对于船舶柴油机，控制NO_x排放已经成为亟待解决的问题之一，而对此行之有效的EGR技术逐渐为人们所关注。20世纪90年代，瑞士联邦理工学院结合高压共轨等先进技术对柴油机进行了EGR技术的试验研究，并成功地使NO_x的排放量大幅下降^[1]。21世纪初期，美国的康明斯公司另辟蹊径，采用了中冷式EGR系统，并历经数次技术革新，使得康明斯在动力制造行业至今仍口碑颇丰^[2]。根据NO_x的生成机理，其生成条件的主控因素为高温、富氧和高温状态下的反应停留时间^[3]。所以，要从根本上解决NO_x的排放问题，就要从这几个因素着手。本文采用的EGR技术的原理是通过EGR回路将一部分排气引入进气管，进气过程开始后随着新鲜充量一起进入气缸参加下一个循环的反应^[4-6]。基于AVL-FIRE软件搭建TBD620柴油机仿真模型，对其在不同负荷(25%、50%、75%和100%)时分别在不同EGR率(0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)下的燃烧室性能(滞燃期、缸内压力、缸内温度及燃烧放热率)、缸内排放指标(NO_x和碳烟)、动力性能指标(功率)和经济性能指标(有效油耗率)进行对比分析。综合考虑各项指标最终确定不同工况下的最佳EGR率。

1 仿真模型的建立与校验 1.1 仿真模型的建立

本文进行性能仿真的对象是由DEUTZ公司研发生产的TBD620单缸柴油机。其主要参数如表1所示。

在AVL-FIRE软件的FIRE ESE Diesel子模块中，各个子模型的选取如表2所示。

通过输入TBD620柴油机相应的几何参数进行结构条件设置，建立其燃烧室的几何模型。根据燃烧室实际结构，在该模块中选取合适的燃烧室与喷嘴模板，调整参数及网格单元，直至能够模拟真实的燃烧室结构，生成计算网格。

在AVL-FIRE软件的CFD子模块中，根据柴油机所要运行的工况，结合来自于试验平台的经验，对柴油机燃烧室该工况下的初始条件、边界条件进行设定；结合不同燃烧进程的不同需求，合理设置步长；对燃烧、喷雾、排放等子模型的参数进行适当的调试，软件运行结束后，可以选择所需要的数据进行记录分析^[7]。

1.2 仿真模型的校核与验证

本文选取有代表性的工况25%、50%、75%和100%共4个负荷下的柴油机缸内压力曲线的试验数据与仿真数据进行对比分析，通过比较二者的吻合程度度来验证模型的质量，对比结果如图1所示。

从图1的对比情况可以看出，在各个工况下的缸内压力随曲轴转角的变化曲线的试验值与仿真值吻合程度很好，说明仿真模型的建立与边界条件的选取是准确的，可以用来进行仿真分析。

2 EGR对各工况燃烧室性能的影响 2.1 EGR率对滞燃期的影响

4种负荷工况下，EGR率对滞燃期产生的作用效果如图2所示。各工况下EGR率对燃烧过程滞燃期的影响的整体变化趋势是相似的，即在4种负荷工况下的滞燃期均伴随着EGR率的增高而有所延长，导致燃烧过程中的着火点后移。其中25%负荷下增长最为明显。

结合图2中4条曲线分析，可以发现在不同工况下，同一EGR率对应的滞燃期有所不同，总体呈现出在高负荷工况下仿真运算的滞燃期延续时间少于低负荷仿真运算的滞燃期的特性。原因在于EGR技术引入的回流废气稀释了气缸内燃油混合气中O₂的浓度，同时回流废气中包括的为数较多的水和二氧化碳等三原子分子明显地提升了缸内混合气的平均比热容，在燃烧放热量大致一定的情况下使混合气温度有所降低，造成着火点后移，增加了滞燃期的长度^[8]。相比于低负荷工况，高负荷工况的初始进气条件更为苛刻，高压高温的环境促使燃料物理化学准备时间缩短，燃烧提前，即缩短了滞燃期的时间。

2.2 EGR率对缸内压力的影响

4种工况下，EGR率对燃烧过程缸内平均压力变化的影响规律如图3所示，可以看出4种工况下，燃烧室内平均压力随着EGR率变化的趋势是一致的：随着EGR率的增高，燃烧室内的平均压力及爆发压力均有所减小。

