基于GTPower增压柴油机EGR系统设计及分析

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1、基于 GT-Power 增压柴油机 EGR 系统设计及分析杨洋，李丽，王丽娜，方娜，马朝臣*5101520253035（北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）摘要：本文以某车用重型增压柴油机为研究对象，利用 GT-Power 搭建其仿真模型,并针对此柴油机设计了一套带中冷的 EGR 系统。通过仿真分析，以高 EGR 率、低损耗为目标，对EGR 系统的管径及安装位置进行了优化，最后计算分析了此设计模型对于柴油机整机性能的影响。本研究对于 EGR 系统的优化设计以及柴油机排放性能的改善具有重要意义。关键词：EGR；柴油机；GT-Power中图分类号：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 引言随着排放法规的日益严格，提高发动机排放性能势在必行。对于柴油机，其污染物的控制主要集中在 NOx 和颗粒排放物上，颗粒的排放主要靠先进的燃油喷射技术，而控制 NOx排放的最有效措施是采用废气再循环技术(EGR)1。EGR 是将发动机排放的部分废气引入进气管，与新鲜混合气混合后再进入气缸，利用废气中的大量 CO2 降低最高燃烧压力，从而减少 NOx 的排放。废气再循环技术可有效降低发动机 NOx 排放，已经成为汽车发动机必不可少的排放控制措施之一2。目前，国内外对于 EGR 技术的研究，主要趋向于 EGR 与柴

5、油机的优化匹配3，EGR 的精确控制及 EGR 率提高策略的研究。本研究是针对某车用重型增压柴油机，设计了一套 EGR 系统，应用仿真模拟的方法设计选择了与此发动机匹配良好且 EGR 率高的废气再循环系统。1 增压柴油机基本参数本研究利用大型商业软件 GT-Power 建立柴油机仿真模型，选用某车用重型增压柴油机为研究对象，仿真模型中柴油机的主要参数如表 1 所示。40作者简介：杨洋，（1988-），男，硕士，主要研究方向：涡轮增压。通信联系人：马朝臣，男，博导，教授，主要研究方向为内燃机增压技术和叶轮机械、内燃机环境污染与控制。E-mail: mcc1900-1-参数名称型式增压方式缸径冲程

6、排量标定功率（转速）压缩比工作顺序表 1 柴油机基本参数Tab.1 basic parameters of diesel engine参数值四冲程直列六缸水冷柴油机一级废气涡轮增压中冷132mm145 mm11.9L263kW（1900r/min）17.5:11-5-3-6-2-445505560利用 GT-Power 建立的增压柴油机仿真模型如图 1 所示。图 1 增压柴油机 GT 模型Fig.1 GT model of turbocharged diesel engine2 EGR 模型的建立EGR 有中冷和非中冷两种型式，非中冷的再循环废气温度高，当与新鲜空气混合时，使进入气缸的新鲜空气

7、温度升高，粘性增加，从而损失增大。若采用中冷 EGR，即将再循环的废气加以冷却，可使进入气缸内的新鲜空气的损失减少，避免了大负荷燃油经济性变差、排气烟度增加等问题4。图 2 是带 EGR 的单级增压原理示意图。空气经压气机压缩，经中冷器冷却以增加空气密度、减小体积流量；冷却后的空气通过进气总管进入气缸。从发动机排出的废气有一部分经废气再循环系统从发动机排气管引出，经 EGR 中冷器连接到发动机入口。图 2 带 EGR 的单级增压原理示意图Fig.2 Single stage booster principle diagram with EGR利用 GT-POWER 软件建立带 EGR 的单级增

8、压柴油机仿真模型如图 3 所示。对于自然吸气的柴油机，进排气之间有足够的压力差，EGR 的控制比较容易实现。本研究涉及的是增压柴油机，为了避免污染压气机叶轮，排气引入口设置在压气机后；计算模型中压气机后-2-6570有中冷器，为了避免中冷器芯子受到排气污染，将排气引入口设置在中冷器后；为了实现EGR 的最佳效果，要保证各缸的 EGR 率一致，所以本研究将排气引入口设置在进气总管上；涡轮后压力接近大气压力，远小于压气机后压力，如果将排气引出口设置在涡轮后，基本不能实现废气再循环，因此本计算将排气引出口设置在涡轮前的排气主管上。图 3 带 EGR 的增压柴油机 GT 模型Fig.3 GT mode

