單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比優(yōu)化及渦輪增壓器匹配研究

馬興興， 馬志剛， 于書海， 孫劍， 喬靜波， 崔亞彬， 宋東先

(1. 長城汽車股份有限公司技術(shù)中心， 河北 保定 071000； 2. 河北省汽車工程技術(shù)研究中心， 河北 保定 071000)

單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比優(yōu)化及渦輪增壓器匹配研究

馬興興1,2， 馬志剛1,2， 于書海1,2， 孫劍1,2， 喬靜波1,2， 崔亞彬1,2， 宋東先1,2

(1. 長城汽車股份有限公司技術(shù)中心， 河北 保定 071000； 2. 河北省汽車工程技術(shù)研究中心， 河北 保定 071000)

在1臺(tái)氣道噴射單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)上，獨(dú)立控制EGR缸噴油及點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)燃料改質(zhì)，研究了不同壓縮比對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，此外還匹配了不同渦輪增壓器，用于改善外特性扭矩。試驗(yàn)結(jié)果表明：單缸EGR能有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，NOx和CO排放性能均所改善，但THC排放惡化，動(dòng)力性能下降；提高壓縮比能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低燃油消耗，但過高壓縮比使發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向嚴(yán)重，限制發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩；通過匹配小渦輪增壓器低速扭矩有所改善。

汽油機(jī)； 廢氣再循環(huán)； 壓縮比； 熱效率

在日益嚴(yán)格的汽車油耗和排放法規(guī)驅(qū)動(dòng)下，汽車行業(yè)都在積極探索解決方案，提高傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率是一種有效的方案[1-4]。研究表明，汽油機(jī)采用高EGR率能有效提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低污染物排放，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。但采用高EGR率的發(fā)動(dòng)機(jī)面臨燃燒穩(wěn)定性等限制，會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的改善效果[5-6]。

美國西南研究院在汽油機(jī)上提出了D-EGR(Dedicated EGR, D-EGR)概念，將發(fā)動(dòng)機(jī)某一缸排氣全部引入到進(jìn)氣系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)。對該缸單獨(dú)控制，通過加濃策略對燃油組分進(jìn)行重組，生成H2和CO等成分，從而加快燃燒速度，優(yōu)化燃燒相位[2,7]。

美國西南研究院把2.4 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)改造成1個(gè)缸單獨(dú)提供25%EGR率的發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明，EGR缸加濃后產(chǎn)生充足的H2和CO，能有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR容忍度和燃燒穩(wěn)定性，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性[2,7]。

本研究在1臺(tái)直列四缸增壓氣道噴射汽油機(jī)上，通過改動(dòng)排氣歧管，加裝EGR中冷器，實(shí)現(xiàn)單缸EGR。通過獨(dú)立控制EGR缸噴油、點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)EGR缸噴油加濃，燃料改質(zhì)。對比分析了不同壓縮比對單缸EGR汽油機(jī)性能的影響。此外，還對比分析了不同渦輪增壓器對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)及試驗(yàn)設(shè)備

本研究采用某1.5 L氣道噴射汽油機(jī)，該機(jī)采用渦輪增壓、電子節(jié)氣門、DOHC輕量化設(shè)計(jì)、進(jìn)氣VVT正時(shí)鏈傳動(dòng)等技術(shù)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)使用的主要設(shè)備見表2。冷卻水溫控制在(88±5) ℃，機(jī)油溫度控制在(90±5) ℃，燃油溫度為25 ℃。試驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境大氣溫度為298 K，壓力為100 kPa，相對濕度約為40%。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)測試設(shè)備

1.2 試驗(yàn)臺(tái)架布置

如圖1所示，以發(fā)動(dòng)機(jī)的第1缸作為EGR缸，其廢氣經(jīng)過EGR冷卻器全部引至發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器前，在EGR混合器中與新鮮空氣混合。此外，分別在一級催化轉(zhuǎn)化器前、EGR缸排氣管上安裝了寬域氧傳感器，用于測量發(fā)動(dòng)機(jī)的整體過量空氣系數(shù)(φa)和EGR缸的過量空氣系數(shù)。

