直噴汽油機(jī)EGR與稀薄燃燒的協(xié)同作用*

朱棣，侯圣智，劉斌，尹君

(1.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，天津300072;2.重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶401120)

直噴汽油機(jī)EGR與稀薄燃燒的協(xié)同作用*

朱棣1，侯圣智1，劉斌2，尹君1

(1.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，天津300072;2.重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶401120)

鑒于廢氣再循環(huán)和稀薄燃燒對(duì)降低排放、改善燃油經(jīng)濟(jì)性所具有的優(yōu)勢(shì)，提出了將兩者相結(jié)合協(xié)同控制的技術(shù)路線。在一臺(tái)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上，研究了部分負(fù)荷下廢氣再循環(huán)單獨(dú)作用和與稀薄燃燒協(xié)同作用時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性的影響。結(jié)果表明:在轉(zhuǎn)速為2 000r/min、平均有效壓力為300kPa下，廢氣再循環(huán)與稀薄燃燒協(xié)同作用可帶來(lái)8%以上的油耗改善和較低水平的NOx，HC和CO排放，驗(yàn)證了廢氣再循環(huán)與稀薄燃燒協(xié)同控制的有效性。

汽油直接噴射;廢氣再循環(huán);稀薄燃燒;燃燒特性;燃油消耗

前言

汽油直噴(gasoline direct injection，GDI)技術(shù)將汽油機(jī)和柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，在提高充氣效率、增強(qiáng)抗爆性、減小泵氣損失和提高燃油經(jīng)濟(jì)性等方面存在較大的優(yōu)化潛力，是當(dāng)前汽油機(jī)發(fā)展的主要研究方向之一［1－2］。

在汽油機(jī)上，稀薄燃燒和廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)是最常用的降低燃油消耗率和機(jī)內(nèi)凈化的有效措施［3－4］。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)采用稀薄混合氣燃燒，通過(guò)提高工質(zhì)的絕熱指數(shù)和壓縮比獲得更高的循環(huán)熱效率;在部分負(fù)荷采用質(zhì)調(diào)節(jié)，通過(guò)減小泵氣損失改善燃油經(jīng)濟(jì)性。稀薄燃燒使氣缸內(nèi)燃燒反應(yīng)區(qū)域的溫度下降，可抑制NOx的生成，同時(shí)，燃燒產(chǎn)物中的氧成分有利于HC和CO的氧化，降低HC和CO的排放。然而，稀薄燃燒為富氧燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中強(qiáng)烈的氧化條件使傳統(tǒng)三元催化器對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率下降，引起NOx排放的提高，這成為稀薄燃燒技術(shù)應(yīng)用所面臨的最大難題之一［5－7］。廢氣再循環(huán)技術(shù)是將部分廢氣引入氣缸內(nèi)再次燃燒，由于廢氣中CO2，N2和H2O等較高的比熱容，以及CO2和N2等惰性氣體的阻燃作用，都會(huì)抑制燃燒化學(xué)反應(yīng)速率，減少NOx的生成。同時(shí)，EGR能夠減少部分負(fù)荷的泵氣損失，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率［8－10］。文獻(xiàn)［11］中指出，在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況下應(yīng)用EGR技術(shù)，HC，CO和NOx排放最多可降低80%。對(duì)比稀薄燃燒和廢氣再循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，廢氣再循環(huán)對(duì)于大幅減少NOx排放具有優(yōu)勢(shì)，而在降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗方面稀薄燃燒的效果更為顯著。因此，利用稀薄燃燒與廢氣再循環(huán)的“優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”，將二者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，在保證低NOx排放的條件下，能夠最大限度地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

本文中在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上研究了廢氣再循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程、排放特性和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了稀薄燃燒與廢氣再循環(huán)共同作用時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，探討稀薄燃燒與廢氣再循環(huán)“協(xié)同作用”的技術(shù)途徑。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)排量為2.0L的直列4缸自然吸氣直噴汽油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)及測(cè)試系統(tǒng)示意圖，發(fā)動(dòng)機(jī)的電控單元(可標(biāo)定ECU)和標(biāo)定系統(tǒng)均為自主研發(fā)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油參數(shù)(噴油時(shí)刻、噴油脈寬)、點(diǎn)火參數(shù)(點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量)、EGR率等發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的精確控制。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程是通過(guò)自主研發(fā)的燃燒分析系統(tǒng)配合火花塞式缸壓傳感器和角標(biāo)儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的檢測(cè)由Lambda LA4型空燃比計(jì)和寬域線性氧傳感器LSU4.9完成。發(fā)動(dòng)機(jī)的HC，NOx，CO和CO2等常規(guī)排放則由DIGAS 4000型氣體排放分析儀進(jìn)行測(cè)試。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