9、l of turbocharged diesel engine with EGR3 EGR 结构设计753.1EGR 管径选择由于 EGR 率受到管径和安装位置的影响，其中管径的影响很大，本研究先根据经验公式计算了 EGR 的大致尺寸，并对 EGR 的各段管径进行了模拟计算，最后确定出一个合理的管径。以发动机标定工况作为设计工况，取该负荷下的数据作为设计依据来设计 EGR 管径5。在发动机标定工况下，进排气管压差为P =24.15Pa、排气管压力为 P排 =224.7Pa、排气温度80为 T排 =900K。由流体力学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 为废气再循环的体积流量， AEGR 为待求的 EGR 引管的面积， 排 为再循环废气密度，由以上公式得AEGR =（4）带入已知参数，计算结果为 R=30.22mm由于估算的管径为 30.22mm，本计算分别对：20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、9045mm 的管径进行了仿真，下面是仿真结果对比（横坐标为 EGR 阀开度）：-3-（G排 排） EGR2P 排a)c)b)d)95100105图 4 标定工况时不同 EGR 管径发动机性能曲线a)EGR 率 b) NOx 排放 c)发动机转矩 d)发动机功率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发动机在标定工况时，随着 EGR 阀开度增加，EGR 率增加，随着 EGR 管径的增加，EGR 率增加；管径达到 45mm 时，EGR 率可以增加到 27%，管径为 20mm 时，EGR 阀开度增大到 60以上时，EGR 率下降；随着 EGR 阀的开度增加，NOx 的排放减少，在 060之间，随着阀开度的增大，NOx 排放降低速率降

12、低，随着管径的增加，降低速率越大，但是在管径在 30mm 以上时，EGR 阀开度在 60以上时，随着阀开度的增大，NOx 的排放增加；随着 EGR 阀开度的增加，发动机输出扭矩减小，管径越大，减小的越多，管径为 20mm时，发动机工况不稳定；随着 EGR 阀开度的增加，发动机输出功率减小，管径越大，减小的越多，管径为 20mm时，发动机工况不稳定；1103.2综合考虑 EGR 管径对 NOx 排放和对发动机性能的影响，选择管径 30mm。EGR 排气引出端位置选择为了优化排气引出端，使发动机转矩和功率下降的最少，NOx 排放减少的最多。排气引出端设置在发动机排气总管上，涡轮前，根据发动机外形尺

13、寸及管路布置，这一管长为115mm，共设置了 4 个计算点如图 11（图中为 2 点示意）；为了验证涡轮后由于气体压力115低，EGR 不能回气，设置了点 5 进行计算。EGR 管中若装单向阀, 可大幅度提高高负荷时的 EGR 率。即使在全负荷,也可获得高的 EGR 率6。由于本设计是针对外特性，所以设置了单向阀。-4-120图 5 排气引出端设置点Fig.5 Output position of exhaust gas根据上部分的计算及选择，EGR 管道直径选择 30mm，安装部分管道长 45mm。设置好管道位置后，以 EGR 阀开度为变量，从 090，转速 1900r/min，喷油量 19

14、0mg/s，计算保存，输出计算结果如图 6 所示。125图 6 不同排气引出端发动机性能曲线Fig.6 Performance curves of engine in different Output position of exhaust gas130135随着 EGR 阀开度的增加，EGR 率增加，角度越大，增加速率越低，涡轮后测点 5 的EGR 率为 0，其它点基本不随测试点的不同而有较大变化;随着 EGR 率的增加，NOx 的排放降低，角度在 075时，随着阀开度的增加，NOx排放急剧降低，测试点越靠近进气歧管，NOx 排放降低速率越大；当阀开度到 75以后时，NOx 排放基本保持不变

