对柴油机而言，随着排放法规的日益严格，对于其以NO_x为代表的排放物的限制要求也越来越高。EGR技术作为能够有效降低NO_x以及缸内热负荷的有效措施受到国内外研究人员的广泛关注。研究表明，几乎所有的工况下，EGR技术都能够有效地降低NO_x排放^[1]。对于柴油机排放中的NO_x和碳烟的矛盾关系，在小负荷时，较高的EGR率会使两者的排放都降低，同时使燃油消耗率和一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)的排放增加；但是，可以通过增大喷油提前角使其效率提高并降低CO、HC排放；当负荷达到50%或者更高时，由于喷油提前角不能得到有效地提前，利用大的EGR率来实现碳烟的低排放是不可能的^[2]。柴油机缸内燃烧以及排放过程的质量与柴油机燃烧室内的进气空气状态是紧密相关的，采用EGR策略可以明显减小NO_x的释放值，但同时也伴随着弱化其动力及经济性指标、提高碳烟释放值的负面影响^[3-6]。因此，EGR与其他先进技术相结合已成为改善发动机整体性能的总发展趋势。本文基于AVL-FIRE软件搭建TBD620柴油机仿真模型，对原机在不同的负荷工况(25%、50%、75%和100%)下分别应用不同的EGR率来对比在各个负荷下EGR率对其排放性能指标(NO_x和碳烟)的影响，并且以影响最为明显的最有代表性的100%负荷下、EGR率为0.4时的工况为例予以研究，原仿真模型中初始进气温度及压力分别为371.435 K和0.507 MPa，故以这2组数据作为基准，分别进行上下调整，进行仿真计算与分析对比。

1 仿真模型的建立与校核 1.1 仿真模型的建立

本文以TBD620单缸机作为仿真分析的对象，基于基于AVL-FIRE软件搭建其仿真模型, 其基本技术参数如表 1所示。

在AVL-FIRE软件的FIRE ESE Diesel子模块中，建立TBD620单缸机仿真模型。对其燃烧过程的分析的各个子模型的选取分别为：湍流流动模型选取k-ζ-ε模型，燃烧模型选取ECFM-3Z模型，排放模型中的NO_x排放模型选取Extended Zeldovich模型，碳烟排放模型选取Kinetic Model模型。

在FIRE ESE Diesel子模块中输入TBD620柴油机的相应结构参数、边界条件的初始值，建立其燃烧室的仿真分析模型，并在CFD子模块中完成求解器的设置。

1.2 仿真模型的校核与验证

本文在4个有代表性的工况25%、50%、75%和100%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来验证模型的质量。对比结果如图 1所示。

通过图 1的缸内压力试验值与仿真值对比可以看出，仿真值的误差在允许范围内，说明仿真模型的建立与边界条件的设置是正确的，可以用来进行下一步的模拟分析。

2 原机进气状态下EGR对发动机性能的影响

在试验机的各个负荷下对比不同EGR率对发动机的NO_x以及碳烟排放的影响情况，找出二者的变化关系，分析大体趋势，找出最有代表性的工况进行下一步改变进气条件的分析。

2.1 EGR对主要排放参数的影响

在原EGR试验机进气状态下，即初始进气温度及压力分别为371.435 K和0.507 MPa的条件下，对原机的不同负荷工况(25%、50%、75%和100%负荷)下的不同EGR率对其排放性能参数的影响如图 2所示。

从图 2(a)中可以看出，在不同负荷工况下，原机的NO_x最终排放质量分数变化趋势一致，均为随EGR率的增大而减小。对比4种负荷的曲线，可知在100%负荷下EGR率由0.1增加到0.5时，NO_x的最终排放质量分数由0.375%下降到0.002%，降幅达到93%，而在其他负荷下降低幅度相对很小。NO_x下降的原因是随着EGR率的增大，通过EGR回流管道的废气量增大，使得下一循环的新鲜充量被稀释，从而使进入气缸内的气体中氧浓度降低。并且回流废气中的水蒸气、CO₂等三原子分子具有较大的比热容，使得该循环过程中燃料燃烧放出的热量有相当一部分被吸收，从而使总的燃烧放热量减少，从而使缸内的燃烧温度降低。这样，由于NO_x生成机理中的“高温”、“富氧”两个主控因素均被破坏，NO_x生成量随之降低。

从图 2(b)中可以看出，在不同负荷工况下，原机的碳烟最终排放质量分数变化趋势一致，均为随EGR率的增大而增大。对比4种负荷的曲线，可知在100%时碳烟排放量变化较其他负荷明显，当EGR率由0.1升高到0.5时，碳烟的最终排放质量分数由0.001 375%升高到0.002 5%，升幅达到45%。碳烟排放量上升的原因是气缸内碳烟的形成与氧化的化学平衡被打破，随着EGR率的增大，回流废气的增加使得瞬时空燃比降低，即局部燃料过浓，平衡向碳烟生成的方向移动，不利于碳烟的进一步氧化，使得碳烟的最终排放量增大。