發(fā)動(dòng)機(jī)采用外部EGR的廢氣稀釋方案，廢氣從排氣歧管引出，經(jīng)冷卻液冷卻后送往進(jìn)氣歧管，與新鮮空氣混合后進(jìn)入缸內(nèi)。管路中的EGR閥由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)EGR閥的開度可控制EGR量。試驗(yàn)中，EGR率根據(jù)測(cè)得的進(jìn)氣、排氣和大氣環(huán)境中CO2的體積分?jǐn)?shù)值計(jì)算得到［10］。

式中:V(CO2)in為進(jìn)氣中CO2體積分?jǐn)?shù);V(CO2)exh為排氣中CO2體積分?jǐn)?shù);V(CO2)amb為環(huán)境空氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)。由于V(CO2)amb近似為零，因此可忽略不計(jì)。

選用氣缸壓力峰值的循環(huán)變動(dòng)率RCOV作為燃燒循環(huán)變動(dòng)的評(píng)價(jià)參數(shù)，RCOV的表達(dá)式為

式中:pmax，STD為氣缸壓力峰值的標(biāo)準(zhǔn)偏差;pmax為100個(gè)連續(xù)循環(huán)氣缸壓力峰值的平均值。

作為燃燒相位的關(guān)鍵評(píng)價(jià)參數(shù)，著火時(shí)刻一般定義為燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，用CA10表示;燃燒持續(xù)期定義為CA10到CA90所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，用CA10～CA90表示;燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，表示為CA50。

試驗(yàn)選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000r/min，平均有效壓力(brake mean effective pressure，BMEP)為300kPa的部分負(fù)荷工況。為了便于分析和比較，發(fā)動(dòng)機(jī)相同負(fù)荷工況點(diǎn)的噴油策略保持一致。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000r/min、平均有效壓力為300kPa、點(diǎn)火提前角為22°CA BTDC和過(guò)量空氣系數(shù)Φ為1.0時(shí)，氣缸壓力、瞬時(shí)放熱率和燃燒相位隨EGR率而變化的曲線。

圖2 不同REGR時(shí)的燃燒特性比較

由圖2(a)和圖2(b)可以看出，在點(diǎn)火提前角一定的情況下，隨著EGR率的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒速度變緩，燃燒相位后移，瞬時(shí)放熱率峰值和最大爆發(fā)壓力持續(xù)減小。由圖2(c)可以看出，隨著EGR率的增大，著火延遲期和燃燒持續(xù)期增大，燃燒放熱中點(diǎn)的相位(CA50)推遲，導(dǎo)致燃燒效率變差。這是因?yàn)殡S著EGR率的增大，廢氣的熱容效應(yīng)和稀釋作用不斷增強(qiáng)，熱容效應(yīng)使缸內(nèi)燃燒溫度降低，稀釋作用使缸內(nèi)氧濃度降低，兩者共同抑制了缸內(nèi)燃燒，從而降低了化學(xué)反應(yīng)速度，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相位后移，燃燒溫度降低。當(dāng)EGR率增大到一定值后，缸內(nèi)燃燒壓力峰值、放熱率峰值等將明顯降低，燃燒相位進(jìn)一步滯后，并伴有嚴(yán)重的失火現(xiàn)象。圖3顯示了不同EGR率下發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)情況?？梢钥闯觯S著EGR率的增大，燃燒循環(huán)變動(dòng)隨之增大，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性變差，當(dāng)EGR率達(dá)到一定值(如12.5%)時(shí)，燃燒循環(huán)變動(dòng)大于5%，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性變差，失火嚴(yán)重。

圖3REGR對(duì)燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響

2.2 EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000r/min、平均有效壓力為300kPa、點(diǎn)火提前角為22°CA BTDC和過(guò)量空氣系數(shù)Φ為1.0時(shí)，有效燃油消耗率(brake specific fuel consumption，BSFC)隨EGR率而變化的曲線。

