廢氣再循環(huán)在汽油機(jī)上的潛力

【德】 R.Dingelstadt S.Ewert M.Werz P.Tremble

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廢氣再循環(huán)在汽油機(jī)上的潛力

【德】 R.Dingelstadt S.Ewert M.Werz P.Tremble

隨著實(shí)際車輛行駛排放法規(guī)的推出，對(duì)廢氣排放具有重要意義的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)范圍明顯擴(kuò)大。與此同時(shí)，在小型化發(fā)動(dòng)機(jī)上還涉及非化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行范圍。Mahle公司在現(xiàn)代量產(chǎn)廢氣渦輪增壓汽油機(jī)上，通過適當(dāng)使用高壓和低壓廢氣再循環(huán)，以過量空氣系數(shù)λ=1實(shí)現(xiàn)廣泛且燃油耗優(yōu)化的運(yùn)行。

汽油機(jī) 廢氣再循環(huán) 過量空氣系數(shù) 燃油耗 廢氣排放法規(guī)

1 超出廢氣排放限值的可能性

現(xiàn)代小型化渦輪增壓直噴汽油機(jī)的特點(diǎn)是配備帶三效催化轉(zhuǎn)化器的簡(jiǎn)單排氣后處理系統(tǒng)，并以過量空氣系數(shù)λ=1運(yùn)行。在目前生效的新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)中，汽油機(jī)以化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行能完全滿足廢氣排放法規(guī)要求。

在以全球統(tǒng)一的輕型載貨車行駛試驗(yàn)循環(huán)替代NEDC的進(jìn)程中[1]，必須同時(shí)滿足實(shí)際車輛行駛排放(RDE)法規(guī)的要求。在對(duì)汽油機(jī)最不利的情況下，RDE意味著要在寬廣的特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)滿足嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)?，F(xiàn)代汽油機(jī)具有2個(gè)臨界運(yùn)行范圍，即為保護(hù)零件而加濃的運(yùn)行范圍，以及為提高扭矩的掃氣燃燒過程運(yùn)行范圍。此時(shí)，三效催化轉(zhuǎn)化器無法完全凈化廢氣中的有害物，在寬廣的特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)，或許會(huì)產(chǎn)生超出限值的廢氣排放。

2 化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行方式

為在臨界運(yùn)行范圍內(nèi)以λ=1運(yùn)行，可以在設(shè)計(jì)廢氣渦輪增壓器時(shí)采用更耐高溫的材料，避免全負(fù)荷時(shí)加濃，但這存在成本問題。將排氣歧管集成在氣缸蓋上也能減輕熱負(fù)荷，但排氣門的熱負(fù)荷仍非常高。為此，Mahle公司提供了名為“Evotherm”或“Toptherm”(譯注： 高耐熱)的中空充鈉冷卻排氣門[2]。通常，還將高壓廢氣再循環(huán)(EGR)作為有效減少全負(fù)荷加濃的措施。

為了提高扭矩，在現(xiàn)代渦輪增壓小型化汽油機(jī)上應(yīng)用掃氣燃燒過程，并借助于優(yōu)化的配氣正時(shí)，用吸入的新鮮空氣進(jìn)行掃氣，增大渦輪前的熱焓,這會(huì)直接導(dǎo)致催化轉(zhuǎn)化器前的λ稀化,使以化學(xué)計(jì)量比工作的排氣后處理系統(tǒng)不能有效發(fā)揮功效,并抵消三效催化轉(zhuǎn)化器的短暫吸附能力。

在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷運(yùn)行范圍內(nèi)，可以采用電輔助曲軸旋轉(zhuǎn)或輔助增壓機(jī)組的方法實(shí)施λ=1的運(yùn)行，即使在取消超化學(xué)計(jì)量比掃氣的情況下，也能保持發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。

此外，原則上也能應(yīng)用總λ=1運(yùn)行，即燃燒室中用濃混合氣運(yùn)行，而在氣門重疊較大的情況下，催化轉(zhuǎn)化器中的混合氣處于化學(xué)計(jì)量比狀態(tài)，此時(shí)燃油耗明顯增大。因催化轉(zhuǎn)化器直接轉(zhuǎn)化易著火的空燃混合氣，因而要防止其出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，以避免熱損壞。該方法在燃油耗及催化轉(zhuǎn)化器的熱負(fù)荷方面存在缺陷，為此也提出一些替代方案，如采用外部EGR。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

選擇量產(chǎn)的1.0L 3缸增壓直噴汽油機(jī)作為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，并采用近發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR管路布置方案，不僅可用于試驗(yàn)臺(tái)架，而且能裝配在試驗(yàn)汽車上。無論是裝配式的高壓EGR，還是低壓EGR，都采用Mahle公司最佳的EGR冷卻器和EGR調(diào)節(jié)閥。