3 改变进气条件对EGR柴油机性能的改善

关于通过改变进气条件(进气温度与进气压力)以改善EGR柴油机的性能，行之有效的方法就是将EGR技术与涡轮增压与中间冷却技术相结合。根据上一节所得到的结论，单独利用EGR技术在各个负荷下对NO_x与碳烟排放变化趋势相同，且在高负荷时的变化幅度较低负荷时更为明显。故本节以上一节原EGR试验机最有代表性的EGR率为0.4时100%负荷工况下，作为分析对象，分别改变进气压力与进气温度，针对排放指标并兼顾动力性与经济性指标予以研究。

3.1 进气温度对性能指标的影响

原EGR试验机的进气温度为371.435 K，本小节将以5 K为间隔，仍以该EGR试验机为研究对象，在EGR率为0.4的100%负荷工况下，设定5种温度为361.435、366.435、371.435、376.435、381.435 K作为初始进气温度分别进行仿真运算，并对各个进气温度下燃烧、排放指标进行对比分析。

3.1.1 进气温度对滞燃期的影响

在原EGR试验机采用EGR率为0.4的100%负荷工况下，不同进气温度对滞燃期的作用效果如图 3所示。可知随着气缸内进气温度的升高，缸内燃烧滞燃期逐渐缩短。其原因是进气温度的提高使缸内混合气分子的热运动速率增大，使燃烧反应前的物理、化学准备时间所需减少。滞燃期减小带来的影响是在喷油压力不变的情况下，在此期间喷入燃烧室内的燃油量降低，能够与新鲜空气形成的燃油混合气也相对减少，造成急燃期阶段的燃烧不够剧烈，使燃料的燃烧热效率降低、油耗升高，使发动机做功能力下降，即输出功率有所损失。故需控制进气温度不致过高。

3.1.2 进气温度对燃烧放热率的影响

在原EGR试验机采用EGR率为0.4的100%负荷工况下，不同进气温度对缸内燃烧放热率的影响如图 4所示(不同进气温度时燃烧放热率峰值附近的变化规律如图 4(a)所示，因为对远离峰值的曲线影响可忽略不计如图 4(b)所示)。可知随着燃烧室内进气温度的增加，缸内燃烧放热率曲线整体下降并有小幅度的前移，燃烧放热率峰值也有所降低。原因在于进气温度能够改变缸内混合气密度，较高的进气温度下气体密度减小，能够进到气缸内的气体质量相对较小，燃烧过程放热量也相应较小。进气温度升高，主燃期会延长，所以并不利于实现缸内的快速燃烧。因此，从经济性方面考虑，对燃烧过程应考虑适当降低进气温度。但对于增压比很大的高强化柴油机而言，如何减小进气温度的其中一个重要原则则为需考虑到中冷器的冷却能力。

3.1.3 进气温度对NO_x排放的影响

在原EGR试验机采用EGR率为0.4的100%负荷工况下，改变进气温度对NO_x最终释放值的影响如图 5所示。从图 5中可见：随着进气温度的增高，NO_x最终释放值将有所增大。其主要原因是进气温度的提高能够较大程度地改变燃烧室的平均温度，较高的进气温度能够有效提高整个燃烧进程的温度水平，为NO_x的形成创造了极有利的高温环境，虽然进气温度的提高一定程度上也使进入缸内的空气量减少，但影响程度要远小于温度因素。故为减少NO_x排放应适当降低进气温度。

3.1.4 进气温度对碳烟排放的影响

在原EGR试验机采用EGR率为0.4的100%负荷工况下，改变进气温度对碳烟最终释放值的作用效果如图 6所示。从图中可见：提高进气温度，碳烟释放量最大值以及最终量均有变大。这缘于进气温度的升高，提高了缸内的整体温度水平，并使空燃比下降，营造了有利于碳烟生成的“高温、富油”的环境条件^[7]，因此，适当降低进气温度有助于降低碳烟释放量。

3.2 进气压力对性能指标的影响

原EGR试验机初始进气压力为0.507 MPa，本小节仍以该机为研究对象，在其EGR率为0.4的100%负荷工况下，以0.03 MPa作为间隔，分别设置0.447、0.477、0.507、0.537、0.567 MPa共5种压力值作为初始进气压力分别进行仿真运算，并对各个进气压力下的缸内燃烧、排放性能进行对比分析。