圖4REGR對(duì)有效燃油消耗率BSFC的影響

由圖4可見(jiàn)，在點(diǎn)火提前角一定的情況下，隨著EGR率的增大，BSFC先降后升。這是因?yàn)殡S著EGR率的增大，進(jìn)入氣缸的廢氣量會(huì)相應(yīng)增加。要保證相同的功率輸出，發(fā)動(dòng)機(jī)必須加大節(jié)氣門開度以維持進(jìn)入氣缸的新鮮空氣量，使進(jìn)氣歧管壓力增大，泵氣損失減少，從而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗(見(jiàn)圖5 EGR率與進(jìn)氣歧管壓力之間的關(guān)系)。但隨著EGR率的繼續(xù)增加，廢氣中CO2和N2等惰性阻燃物質(zhì)，會(huì)抑制燃燒化學(xué)反應(yīng)速率，增加燃燒持續(xù)期，影響燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性，而使燃油消耗增大，過(guò)高的EGR率會(huì)導(dǎo)致油耗的急劇上升。研究表明燃燒不穩(wěn)定和循環(huán)變動(dòng)加劇是造成燃油經(jīng)濟(jì)性惡化的主要原因。

圖5REGR與進(jìn)氣歧管壓力的關(guān)系曲線

2.3 EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響

圖6、圖7和圖8分別為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000r/min、平均有效壓力為300kPa、點(diǎn)火提前角為22°CA BTDC和過(guò)量空氣系數(shù)Φ為1.0時(shí)，NOx，HC和CO排放隨EGR率而變化的曲線。

圖6REGR對(duì)NOx排放特性的影響

由圖6可見(jiàn)，隨著EGR率的增大，NOx排放呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)镋GR對(duì)燃燒過(guò)程最重要的影響是增加了工質(zhì)的比熱容，降低了缸內(nèi)燃燒溫度，因而減少了高溫生成的NOx。另外，由于EGR的引入，進(jìn)氣中氧濃度降低，也在一定程度上減少了NOx的生成。

圖7REGR對(duì)HC排放特性的影響

圖8REGR對(duì)CO排放特性的影響

由圖7可見(jiàn)，隨著EGR率的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度降低，火焰淬熄區(qū)域增加，HC排放呈現(xiàn)出單調(diào)上升的趨勢(shì)。在高EGR率條件下，燃燒循環(huán)變動(dòng)迅速增大，并會(huì)出現(xiàn)不完全燃燒或失火現(xiàn)象，使得HC排放量明顯增加。

由圖8可見(jiàn)，在低EGR率的條件下，EGR率對(duì)CO排放的影響并不明顯，但隨著EGR率的繼續(xù)增大，燃燒持續(xù)期和燃燒循環(huán)變動(dòng)會(huì)隨之增加，不完全燃燒會(huì)導(dǎo)致CO排放的增加。

2.4 EGR與稀薄燃燒的協(xié)同作用

廢氣再循環(huán)主要通過(guò)“活性效應(yīng)”和“體積效應(yīng)”對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能產(chǎn)生影響?！盎钚孕?yīng)”表現(xiàn)為廢氣對(duì)缸內(nèi)混合氣化學(xué)“活性”的抑制作用，這是廢氣再循環(huán)能大幅度減少NOx排放的主要原因;“體積效應(yīng)”則表現(xiàn)為廢氣對(duì)進(jìn)入氣缸充量的體積“占據(jù)”而引起的泵氣損失減少，這是廢氣再循環(huán)能降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的主要原因。與廢氣再循環(huán)相比，稀薄燃燒除了具有相似的“體積效應(yīng)”外，其“高絕熱指數(shù)”特性更有利于發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)熱效率的提高。因此，在改善GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性方面，稀薄燃燒比廢氣再循環(huán)更具優(yōu)勢(shì)。將廢氣再循環(huán)與稀薄燃燒結(jié)合起來(lái)，通過(guò)優(yōu)化控制可使兩者的“活性效應(yīng)”、“體積效應(yīng)”和“高絕熱指數(shù)”特性充分發(fā)揮。

圖9和圖10分別為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000r/min、平均有效壓力為300kPa、EGR率為9%和點(diǎn)火提前角選取各試驗(yàn)點(diǎn)下的最佳轉(zhuǎn)矩最小點(diǎn)火提前角(minimum spark advance for best torque，MBT)時(shí)的有效燃油消耗率BSFC和燃燒循環(huán)變動(dòng)率RCOV隨過(guò)量空氣系數(shù)Φ而變化的曲線。

圖9 Φ對(duì)有效燃油消耗率BSFC的影響

圖10 Φ對(duì)燃燒循環(huán)變動(dòng)率RCOV的影響

由圖9可以看出，在EGR率一定的條件下，隨著過(guò)量空氣系數(shù)Φ的增大，BSFC也呈現(xiàn)“先降后升”的變化規(guī)律。這是因?yàn)殡S著過(guò)量空氣系數(shù)Φ的增大，缸內(nèi)混合氣的絕熱指數(shù)增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)熱效率提高，使燃油消耗率在原有基礎(chǔ)上會(huì)進(jìn)一步降低。但是，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的繼續(xù)增大，燃燒循環(huán)變動(dòng)隨之增大(見(jiàn)圖10)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性變差，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)超過(guò)一定值(如1.3)后，燃燒循環(huán)變動(dòng)會(huì)急劇增大，油耗升高。對(duì)比圖4與圖9可見(jiàn)，在部分負(fù)荷下，EGR與稀薄燃燒協(xié)同作用可使有效燃油消耗率從355降至325g/(kW·h)，即帶來(lái)8%以上的改善。