圖1 臺(tái)架布置

1.3 試驗(yàn)方法及工況

為了探尋不同壓縮比及渦輪增壓器對單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、排放特性及動(dòng)力性能的影響，試驗(yàn)研究了轉(zhuǎn)速為2 000r/min的負(fù)荷特性及發(fā)動(dòng)機(jī)外特性。轉(zhuǎn)速2 000r/min的負(fù)荷特性試驗(yàn)過程中保持發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)φa為1±0.003。具體試驗(yàn)方法：對總體過量空氣系數(shù)、EGR缸過量空氣系數(shù)、點(diǎn)火提前角進(jìn)行優(yōu)化掃點(diǎn)，在保證燃燒穩(wěn)定性Cov，IMEP≤5%及爆震平均推角≤1.5°曲軸轉(zhuǎn)角前提下，以最低燃油消耗為參考點(diǎn)選取最優(yōu)過量空氣系數(shù)、EGR缸過量空氣系數(shù)及點(diǎn)火角。

2 結(jié)果和討論

2.1 壓縮比的優(yōu)化

根據(jù)前述優(yōu)化方法，選取轉(zhuǎn)速為2 000r/min的負(fù)荷特性及外特性， 就壓縮比(CompressionRatio,CR)的影響進(jìn)行了研究。

2.1.1 對指示熱效率及燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

圖2示出不同壓縮比下優(yōu)化后的指示熱效率及有效燃油消耗率的試驗(yàn)結(jié)果。

在2 000r/min工況，不同壓縮比下單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率均高于原機(jī)水平，隨壓縮比增大呈增大趨勢。壓縮比11.5的單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的最大指示熱效率為41.92%(見圖2a)。

單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)在2 000r/min的油耗水平低于原機(jī)，隨著壓縮比增加，燃油消耗率降低(見圖2b)。其中，壓縮比11.5樣機(jī)的有效燃油消耗率最低，為222.8g/(kW·h)，較原機(jī)節(jié)油12.42%。但在小負(fù)荷區(qū)間壓縮比10.5和11.5的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗水平無明顯差異。

圖2 指示熱效率及有效燃油效率對比

2.1.2 對排放性能的影響

圖3示出不同壓縮比下單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)排放的對比。與原機(jī)相比，應(yīng)用單缸EGR技術(shù)后THC的排放增大，NOx排放有明顯下降，CO排放有小幅下降。

如圖3a所示，不同壓縮比下單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)NOx比排放無明顯差異，均隨著負(fù)荷增大呈增大趨勢，但較原機(jī)有大幅降低，降低幅度為80%～90%，這是因?yàn)榛旌蠚獾谋葻崛萏岣?，燃燒溫度降低，抑制了NOx生成。

圖3b示出CO的排放結(jié)果，單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放較原機(jī)降低幅度為20%～40%，主要原因有兩方面：一方面是因?yàn)镋GR引入后比熱容增大及廢氣稀釋作用導(dǎo)致了化學(xué)反應(yīng)速度的降低，燃燒持續(xù)增長，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間較長，使部分CO氧化成CO2[8]；另一方面是由于單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)總體過量空氣系數(shù)φa為1，EGR缸加濃噴射燃油，EGR缸的φa<1，而其他缸(2～4缸)φa>1，有足夠的氧氣使EGR缸產(chǎn)生的未完全燃燒產(chǎn)物，如CO，H2，CH4及未燃HC等通過EGR系統(tǒng)進(jìn)入其他缸進(jìn)行二次燃燒，使CO氧化成CO2。

圖3c示出THC的排放結(jié)果，單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的THC排放比原機(jī)增多，且壓縮比11.5樣機(jī)的THC排放量最高。這主要是由于引入EGR后，燃燒溫度降低，加厚了壁面淬熄層，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的未燃HC增多，且引入EGR后燃燒不穩(wěn)定，部分燃料燃燒不完善，會(huì)使THC排放增加。隨著壓縮比的增大，燃燒室的罅隙效應(yīng)增強(qiáng)，THC比排放量增大。

圖3 壓縮比對排放性能的影響

2.1.3 對外特性的影響

圖4示出不同壓縮比的單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)外特性扭矩對比結(jié)果。在中低速段(<3 000r/min)外特性扭矩大幅降低，其中2 000r/min降低幅度最大，達(dá)到40%。在大于等于3 000r/min轉(zhuǎn)速段，壓縮比11.5發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩降幅最大，最大達(dá)到20.5%。單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)在中低轉(zhuǎn)速和中高轉(zhuǎn)速扭矩降低原因有所不同：在中低轉(zhuǎn)速段受排氣能量限制，外特性扭矩比原機(jī)有大幅降低；在中高速段，缸內(nèi)殘余廢氣量大，單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)EGR率高，氣體流速較大不利于火焰的發(fā)展和傳播，造成滯燃期長，循環(huán)波動(dòng)大，且高壓縮比導(dǎo)致爆震嚴(yán)重，限制扭矩提升。