结合图3可以看出，相同EGR率，高工况下平均压力以及爆发压力均整体高于低工况。其原因是使用EGR技术后，残余废气引入进气使得进气中O₂浓度减小，即过量空气系数减小，燃烧过程相对平缓，其剧烈程度有所降低。

由同一工况下不同EGR率的缸内平均压力对比曲线可以看出，引入不同EGR率对缸内平均压力的影响主要集中在上止点附近，而其他时刻曲线的重合度较高，即EGR率对其他时刻的缸内平均压力影响很小。

对比4组曲线，在上止点附近，25%负荷工况下的缸内平均压力相较于其他工况下的缸内平均压力呈现出一个陡增的过程，这是由于在低负荷下，作为初始条件的进气压力与进气温度均相对其他工况低很多，空燃比相对其他工况小很多，因此缸内混合气的湍流运动剧烈程度较低。以上各原因导致低负荷工况下的燃烧准备不够充分，着火点有所推迟。因此，气缸内开始达到着火点时，温度大幅上升，会呈现出激增过程。随着负荷的增加，缸内温度和压力的升高均有助于燃烧室内的油气混合，因此不会存在低负荷工况下的缸内平均压力明显陡增的阶段，燃烧过程也相对平稳。

2.3 EGR率对燃烧放热率的影响

不同工况下，EGR率的改变对燃烧放热率的影响情况如图4所示。由曲线走势可知，随着EGR率的提高，燃烧放热率逐渐减小，二者成负相关。结合图中4组曲线可以看出，随着EGR率的增高，燃烧放热率呈下落趋势且曲线逐渐平缓，整个燃烧进程的放热面积也会相继变小^[9]，这与EGR技术能够降低缸内平均温度的结论一致。另外，在25%工况的燃烧放热率峰值远大于其他负荷工况，对应于25%负荷时缸内平均圧力的激增，佐证了低负荷缸内温度压力陡增的现象。

2.4 EGR率对NO_x排放的影响

4种工况下，EGR率的改变对NO_x最终释放量的作用效果如图5所示。相比于每种工况下没有引入EGR技术(EGR率为0)的曲线，EGR技术能够起到明显的抑制NO_x形成的作用，并且EGR率与NO_x的最终质量分数呈负相关。依据图5可得，不同负荷下，EGR率的引入并不能改变NO_x在燃烧进程中的变化历程；在上止点后的某一时刻NO_x开始快速、大量形成；一段时间后，NO_x的生成速率逐渐减小直至为0，此时NO_x的释放量曲线也渐变平缓，说明此刻NO_x的生成与被还原达到动态平衡，即其含量达到最大值。其原因是在上止点附近，缸内燃烧温度相对较低，尽管O₂含量十分充足，但不满足有利于NO_x生成的热力学条件——“高温”，因此，燃烧处在预混合阶段生成NO_x的含量极少。当燃烧进程开展到扩散燃烧历程时，此时缸内的气体环境对NO_x的形成极为有利，既含有较为充足的O₂，又有由上一阶段累积下来的热量营造的高温环境，因此，在这一阶段会生成大量的NO_x。由图5可见，随着EGR率的增加，这种效果也会愈来愈明显。

结合图5的4幅图分析，对于同一EGR率，高负荷工况下NO_x的最终排放质量分数整体大于低负荷工况。这是由于高负荷工况下的燃烧室内具备高温、高压的进气条件，在燃烧过程的初始阶段，由于同时具备较高浓度的O₂，相对于低负荷工况，提前提供了有利于NO_x生成的环境条件^[10]。同一EGR率下，NO_x的生成在高负荷工况会早于低负荷工况，其最终质量分数积累量也会高于低负荷工况。

2.5 EGR率对碳烟排放的影响

4种负荷工况下，EGR率对碳烟含量变化的作用如图6所示。对比图5、6可以发现，与NO_x的生成过程变化趋势有所不同的是，碳烟在燃烧室中的生成过程呈现出先上升继而下降直至达到稳定的状态。其原因在于燃油参与燃烧的进程中，每一时刻均存在着排放产物碳烟的生成与氧化的可逆反应^[11-12]。燃烧伊始，由于缸内燃油比较充足，随着燃烧的进行，缸内温度快速升高，形成了有利于碳烟生成的“高温、富油”的环境条件，此时碳烟的生成速率远远高于其氧化速率，故而碳烟开始大量累积，其含量不断增多。随着燃烧过程的进行，混合气开始膨胀做功，致使缸内温度有所减小，未燃燃油量亦愈来愈少，此时碳烟的生成速率快速降低，直到小于其氧化速率，此后碳烟含量开始在曲线上呈下落趋势。

