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        基于柴油機(jī)各缸EGR率差異的分缸仿真分析

        2015-04-18 00:48:41龍海生彭宇明李大勇
        機(jī)械工程與自動(dòng)化 2015年1期
        關(guān)鍵詞:噴油量噴油廢氣

        龍海生,彭宇明,李大勇

        (1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031;2.成都威特電噴有限公司,四川 成都 610041)

        0 引言

        柴油機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)等方面的原因,排氣循環(huán)入口位置與各缸進(jìn)氣口距離不一致,導(dǎo)致各缸實(shí)際的EGR率不一致。在同樣的噴油參數(shù)下,各缸實(shí)際EGR率不同,其燃燒情況也不同。傳統(tǒng)柴油機(jī)噴油控制并沒(méi)有考慮柴油機(jī)各缸EGR率不同對(duì)柴油機(jī)燃燒排放的影響,多采用各缸噴油參數(shù)相一致的統(tǒng)一噴油控制策略,導(dǎo)致柴油機(jī)各缸燃燒不平衡,對(duì)柴油機(jī)工作的平穩(wěn)性和排放性都會(huì)造成很大的影響。

        1 電控單體泵柴油機(jī)仿真模型的建立

        1.1 建立柴油機(jī)仿真模型

        本文以4缸電控單體泵柴油機(jī)為原型,在建模過(guò)程中實(shí)體模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)自于臺(tái)架柴油機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸。在軟件GTSUITE環(huán)境下,建立該發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算模型,其中,圓管尺寸直接使用實(shí)測(cè)所得值,不是圓管的利用當(dāng)量直徑進(jìn)行替換;匹配參數(shù)如進(jìn)、排氣定時(shí)等完全按照原始機(jī)的給定值進(jìn)行設(shè)定,以確保實(shí)體模型模擬的準(zhǔn)確性。

        1.2 仿真模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

        1.2.1 柴油機(jī)模型仿真分析

        在模擬計(jì)算過(guò)程中,模型各缸采用相同的噴油參數(shù)。設(shè)置柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為柴油機(jī)低怠速n=800r/min,廢氣循環(huán)率為零。設(shè)置模型中噴油參數(shù)如下:各缸循環(huán)噴油量為30mg,各缸噴油提前角為6°CA。模擬計(jì)算后柴油機(jī)NOx排放濃度為143.5‰(體積分?jǐn)?shù))。

        1.2.2 柴油機(jī)仿真模型驗(yàn)證

        在仿真模型驗(yàn)證過(guò)程中,分別選用柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為800r/min的穩(wěn)態(tài)工況和轉(zhuǎn)速為2 500r/min、負(fù)荷為110Nm兩種工況進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)以往該型柴油機(jī)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中得出的數(shù)據(jù),怠速為800r/min時(shí),實(shí)驗(yàn)測(cè)出柴油機(jī)的NOx排放濃度為141.8‰(體積分?jǐn)?shù));轉(zhuǎn)速為2 500r/min、扭矩為110Nm時(shí),柴油機(jī)NOx排放濃度為194.3‰(體積分?jǐn)?shù))。

        對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真模型模擬計(jì)算得出的柴油機(jī)NOx排放濃度可知:在轉(zhuǎn)速為800r/min時(shí),仿真計(jì)算得到的NOx排放量與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差1.2%;在轉(zhuǎn)速為2 500r/min時(shí),仿真計(jì)算得到的NOx排放濃度為197.4‰(體積分?jǐn)?shù)),與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差1.6%,差距很小,在可接受的范圍內(nèi)。由上述數(shù)據(jù)對(duì)比可知模型建立正確。

        2 各缸噴油參數(shù)相同標(biāo)定方法的仿真分析

        2.1 各缸噴油參數(shù)相同的標(biāo)定方式所存在的問(wèn)題

        廢氣再循環(huán)在柴油機(jī)中低轉(zhuǎn)速段對(duì)柴油機(jī)的排放性能有著很大的影響,據(jù)此基于建立的模型模擬EGR對(duì)柴油機(jī)排放的影響時(shí),分別選用轉(zhuǎn)速為1 950r/min和1 500r/min兩種穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行模擬分析。按照以往實(shí)驗(yàn)標(biāo)定時(shí)柴油機(jī)在這兩種工況下的噴油參數(shù)及EGR上限設(shè)定來(lái)確定仿真模型的噴油參數(shù)及EGR設(shè)定,并在各缸噴油參數(shù)相同的標(biāo)定方式下建立柴油機(jī)仿真模型進(jìn)行仿真分析。模型的噴油參數(shù)及柴油機(jī)EGR上限值設(shè)定如下:當(dāng)n=1 500r/min時(shí),噴油提前角為9°CA,各缸循環(huán)噴油量為48.5mg,EGR上限為23%;當(dāng)n=1 950r/min時(shí),噴油提前角為-10°CA,各缸循環(huán)噴油量為50mg,EGR上限為25%。

