上部分的計(jì)算及選擇，egr 管道直徑選擇 30mm，安裝部分管道長(zhǎng) 45mm。設(shè)置好管道位置后，以 egr 閥開度為變量，從 090，轉(zhuǎn)速 1900r/min，噴油量 19

14、0mg/s，計(jì)算保存，輸出計(jì)算結(jié)果如圖 6 所示。125圖 6 不同排氣引出端發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線fig.6 performance curves of engine in different output position of exhaust gas130135隨著 egr 閥開度的增加，egr 率增加，角度越大，增加速率越低，渦輪后測(cè)點(diǎn) 5 的egr 率為 0，其它點(diǎn)基本不隨測(cè)試點(diǎn)的不同而有較大變化;隨著 egr 率的增加，nox 的排放降低，角度在 075時(shí)，隨著閥開度的增加，nox排放急劇降低，測(cè)試點(diǎn)越靠近進(jìn)氣歧管，nox 排放降低速率越大；當(dāng)閥開度到 75以后時(shí)，nox 排放基本保持不變

15、，且基本不隨測(cè)試點(diǎn)的不同而變化；隨著 egr 率的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩減小，測(cè)試點(diǎn) 1 減小的最大（78.41nm），測(cè)試點(diǎn) 4 減小的最?。?6.09nm），平均減小約 5.68%；隨著 egr 率的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率也減小，測(cè)試點(diǎn) 1 減小的最大（15.403kw），測(cè)試點(diǎn) 4 減小的最?。?5.141kw），平均減小約 5.56%。綜合考慮各個(gè)性能的變化，選取 4 點(diǎn)為 egr 排氣引出端位置。-5-1403.3egr 排氣引入端位置選擇和排氣引出端相同，為了優(yōu)化排氣引入端，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率下降的最少，nox 排放減少的最多。排氣引入端設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總管上，中冷器之后，共設(shè)置了 8

16、 個(gè)計(jì)算點(diǎn)如圖 7（圖中為 0 點(diǎn)示意）所示。145150155圖 7 排氣引入端設(shè)置點(diǎn)fig.7 input position of exhaust gas安裝結(jié)構(gòu)變量參數(shù)與排氣引出端相同，計(jì)算結(jié)果如圖 8 所示。圖 8 不同排氣引入端發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線fig.8 performance curves of engine in different input position of exhaust gas隨著 egr 閥開度的增加，egr 率增加，角度越大，增加速率越低，測(cè)試點(diǎn) 2 的 egr率波動(dòng)較大，其它點(diǎn)基本不隨測(cè)試點(diǎn)的不同而有較大變化;隨著 egr 率的增加，nox 的排放降低，角度在

17、060時(shí)，隨著閥開度的增加，nox排放急劇降低，測(cè)試點(diǎn)越靠近進(jìn)氣歧管，nox 排放降低速率越大；當(dāng)閥開度到 60以后時(shí)，nox 排放基本保持不變，且基本不隨測(cè)試點(diǎn)的不同而變化；-6-隨著 egr 率的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩減小，測(cè)試點(diǎn) 4 減小的最?。?0.77nm），測(cè)試160165170175180185點(diǎn) 2 減小的最大（77.54nm），而且性能不穩(wěn)定，平均減小約 5.24%；隨著 egr 率的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率也減小，測(cè)試點(diǎn) 4 減小的最小（14.081kw），測(cè)試點(diǎn) 2 減小的最大（15.428kw），而且性能不穩(wěn)定，平均減小約 5.37%。綜合考慮各個(gè)性能的變化，選取 4 點(diǎn)為

18、egr 排氣引入端位置。4 結(jié)論對(duì)柴油機(jī)，通過增加 egr 系統(tǒng)，可以從一定程度上減少 nox 的排放，為了提高 egr的效率，應(yīng)該匹配一個(gè)最佳的 egr 系統(tǒng)，無論從結(jié)構(gòu)上，安裝位置上，還是從控制上，本計(jì)算僅針對(duì)結(jié)構(gòu)中的 egr 管徑，安裝位置進(jìn)行了優(yōu)化，最終取管徑為 30mm，排氣引入端取測(cè)試點(diǎn) 4 的位置，排氣引出端取測(cè)試點(diǎn) 4 的位置，這樣不僅使系統(tǒng)的 egr 率增加了，而且綜合考慮了增加本系統(tǒng)后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，功率的影響，使他們的降低達(dá)到最低。egr 系統(tǒng)是降低 nox 排放的有力措施，但是，同時(shí)會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和其他污染物的排放帶來影響，本計(jì)算通過優(yōu)化計(jì)算，設(shè)置不同管徑，安裝位置等，選取影響最小的設(shè)計(jì)，為 egr 系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。高效的 egr 還需要很好的控制系統(tǒng)來保證，通過控制 egr 閥，使 egr 閥在不同工況下開度不同，從而調(diào)節(jié) egr 率，最終使排放和發(fā)動(dòng)機(jī)特性達(dá)到最優(yōu)。egr 控制器應(yīng)在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下,具有控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的良好等品質(zhì)。雖然本計(jì)算在表定工況下使用 egr 時(shí)效果比較好，但是其他工況不是很確定，在以后的設(shè)計(jì)計(jì)算中，將綜合考慮各種工況，確定其最優(yōu)的 egr 率。參考文獻(xiàn) (references)1 王鵬,王德海,居鈺生,楊