外部EGR對增壓直噴汽油機HCCI工況范圍的影響*

陳歆葉　林富鵬　劉寅童　鄧俊　李理光，2

（1.同濟大學，上?！?01804；2.同濟大學中德學院，上?！?01804）

外部EGR對增壓直噴汽油機HCCI工況范圍的影響*

陳歆葉1林富鵬1劉寅童1鄧俊1李理光1，2

（1.同濟大學，上海201804；2.同濟大學中德學院，上海201804）

以某增壓直噴汽油機為研究對象，對外部EGR率對該汽油機HCCI工況范圍的影響及其拓展能力進行研究，同時結合GT-Power軟件研究并預測EGR率對HCCI工況范圍的拓展程度。結果表明，隨著外部EGR率的增加，著火時刻推遲、峰值壓力降低、峰值相位推遲，燃燒持續(xù)期增加，因此可降低爆震傾向，對HCCI發(fā)動機高負荷工況有拓展作用。當EGR率增加至13.3%時，可使HCCI燃燒模式的上邊界拓展13.87%。

主題詞：增壓直噴汽油機HCCI外部EGR

1　前言

發(fā)動機均質(zhì)壓燃（HCCI）技術憑借其突出的節(jié)油性能和低排放性能成為近些年來國內(nèi)外內(nèi)燃機領域研究的熱點［1～3］。但是HCCI燃燒過程主要受控于化學反應動力學，其對混合氣的初始溫度、壓力和成分等邊界條件極為敏感。因此，將其與缸內(nèi)汽油直噴技術［4］相結合，不僅可以通過改變噴油時刻改變缸內(nèi)局部混合氣濃度和溫度，也能解決缸內(nèi)直噴在稀薄燃燒工況下的NOx排放問題；但是，HCCI發(fā)動機的運行范圍仍受限于爆震和失火，加入外部EGR氣體可有效拓展HCCI的高負荷工況。

謝輝等［5］通過將外部EGR引入到使用負閥重疊技術實現(xiàn)的HCCI燃燒中，發(fā)現(xiàn)外部EGR可有效抑制發(fā)動機高負荷的爆震現(xiàn)象；徐帆等［6］在一臺4沖程缸內(nèi)直噴汽油機上利用內(nèi)外EGR結合的方式來研究其對HCCI高負荷拓展的作用，并通過調(diào)整內(nèi)外EGR比例對HCCI燃燒進行了優(yōu)化。

Alasdair Cairns等［7］發(fā)現(xiàn)經(jīng)過冷卻的EGR作為一種抑制劑比過量空氣更能有效限制發(fā)動機的爆震，同時拓展發(fā)動機的工況范圍。但上述研究鮮有涉及目前新一代發(fā)動機的代表機型，即有關增壓直噴汽油機采用外部EGR對HCCI工況范圍影響及其拓展能力的研究較少。本文基于此，開展相關探索和研究。

2　試驗裝置和試驗步驟

2.1試驗裝置

試驗用發(fā)動機是一臺經(jīng)過改造后的缸內(nèi)直噴汽油機，改造后的試驗用發(fā)動機參數(shù)如表1所列。

表1　試驗用發(fā)動機主要技術參數(shù)

為了實現(xiàn)可靠壓燃，將第4缸壓縮比由原來的9.6改造為11.5；同時，為了能夠靈活控制和調(diào)節(jié)發(fā)動機，將原發(fā)動機的配氣系統(tǒng)全部更換為進、排氣正時和升程連續(xù)可變的全可變配氣機構（Dual UniValve），并重新設計和加裝了外部EGR系統(tǒng)。UniValve系統(tǒng)是由德國KSPG公司開發(fā)的一套全可變配氣機構，可整體集成在發(fā)動機缸蓋之中，實現(xiàn)配氣正時和氣門升程連續(xù)調(diào)節(jié)，從而得到靈活多變的配氣策略［8］。

2.2試驗步驟

試驗中，保持發(fā)動機轉速為1 500 r/min，節(jié)氣門開度90%，首次和二次噴油脈寬分別為0.4 ms和0.72 ms，在負閥重疊期進行首次噴油，在進氣沖程進行二次噴油，試驗中發(fā)動機控制參數(shù)設置見表2，其中IVS與EVS分別為進、排氣門最大升程相位。

表2　試驗參數(shù)表

使用“二氧化碳體積濃度型”［9］方法來計算EGR率：

式中，［CO2］int為進氣管中CO2的體積濃度；［CO2］bkg為大氣中CO2的體積濃度；［CO2］exh為排氣管中CO2的體積濃度。

試驗用EGR率如表3所列。

表3　不同CO2的體積百分數(shù)和EGR率

3　試驗結果

在廢氣循環(huán)過程中加裝中冷器，降低引入的廢氣溫度，使其對進氣混合氣的加熱效果減弱，僅保留廢氣中惰性氣體成分以達到抑制燃燒效果；通過改變EGR閥門的開度來改變引入的外部EGR氣體量，研究在不同外部EGR率下對HCCI燃燒的平均指示有效壓力（IMEP）、累計放熱率為10%時的曲軸轉角、峰值壓力、峰值相位等燃燒參數(shù)的影響規(guī)律。