        在仿真模型中按照以上給出的噴油參數(shù)進(jìn)行仿真運(yùn)算,當(dāng)每缸噴油參數(shù)相同時(shí),仿真模擬運(yùn)算后得出以下數(shù)據(jù):

        n=1 950r/min時(shí),按1~4缸順序,各缸實(shí)際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時(shí)按1~4缸順序,各缸實(shí)際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。

        從以上運(yùn)算數(shù)據(jù)中可以看到:在噴油參數(shù)相同的情況下,柴油機(jī)各缸實(shí)際EGR率不相同,各缸NOx和SOOT排放因EGR率的不同也有較大差異。

        2.2 柴油機(jī)各缸實(shí)際EGR率不同的原因分析

        當(dāng)廢氣經(jīng)過(guò)廢氣循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入進(jìn)氣歧管時(shí),由于廢氣進(jìn)口位置與柴油機(jī)各缸進(jìn)氣門距離有差異,進(jìn)入氣缸的氣體因?yàn)閺U氣與空氣混合程度不同,使得實(shí)際進(jìn)入各缸的廢氣量也不同。因此,柴油機(jī)各缸的實(shí)際EGR率不一樣。

        3 分缸標(biāo)定優(yōu)化的仿真分析

        通過(guò)對(duì)影響柴油機(jī)尾氣中NOx和SOOT排放因素的分析可知:噴油量能有效地控制柴油機(jī)尾氣中SOOT排放,而噴油提前角對(duì)柴油機(jī)NOx的排放影響很大。要達(dá)到同時(shí)對(duì)柴油機(jī)NOx和SOOT排放進(jìn)行控制調(diào)節(jié),就需要對(duì)柴油機(jī)的噴油量跟噴油提前角均進(jìn)行分缸標(biāo)定控制。在具體的分缸標(biāo)定研究中,選用轉(zhuǎn)速為n=1 950r/min及n=1 500r/min兩種穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行研究分析。

        在n=1 950r/min及n=1 500r/min時(shí),對(duì)柴油機(jī)噴油量與噴油提前角同時(shí)進(jìn)行分缸標(biāo)定。

        n=1 950r/min時(shí),按1~4缸順序,設(shè)定各缸循環(huán)噴油量(mg)為:49.5,49,49,48.5;各缸噴油提前角(℃A)為:6,8.5,10,12。

        按此噴油參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算,得出以下排放數(shù)據(jù):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時(shí),按1~4缸順序,各缸循環(huán)噴油量為(mg):48.5,48.5,48,47.5;各缸噴油提前角(℃A)為:7.5,8.5,9.5,11。

        按此噴油參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算,得出以下排放數(shù)據(jù):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。

        對(duì)比分析統(tǒng)一噴油參數(shù)標(biāo)定方式與噴油參數(shù)分缸標(biāo)定方式柴油機(jī)尾氣中NOx與SOOT排放可知:通過(guò)對(duì)噴油參數(shù)的分缸標(biāo)定,柴油機(jī)各缸的NOx排放更均衡,各缸SOOT排放差異的現(xiàn)象也得到了較大改善。

        4 結(jié)論

        (1)由于柴油機(jī)EGR入口位置與各缸距離不一致,循環(huán)廢氣與空氣的混合程度不同,使得進(jìn)入柴油機(jī)各缸實(shí)際的廢氣量不同,導(dǎo)致各缸實(shí)際EGR率不同。

        (2)在相同的噴油參數(shù)條件下,EGR率越高,缸內(nèi)燃燒溫度越低,NOx排放量越少,SOOT排放量增加。柴油機(jī)各缸實(shí)際EGR率不同,各缸燃燒情況不同,對(duì)柴油機(jī)整體的排放性及工作的平穩(wěn)性都有很大的影響。

        (3)對(duì)柴油機(jī)噴油量和噴油提前角同時(shí)進(jìn)行分缸標(biāo)定,對(duì)減少柴油機(jī)NOx和SOOT排放以及改善柴油機(jī)各缸燃燒均衡性等方面均有較好的效果。

        [1]劉永長(zhǎng).內(nèi)燃機(jī)原理[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2004.

        [2]鄭穎,劉清.柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀[J].汽車節(jié)能,2007(1):21-24.

        [3]邱卓丹,張洪濤,莫建文.現(xiàn)代柴油機(jī)排氣污染物控制新技術(shù)[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào),2001,12(3):34-37.

        [4]譚丕強(qiáng),陸家祥,鄧康耀,等.噴油提前角對(duì)柴油機(jī)排放影響的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2004,25(2):9-11.

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