仔細(xì)設(shè)計(jì)高壓EGR管路引入口的位置。為了確保再循環(huán)廢氣能盡可能均勻地分布，借助一維和三維模擬，試驗(yàn)了多種方案，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。同時(shí)，采用幾何形狀和尺寸優(yōu)化的開口逆流引入方案，獲得最佳的再循環(huán)廢氣分布狀況，并將發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化到汽車上。下文介紹3種運(yùn)行工況點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果： (1)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1250r/min，平均有效壓力1.82MPa；(2)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1350r/min，平均有效壓力1.40MPa；(3)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min，全負(fù)荷工況。通過測(cè)量進(jìn)氣管中的CO2含量來決定所提供的EGR率。

4 低壓EGR用于運(yùn)行工況點(diǎn)1

圖1示出了低壓EGR用于運(yùn)行工況點(diǎn)1(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1250r/min、平均有效壓力1.82MPa)的測(cè)量值。其中，λ=1.11超越了目標(biāo)窗口，因此通過改變噴油量實(shí)現(xiàn)λ=1，但這會(huì)使該負(fù)荷工況點(diǎn)的燃油耗增加約2g/(kW·h)。此時(shí)，廢氣放氣閥完全關(guān)閉，只能通過加大氣門重疊角來保持平均有效壓力1.82MPa的負(fù)荷。如果同時(shí)應(yīng)用EGR和較大的氣門重疊角，會(huì)導(dǎo)致燃油耗明顯增加，無法達(dá)到目標(biāo)，因此，在該運(yùn)行工況點(diǎn)因廢氣放氣閥關(guān)閉而應(yīng)用EGR是不明智的。

圖1 低壓EGR用于運(yùn)行工況點(diǎn)1(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1250r/min,平均有效壓力1.82MPa,全負(fù)荷不變)

5 低壓EGR用于運(yùn)行工況點(diǎn)2

對(duì)運(yùn)行工況點(diǎn)2(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1350r/min、平均有效壓力1.40MPa)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后可知(圖2)，部分打開廢氣渦輪增壓器的放氣閥顯現(xiàn)出低壓EGR的潛力。最初使用λ=1運(yùn)行，使燃油耗增加9g/(kW·h)，而應(yīng)用低壓EGR使燃油耗只增加約3g/(kW·h)，原則上還能進(jìn)一步提高EGR率，并且不受穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)的限制。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，所選擇的EGR率是由相應(yīng)的EGR閥開啟橫截面來限定的，以便用于汽車。

圖2 低壓EGR用于運(yùn)行工況點(diǎn)2(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1350r/min,平均有效壓力1.40MPa)

圖3 低壓EGR用于運(yùn)行工況點(diǎn)3(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min,全負(fù)荷)

6 低壓EGR用于運(yùn)行工況點(diǎn)3

圖3為運(yùn)行工況點(diǎn)3(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min、

全負(fù)荷)的試驗(yàn)結(jié)果。在應(yīng)用掃氣燃燒過程的情況下，采用部分打開廢氣放氣閥的方法來達(dá)到平均有效壓力2.14MPa的目標(biāo)扭矩，此時(shí)以λ=1運(yùn)行的燃油耗增加26g/(kW·h)，而使用12%低壓EGR率僅增加7g/(kW·h)。

圖4示出了運(yùn)行工況點(diǎn)3在壓氣機(jī)特性曲線場(chǎng)中的測(cè)量點(diǎn)。隨著低壓EGR質(zhì)量流量的增大，通過增加壓氣機(jī)的總質(zhì)量流量，測(cè)量點(diǎn)首先平行于壓氣機(jī)界限移動(dòng)；在低壓EGR率為14%時(shí)，氣門重疊角增大到約20°CA，使最終測(cè)量運(yùn)行點(diǎn)向更大的壓氣機(jī)質(zhì)量流量移動(dòng)。

圖4 應(yīng)用低壓EGR的壓氣機(jī)特性曲線場(chǎng)(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min,全負(fù)荷)

如在運(yùn)行工況點(diǎn)3用減小氣門重疊角替代低壓EGR,會(huì)減小通過渦輪和壓氣機(jī)的質(zhì)量流量,進(jìn)而增大熱內(nèi)部EGR，使燃燒變差,同時(shí)也提高對(duì)增壓壓力的需求,因此，這種方法會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)特性曲線場(chǎng)中的運(yùn)行點(diǎn)移向壓氣機(jī)界限。隨著廢氣渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展，可期待未來壓氣機(jī)具有更寬廣的特性曲線場(chǎng)，從而使壓氣機(jī)界限移向更小的質(zhì)量流量，屆時(shí)可重新評(píng)價(jià)減小氣門重疊角的潛力。