15、，且基本不随测试点的不同而变化；随着 EGR 率的增加，发动机输出扭矩减小，测试点 1 减小的最大（78.41Nm），测试点 4 减小的最小（76.09Nm），平均减小约 5.68%；随着 EGR 率的增加，发动机输出功率也减小，测试点 1 减小的最大（15.403kW），测试点 4 减小的最小（15.141kW），平均减小约 5.56%。综合考虑各个性能的变化，选取 4 点为 EGR 排气引出端位置。-5-1403.3EGR 排气引入端位置选择和排气引出端相同，为了优化排气引入端，使发动机转矩和功率下降的最少，NOx 排放减少的最多。排气引入端设置在发动机进气总管上，中冷器之后，共设置了 8

16、 个计算点如图 7（图中为 0 点示意）所示。145150155图 7 排气引入端设置点Fig.7 Input position of exhaust gas安装结构变量参数与排气引出端相同，计算结果如图 8 所示。图 8 不同排气引入端发动机性能曲线Fig.8 Performance curves of engine in different input position of exhaust gas随着 EGR 阀开度的增加，EGR 率增加，角度越大，增加速率越低，测试点 2 的 EGR率波动较大，其它点基本不随测试点的不同而有较大变化;随着 EGR 率的增加，NOx 的排放降低，角度在

17、060时，随着阀开度的增加，NOx排放急剧降低，测试点越靠近进气歧管，NOx 排放降低速率越大；当阀开度到 60以后时，NOx 排放基本保持不变，且基本不随测试点的不同而变化；-6-随着 EGR 率的增加，发动机输出扭矩减小，测试点 4 减小的最小（70.77Nm），测试160165170175180185点 2 减小的最大（77.54Nm），而且性能不稳定，平均减小约 5.24%；随着 EGR 率的增加，发动机输出功率也减小，测试点 4 减小的最小（14.081kW），测试点 2 减小的最大（15.428kW），而且性能不稳定，平均减小约 5.37%。综合考虑各个性能的变化，选取 4 点为

18、EGR 排气引入端位置。4 结论对柴油机，通过增加 EGR 系统，可以从一定程度上减少 NOx 的排放，为了提高 EGR的效率，应该匹配一个最佳的 EGR 系统，无论从结构上，安装位置上，还是从控制上，本计算仅针对结构中的 EGR 管径，安装位置进行了优化，最终取管径为 30mm，排气引入端取测试点 4 的位置，排气引出端取测试点 4 的位置，这样不仅使系统的 EGR 率增加了，而且综合考虑了增加本系统后，对发动机转矩，功率的影响，使他们的降低达到最低。EGR 系统是降低 NOx 排放的有力措施，但是，同时会给发动机的性能和其他污染物的排放带来影响，本计算通过优化计算，设置不同管径，安装位置等

19、，选取影响最小的设计，为 EGR 系统的进一步设计打下了基础。高效的 EGR 还需要很好的控制系统来保证，通过控制 EGR 阀，使 EGR 阀在不同工况下开度不同，从而调节 EGR 率，最终使排放和发动机特性达到最优。EGR 控制器应在保持系统稳定的前提下,具有控制精度高、动态响应快的良好等品质。虽然本计算在表定工况下使用 EGR 时效果比较好，但是其他工况不是很确定，在以后的设计计算中，将综合考虑各种工况，确定其最优的 EGR 率。参考文献 (References)1 王鹏,王德海,居钰生,杨崴.废气再循环时增压柴油机性能和排放的模拟计算J. 江苏大学学报，2007，23（5）：74-77.2 程龙群，黄新洪.增压柴油机排气再循环(EGR)控制系统的设计J.城市车辆,2008,9.3 林建华，倪计民. 废气再循环系统在车用发动机上的应用研究J. 车用发动机，2007，168（2）：1-4.4 姚美红,刘建霞,林红旗.柴油机 NOX 排放控制技术J.农机化研究,2008，11.5 李文军. 车用增压柴油机 EGR 技术的应用试验研究D. 硕士学位论文，2002.6 邓康耀，朱义伦等.增压柴油机实现废气再循环(EGR)系统的模拟计算研究J.内燃机学报,2001,19(2).-7-