圖1為4種不同外部EGR率下的直噴汽油機HCCI燃燒缸壓曲線。可以發(fā)現(xiàn)，隨著外部EGR率從0增加到13.33%，峰值壓力由4.2 MPa下降到3.3 MPa，降幅為21.42%；同時峰值相位從9.5°ATDC推遲到15°ATDC，幅度為57.9%。由此可見，引入EGR氣體可顯著降低峰值壓力，推遲峰值相位。圖2為不同EGR率下的發(fā)動機累積放熱率變化曲線以及燃燒持續(xù)期，定義發(fā)動機的著火時刻為累積放熱率為10%的曲軸轉角，燃燒持續(xù)期為累積放熱率從10%到90%的曲軸轉角［5］。

圖1　不同外部EGR率下的試驗缸壓曲線

圖2　EGR率與放熱率及燃燒持續(xù)期的關系

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著外部EGR率的增加，燃燒的著火時刻推遲，從1.73°ATDC增加到7.54°ATDC；同時，燃燒重心從6.62°ATDC推遲到13.72°ATDC；燃燒持續(xù)期從4.64°ATDC增加到8.72°ATDC。由于廢氣中包含的組分主要是N2、CO2等惰性氣體，在相同的進氣量和噴油量下，混合氣中氧氣的含量相對減少，自燃反應速度降低，燃燒放熱率減緩［10］，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟紵掷m(xù)期變長；此外，加入經(jīng)過冷卻的外部廢氣也增加了缸內(nèi)混合氣的比熱容，使得缸內(nèi)整體溫度變低。而溫度是分子活動頻繁度的表征，溫度的下降說明各組分分子之間的碰撞頻率降低，這就導致整體反應速度下降，著火時刻推后。

圖3為不同EGR率下循環(huán)波動率的變化曲線?？梢钥闯?，隨著外部EGR率的增加，循環(huán)波動率從最初的3%增加到5%，這是由于加入的外部EGR氣體使燃燒變得不穩(wěn)定。

圖3　外部EGR率對循環(huán)波動率的影響

圖4為不同EGR率所對應的IMEP值?？梢钥闯觯S著EGR率的增加，IMEP值呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。這是因為，隨著外部EGR的增加，著火點推后，靠近上止點，等容度增加，IMEP增大。從缸壓曲線上來看，IMEP也由于膨脹做功的增加而提高，如圖5所示；而隨著外部EGR率的進一步增大，著火點過于推遲，有效功減小。

圖4　IMEP隨外部EGR率的變化曲線

4　基于GT-Power的單缸機模型搭建及預測

為了進一步研究外部EGR對HCCI發(fā)動機工況范圍的拓展影響，使用GT-Power搭建HCCI單缸機燃燒仿真模型，預測不同外部EGR率下HCCI發(fā)動機的爆震上限。仿真模型如圖6所示。

圖5　膨脹功增加的P-V示意圖

HCCI燃燒模型是單區(qū)預測模型，其燃燒速率完全取決于外部調(diào)用或者用戶自行輸入的化學動力學文件及熱力學文件。用戶可自定義整個燃燒過程開始和結束時的曲軸轉角，一般取進氣門剛關閉至排氣門快打開之前。

為了驗證GT-Power模型預測HCCI發(fā)動機工況拓展的準確性，將在不引入外部EGR氣體下的模擬缸壓曲線與實際試驗所得到的缸壓曲線進行對比，如圖7所示?？梢钥闯觯囼灪头抡娓讐呵€大致吻合。其中，試驗峰值壓力為3.80 MPa，仿真峰值壓力為3.79 MPa，誤差僅為3%，試驗峰值相位為13.6°ATDC，仿真峰值相位為12.5°ATDC，誤差為8.8%。由于GT-Power中采用HCCI燃燒模型，該模型計算未考慮到火焰?zhèn)鞑ミ^程，因此著火后壓力迅速達到最大值。但是作為預測外部EGR率對燃燒特性的影響，該模型能夠滿足研究要求。

在預測過程中，控制外部EGR率不變，靈活控制兩次噴油量的增加直到發(fā)動機出現(xiàn)爆震現(xiàn)象；增加外部EGR率至發(fā)動機出現(xiàn)失火現(xiàn)象，繼續(xù)增加噴油量直到發(fā)動機出現(xiàn)爆震；再增加外部EGR率重新使發(fā)動機到失火，周而復始。最后得到不同外部EGR率下的最高IMEP值，拓展邊界如圖8所示。

圖8　GT-Power對HCCI燃燒工況范圍的拓展預測

在無外部EGR時，發(fā)動機的IMEP最高值為0.375 MPa；此時增加外部EGR率到6.25%，使HCCI發(fā)動機的最高IMEP達到0.421 MPa；增加外部EGR率至10%，使發(fā)動機的最高IMEP值達到0.424 MPa；進一步增加外部EGR率至13.33%，此時的發(fā)動機最高IMEP值達到0.427 MPa。在此期間，發(fā)動機保持著較高的燃燒熱效率。圖10中各工況點所對應的IMEP值及燃燒熱效率見表4。