3.2.1 进气压力对滞燃期的影响

在原EGR试验机采用EGR率为0.4的100%负荷工况下，不同进气压力对燃烧滞燃期作用效果如图 7所示。可知随着进气压力提高，滞燃期逐渐缩小，且在较小的进气压力下对滞燃期有着相对更大的作用效果。其原因是进气压力的提高增大了空燃比，使燃油分子与空气接触的机会增加，有助于油气混合，使燃烧的先期准备时间缩短，有利于燃烧反应的提前进行^[8-9]，在小负荷工况则较为明显，因此提升进气压力可以使滞燃期缩短。但是参照3.1.1节，由于滞燃期过短也会引起一系列负面影响，故增压压力提升幅度不能过大。

3.2.2 进气压力对燃烧放热率的影响

在原EGR试验机采用EGR率为0.4的100%负荷工况下，不同进气压力对气缸内燃烧放热率的影响如图 8所示。由图 8(a)中曲线走势可知，随着进气压力的增大，燃烧放热率的曲线整体呈下降趋势，峰值附近的变化比较明显。这是由于随着进气压力增大，缩短了燃烧滞燃期，因此能够进行预混合燃烧的燃油混合气十分有限，导致第1个峰值很小且停留时间很短暂。根据图 8(b)可看出，随着进气压力的升高，燃烧放热率的第2个峰值将增大，原因是进气压力越大，扩散燃烧阶段进行的越完全，使第2个峰值会随着进气压力增大而增大，燃烧热效率以及燃油利用率均将呈现不同幅度的上升。即进气压力的提升会使EGR发动机的动力性与经济性得到不同幅度的提升。

3.2.3 进气压力对NO_x排放的影响

在原EGR试验机采用EGR率为0.4的100%负荷工况下，不同进气压力下对NO_x最终释放值的作用效果如图 9所示。可知随着进气压力的提高，NO_x最终排放量也会相应地提高。其原因是由于NO_x的主要生成条件为“高温、富氧”^[10-12]，而在柴油机采用EGR技术后，由于回流废气的引入使得下一循环进入缸内的新鲜空气量有所下降，因此进入缸内的O₂量也会下降，限制了NO_x的生成及最终排放。但随着缸内进气压力的提高，缸内O₂浓度也会增大，而后续的燃烧过程又大幅提升了缸内的温度，在缸内营造了有利于NO_x生成的高温富氧环境，因此，当EGR率保持一定时，进气压力上升，将导致NO_x最终释放值上升。

3.2.4 进气压力对碳烟排放的影响

在原EGR试验机采用EGR率为0.4的100%负荷工况下，改变进气压力对碳烟最终释放值的影响作用效应如图 10所示。可知随着进气压力的提高，碳烟最终排放量以及碳烟生成量峰值均有所下降。其原因是由于进气压力的提高使进气量增大，空燃比也增大，同时缸内温度也有所降低，破坏了碳烟形成的两个条件。并且由图中还可以看出，在不同进气压力下其碳烟排放量变化规律均为先增大后减小，在上止点后20°左右其释放值达到极值，随着燃烧的进行，导致后期碳烟的氧化反应加剧，碳烟的释放值呈现下降趋势，且在进气压力为0.447 MPa时，碳烟的生成反应及氧化反应都相对剧烈，走势较陡。

4 结论

本文基于AVL-FIRE软件对TBD620单缸机进行了建模仿真分析，对比了EGR试验机型在不同负荷下性能指标随EGR率变化情况。并在此基础上改变进气温度、进气压力的条件下分析了在100%负荷、EGR率为0.4时候的各项指标变化情况，得到以下结论：

1) 在同一EGR率下，提高进气温度可以使缸内整体温度提高，使燃烧过程放热量减少并提前放热，进而使NO_x的最终排放量增加，并且会导致燃烧滞燃期减小，削弱了发动机的动力性与经济性并且导致碳烟最终释放值量有所提高。因此，考虑到柴油机的动力、经济及排放指标等因素，应采用进气中冷技术对进气温度予以适当降低以避免进气温度过高带来的负面影响。

2) 在同一EGR率下，提高进气压力会使缸内最高温度降低，使缸内进气充量中O₂浓度得到提高，并缩短了滞燃期。因此，适当提高缸内进气压力也成为能够平衡EGR率增高而导致的滞燃期变大的有效途径之一，并且能够使燃烧过程总放热量增多，同时使放热率峰值出现时间后移。由于O₂浓度的增加使NO_x的最终释放值变大，而碳烟的最大生成量与最终排放量均会降低，佐证了NO_x与碳烟的生成、排放机理是相互矛盾的。因此，应采取增压技术适当提高进气压力。说明EGR技术结合增压中冷技术是改善发动机性能指标的重要技术手段。