圖11、圖12和圖13分別為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000r/min、平均有效壓力為300kPa、EGR率為9%和點(diǎn)火提前角選取各試驗(yàn)點(diǎn)下的最佳轉(zhuǎn)矩最小點(diǎn)火提前角MBT時(shí)，NOx，HC和CO排放隨過(guò)量空氣系數(shù)Φ而變化的曲線。

圖13 Φ對(duì)CO排放特性的影響

由圖11可見(jiàn)，在EGR率一定時(shí)，隨著過(guò)量空氣系數(shù)Φ的增大，NOx排放“先升后降”。這是因?yàn)殡S著過(guò)量空氣系數(shù)Φ的增大，NOx排放會(huì)由于氧濃度和燃燒溫度增大的而增多。而當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)Φ繼續(xù)增大時(shí)，由于燃燒溫度的降低，NOx排放會(huì)迅速減小。由于廢氣再循環(huán)與稀薄燃燒的協(xié)同作用，可獲得更低的NOx排放。

由圖12和圖13可以看出，在EGR率一定時(shí)(9%)，隨著過(guò)量空氣系數(shù)Φ的增大，HC和CO的排放由于氧濃度的增加而減小。而當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)增大到一定值后，伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)著火與燃燒穩(wěn)定性的惡化，HC和CO排放濃度反而升高。同時(shí)，缸內(nèi)溫度的降低、壁面淬熄效應(yīng)的增強(qiáng)也使HC排放增多。將圖12和圖13與圖7和圖8的試驗(yàn)結(jié)果比較后發(fā)現(xiàn)，在部分負(fù)荷下，EGR與稀薄燃燒協(xié)同作用可帶來(lái)更好的HC與CO排放的改善。

3 結(jié)論

(1)廢氣再循環(huán)與稀薄燃燒具有相似的“體積效應(yīng)”，即通過(guò)減少泵氣損失來(lái)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。由于稀薄混合氣所具有的“高絕熱指數(shù)”特點(diǎn)，在降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗方面稀薄燃燒的效果更為顯著。

(2)廢氣中的惰性阻燃物質(zhì)，會(huì)抑制燃燒化學(xué)反應(yīng)速率，降低燃燒溫度。與稀薄燃燒相比，廢氣再循環(huán)的“缺氧”特點(diǎn)使其在降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放面更占優(yōu)勢(shì)。

(3)將廢氣再循環(huán)與稀薄燃燒相結(jié)合，可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率。在部分負(fù)荷下(轉(zhuǎn)速2 000r/min、平均有效壓力300kPa)，通過(guò)對(duì)廢氣再循環(huán)與稀薄燃燒協(xié)調(diào)控制，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定燃燒的條件下，油耗降低幅度為8%以上;在達(dá)到較低燃油消耗的同時(shí)，也使發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx，HC和CO的排放控制在一個(gè)較低的范圍內(nèi)。

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Synergism of EGR and Lean Burn for Gasoline Direct Injection Engine

Zhu Di1，Hou Shengzhi1，Liu Bin2＆Yin Jun1
1.Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin300072; 2.Chongqing Chang An Automobile Co．，Ltd．，Chongqing401120

In view of the advantages of exhaust gas recirculation(EGR)and lean burn(LB)in reducing emission and improving fuel economy，a synergitic control technology roadmap by combining the two is proposed．The effects of EGR alone and EGR+LB combination on the combustion characteristics，fuel economy and emission characteristics of engine under part-load condition are experimentally studied in a gasoline direct injection engine．The results show that under a condition with a rotation speed of 2000r/min and a BMEP of 300kPa，the synergitic actions of EGR+LB combination can get an over 8%fuel economy improvement with lower NOx，HC and CO emissions，verifying the effectiveness of synergitic control of EGR+LB combination．

gasoline direct injection;exhaust gas recirculation;lean burn;combustion characteristics; fuel consumption

10．19562/j．chinasae．qcgc．2017．06．002

*國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB228400)資助。

原稿收到日期為2016年12月26日，修改稿收到日期為2017年2月21日。

侯圣智，博士，E-mail:houshengzhi@tju．edu．cn。