从图6中各组曲线还可以看出，在相同工况下，伴随着EGR率的增高，碳烟最终排放量整体展现出增大的趋势。这是由于在同一工况下，EGR率的增加，重新引入进气管中的废气含量随之增加，使燃烧过程中温度升高的幅度减小，而变相降温不利于碳烟的形成。但同时，低温条件下对燃烧过程中碳烟的氧化反应也是极为不利的，其影响程度高于前者，因此，EGR率的增加导致了碳烟最终排放量的增加。在低负荷工况下，碳烟质量分数随曲轴转角变化曲线相对于高负荷工况均呈现出陡然升高随后陡然下降的走势，同时达到峰值的时间也逐渐提前。这缘于低负荷工况下，燃烧室内的进气温度与进气压力均小于高负荷工况，初始进气条件的改变影响着整个燃烧进程，使得低负荷工况下，在着火点附近的某一时刻，碳烟开始大量生成，且其生成速率远大于氧化速率，其快速、大量累积，直至最大值后，随着燃烧过程的进行，燃油减少，气体对外做功使缸内温度降低，使碳烟的氧化速率逐渐高于生成速率，在曲线上呈现出碳烟含量快速下降的趋势。

2.6 不同工况下的最佳EGR率的预测

4种不同负荷下，随着EGR率的调整，NO_x最终排放质量分数、碳烟最终排放质量分数、功率、油耗率4个主要参数的变化规律的曲线如图7所示。

图7(a)中描述的是4种工况下，柴油机引入不同EGR率对NO_x最终排放质量分数的影响趋势。根据图中4条曲线走势可知，同一EGR率下，高负荷运行下的NO_x的最终释放量整体高于低负荷运行下的NO_x最终释放量。因此，在工程实际中，柴油机在高负荷下运行时应选用稍大些的EGR率来减少NO_x释放值。

图7(b)中表述了4种工况下，采用不同EGR率对柴油机碳烟最终释放质量分数的影响趋势。从4条曲线中可以看出，随着EGR率的增加，在100%负荷、75%负荷下碳烟最终排放量曲线有很明显的上升走势，而在50%工况及25%工况这2种工况下，增高EGR率，碳烟最终释放量曲线整体走势则比较平缓，这说明EGR技术的采用对中高负荷以上工况的碳烟最终排放量有很明显的负面影响，而对低负荷工况的碳烟最终排放量的影响较小。

图7(c)中描述的是4种工况下，柴油机采用不同EGR率时，对柴油机功率的影响走势。结合4条曲线来分析，可以看出每种工况下的功率随EGR率的变化趋势是一致的，二者均呈现出负相关的关系，但工况相异时，EGR率对功率的作用效果在幅度上也有差别，在100%负荷工况下可以明显地看到，EGR率越大，功率越小；而在25%负荷工作时，EGR率的调整对功率的影响几乎可忽略不计。这说明在采用EGR技术后，对较高负荷工况下的柴油机动力性能的削弱作用较为明显，而对低负荷工况影响较小。

图7(d)中表述的是4种工况下，柴油机引入不同EGR率时，对柴油机燃油消耗率影响的变化规律。结合4条曲线可见，4种工况下曲线走势类似，均为EGR率增大时，油耗随之增高。从4条曲线的变化趋势可知，在高负荷工况下曲线上升幅度比较大，此时燃油消耗率受EGR率的影响相对较大，即在高负荷条件工作时，EGR技术会给柴油机的经济性能带来较大的负面影响。

3 结论

通过对比分析在不同的负荷工况下不同EGR率对柴油机缸内燃烧性能及排放的影响情况，综合考虑柴油机的动力性能(功率)、经济性能(有效油耗率)和碳烟排放，得到了以下结论。

1) 在高负荷(100%负荷)工况下，以降低NO_x排放为主要目的，故应选取较大EGR率，本文选用最佳EGR率为0.4，此时NO_x排放量下降95.51%。

2) 在中负荷(75%、50%负荷)工况下，应兼顾柴油机碳烟排放等因素，故使用低于上述负荷工况的EGR率，本文中选用0.3作为此时的最佳EGR率。

3) 在低负荷(25%负荷)工况下，此时NO_x排放量相对以上工况少很多，故选取较低的EGR率使功率油耗所受负面影响较小，故选用0.2作为最佳EGR率。