7 用實(shí)際行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整

在分析發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)廢氣排放和燃油耗時(shí)，通常比較關(guān)注的是NEDC中具代表性的低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷范圍。將小型化汽油機(jī)與低速化相結(jié)合，使這些運(yùn)行工況點(diǎn)移向中等負(fù)荷范圍。無論是低轉(zhuǎn)速的高負(fù)荷范圍，還是高轉(zhuǎn)速的高負(fù)荷范圍，都屬于極端的行駛狀態(tài)(例如帶拖車在盤山公路上行駛)。

通過幾千公里的行駛試驗(yàn)，已查明這種汽油機(jī)搭載于配裝手動(dòng)變速器的C級(jí)轎車時(shí)的運(yùn)行工況點(diǎn)。在高度落差較小及限速的國(guó)家中，很少在應(yīng)用掃氣燃燒過程或全負(fù)荷加濃的特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)行駛。圖5示出了在德國(guó)不限速且路況良好的高速公路上的行駛情況。與正常補(bǔ)充充氣和順暢的行駛方式一樣，發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)中2種降低廢氣排放的臨界運(yùn)行范圍對(duì)于真實(shí)的用戶行駛性能是非常重要的。

圖5 用負(fù)荷、轉(zhuǎn)速和λ畫出的運(yùn)行點(diǎn)頻率(C級(jí)轎車汽油機(jī))

8 動(dòng)態(tài)EGR在汽車上的應(yīng)用

圖6為傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)標(biāo)定(基本型)與試驗(yàn)用汽油機(jī)搭載于C級(jí)轎車時(shí)應(yīng)用EGR標(biāo)定的比較。運(yùn)用試驗(yàn)臺(tái)標(biāo)定所獲得的知識(shí)，在汽車從6檔1250r/min全負(fù)荷加速情況下，能標(biāo)定到λ=1，其余偏差處于相應(yīng)配置的三效催化轉(zhuǎn)化器吸附能力范圍內(nèi)。

圖6 負(fù)荷突變時(shí)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定與應(yīng)用低壓EGR的比較(配裝汽油機(jī)的C級(jí)轎車)

9 結(jié)語

到2017年，汽油機(jī)必須滿足RDE法規(guī)的要求,在可能出現(xiàn)的最不利情況下,Mahle公司通過試驗(yàn)臺(tái)和真實(shí)汽車試驗(yàn)確認(rèn),EGR是在寬廣的特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)實(shí)行λ=1運(yùn)行的最有效方法。在發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)的掃氣運(yùn)行范圍內(nèi)，在標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定及增壓器廢氣放氣閥不完全關(guān)閉的情況下，低壓EGR始終具有重要意義。采用非化學(xué)計(jì)量比混合氣運(yùn)行的方法能補(bǔ)償燃油耗方面的多數(shù)缺陷。即使低壓EGR在充氣方面有所損失，但無論是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，還是動(dòng)態(tài)運(yùn)行，都能避免扭矩?fù)p失。

出于批量應(yīng)用考慮，從成本-效益觀點(diǎn)來看，應(yīng)用低壓EGR是很有意義的。與高壓EGR系統(tǒng)相比，低壓EGR系統(tǒng)的零部件承受的熱負(fù)荷明顯更低，再循環(huán)廢氣也更為清潔。在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷運(yùn)行工況下，為實(shí)現(xiàn)λ=1運(yùn)行，高壓EGR系統(tǒng)與其他可供選擇的技術(shù)方案之間存在競(jìng)爭(zhēng)，例如采用整體式水冷排氣歧管，并與相應(yīng)改進(jìn)的排氣門及優(yōu)化的廢氣渦輪增壓器相結(jié)合的方法。

此外，高壓EGR或低壓EGR都能借助消除節(jié)

流來降低部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的燃油耗。現(xiàn)代汽油機(jī)的定量調(diào)節(jié)需要EGR質(zhì)量流量的精確調(diào)節(jié)，采用合適的EGR閥技術(shù)也能在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)節(jié)。RDE法規(guī)將于2017年生效，為了在均質(zhì)運(yùn)行的廢氣渦輪增壓汽油機(jī)上成功地批量應(yīng)用EGR，將面臨降低燃油耗，以及在用戶實(shí)際使用中降低廢氣排放的艱巨任務(wù)。

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2015-01-19)