表4　仿真模型不同EGR率下的最高IMEP和指示熱效率

由于EGR中的H2O、N2和CO2等大熱容氣體使整體混合氣的比熱容升高，因此混合氣在壓縮終了之后的溫度較低；EGR本身也會使原缸內(nèi)混合氣的溫度、組分和濃度發(fā)生變化［11］，從分子層面影響整個燃燒過程；因此，外部EGR氣體能減緩反應速率，抑制爆震，同時結合不同噴油量能有效拓展HCCI發(fā)動機高負荷工況范圍。

此外，HCCI燃燒的指示熱效率較高，達到了40%。指示熱效率的提高不僅降低油耗，也可獲得較低的碳排放，有助于滿足日益嚴峻的排放法規(guī)。

5　結束語

a.隨著外部EGR率從0增加到13.33%，燃燒著火點從1.73°ATDC增加到7.54°ATDC；燃燒重心也從6.62°ATDC推遲到13.72°ATDC；峰值壓力從4.2 MPa下降到3.3 MPa，降幅為21.42%；峰值相位從9.5°ATDC推遲到15°ATDC，幅度為57.9%。

b.增加外部EGR率可拓展HCCI發(fā)動機高負荷工況范圍。無外部EGR率時，發(fā)動機可達到的最高IMEP為0.375 MPa；在外部EGR率為6.25%時，HCCI發(fā)動機的最高IMEP為0.421 MPa；增加外部EGR率至10%時，發(fā)動機的最高IMEP值達到0.424 MPa；進一步增加外部EGR率至13.33%，發(fā)動機最高IMEP值達到0.427 MPa。與無EGR時相比較，HCCI燃燒模式的IMEP上邊界拓展了13.87%，同時HCCI發(fā)動機的熱效率較高，可達40%。

1Zheng Z，Yao M.Numerical study on the chemical reaction kinetics of n-heptane for HCCI combustion process.Fuel，2006，85（17）：2605～2615.

2Stanglmaier R H，Roberts C E.Homogeneous charge compression ignition（HCCI）：benefits，compromises，and future engine applications.SAE Technical Paper，1999.

3Andrae J C G，Brinck T，Kalghatgi G T.HCCI experiments with toluene reference fuels modeled by a semidetailed chemical kinetic model.Combustion and Flame，2008，155 （4）：696～712.

4Yang D，Xu F，Wang Z，et al.Limitation of Charge Stratification for High Load Extension of HCCI Combustion in a GDI Engine with NVO.SAE World Congress&Exhibition，2009.

5謝輝，陳韜，張巖，等.外部EGR對HCCI汽油機拓展運行范圍的影響.燃燒科學與技術，2008（6）：491～495.

6徐帆，王志，陽冬波，等.內(nèi)外EGR拓展汽油HCCI發(fā)動機高負荷的試驗研究.內(nèi)燃機工程，2010，31：6～10.

7Cairns A，Blaxill H，Irlam G.Exhaust gas recirculation for improved part and full load fuel economy in a turbocharged gasoline engine.SAE Technical Paper，2006.

8Liu Y，Schmitt S，Grimm K，et al.Development and Application of Dual UniValve System Based on a GDI Engine with SI/HCCI Dual Combustion Modes.Springer Singapore，2016：183～193.

9Shi L，Cui Y，Deng K，et al.Study of low emission homogeneous charge compression ignition（HCCI）engine using combined internal and external exhaust gas recirculation （EGR）.Energy，2006，31（14）：2665～2676.

10鄭朝蕾，張博，劉春.EGR對汽油機HCCI燃燒過程的影響機理.燃燒科學與技術，2013（2）：169～174.

11張志永，董光宇，鄧俊，等.內(nèi)部EGR對HCCI燃燒及自由離子生成影響的數(shù)值研究.汽車工程，2009（10）：905～910.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年7月25日。

Effects of External EGR on HCCI Operating Range of Turbocharged Direct Injection Gasoline Engine

Chen Xinye1，Lin Fupeng1，Liu Yintong1，Deng Jun1，Li Liguang1，2
（1.Tongji University，Shanghai 201804；2.CDHK，Tongji University，Shanghai 201804）

Based on a turbocharged direct-injection gasoline engine，the influence of external EGR rate on HCCI operating range and extension ability was studied.Furthermore，combined with GT-Power，the influences of EGR rates on the HCCI operating range extension ability were investigated and predicated.The results show that：with the increase of external EGR rate，ignition timing is delayed，the peak combustion pressure is reduced and the moment reaching the maximum combustion pressure is postponed，burning duration is also prolonged，which can decrease the tendency of detonation and expand the operating range of HCCI.When EGR rate is increased to 13.3%，the upper boundary of HCCI combustion mode is extended by 13.87%.

Turbocharged direct-injection gasoline engine,HCCI,External EGR

U464.11+4

A

1000-3703（2016）09-0027-04

國家自然科學基金項目（51376139）；高等學校博士學科點專項科研基金（20120072110015）；同濟大學KSPG-Tongji Fahrzeug-Motorentechnik教席基金。