圖4 壓縮比對發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩的影響

2.2 渦輪增壓器匹配優(yōu)化

圖5示出采用不同渦輪增壓器的外特性扭矩結(jié)果，單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比為10.5。采用原機(jī)匹配的增壓器后，低速外特性扭矩大幅降低，其中2 000r/min時(shí)扭矩降幅最大，達(dá)到78N·m。主要是因?yàn)閱胃譋GR發(fā)動(dòng)機(jī)引入EGR后排氣溫度大幅降低，沒有足夠的排氣能量驅(qū)使渦輪增壓器提供足夠的進(jìn)氣增壓壓力；另一方面是因?yàn)镋GR的引入使進(jìn)氣流量增大，如果要達(dá)到原機(jī)外特性扭矩水平，需求的增壓壓力比原機(jī)更高；此外，單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)1個(gè)缸排氣全部作為EGR氣體引入進(jìn)氣系統(tǒng)，造成渦輪增壓器渦輪入口的脈沖壓力不均，影響渦輪增壓器轉(zhuǎn)速及增壓壓力的穩(wěn)定性。

圖5 渦輪增壓器對外特性扭矩的影響

為了提高低速段外特性扭矩水平，單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)更換了小尺寸渦輪增壓器。原機(jī)渦輪直徑為43mm，更換后的渦輪增壓器渦輪直徑分別為34mm和37mm。由圖5可見，兩種增壓器外特性扭矩均未達(dá)到原機(jī)水平。采用渦輪直徑34mm增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)在2 200r/min達(dá)到最大扭矩，比原機(jī)低7N·m。采用渦輪直徑37mm增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)在3 000r/min達(dá)到最大扭矩。采用渦輪直徑34mm增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)低速外特性表現(xiàn)較好，其聯(lián)合運(yùn)行線見圖6，距喘振線與堵塞線均有一定余量，且通過了增壓器的高效區(qū)間。但采用渦輪直徑為34mm增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)高速扭矩下降較多，4 800r/min時(shí)外特性扭矩下降42N·m，主要是因?yàn)闇u輪直徑小，流通能力降低，在高速高負(fù)荷工況渦輪機(jī)前壓力過高(見圖7)，且增壓壓力不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無法安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪直徑34 mm增壓器聯(lián)合運(yùn)行線

圖7 渦輪機(jī)前壓力對比

3 結(jié)論

a) 單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高，燃油消耗率明顯降低，壓縮比11.5的發(fā)動(dòng)機(jī)在2 000r/min的最高指示熱效率為41.92%，最低有效燃油消耗率僅為222.8g/(kW·h)；單缸ERG發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性低于原機(jī)，NOx排放有明顯改善，CO排放有小幅改善，THC排放惡化；

b) 提高壓縮比能有效提高熱效率，降低燃油消耗，對NOx和CO排放無明顯影響，但會(huì)使THC排放增加；綜合考慮節(jié)油效果、排放性能及動(dòng)力性能，幾何壓縮比為10.5的燃燒室是較優(yōu)方案；

c) 通過匹配小渦輪增壓器，低速扭矩有所改善，但仍無法達(dá)到原機(jī)動(dòng)力水平，且會(huì)導(dǎo)致渦輪機(jī)前壓力過高，單缸EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器需要進(jìn)一步優(yōu)化匹配。

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[編輯: 李建新]

Compression Ratio Optimization and Turbocharger Matching for Single Cylinder EGR Engine

MA Xingxing1,2, MA Zhigang1,2, YU Shuhai1,2, SUN Jian1,2， QIAO Jingbo1,2， CUI Yabin1,2， SONG Dongxian1,2

(1. R&D Center of Great Wall Motor Company， Baoding 071000, China； 2. Automobile Engineering Technology Center of Hebei, Baoding 071000, China)

The effects of different compression ratios on engine performance were investigated on a single cylinder EGR engine by controlling the injection and ignition separately. Different turbochargers were matched to improve the full torque of each speed. The results show that the single cylinder EGR improves the fuel economy and NOxand CO emissions, but leads to the deterioration of THC emission and total power. Higher compression ratio can improve the engine thermal efficiency efficiently and reduce the fuel consumption, but too high compression ratio will increase the probability of engine knock and limit the torque of external characteristic. In the end, the torque at low speed improves by designing the turbocharger with a small turbine.

gasoline engine； exhaust gas recirculation (EGR); compression ratio; thermal efficiency

2017-02-16;

2017-07-17

馬興興(1987—)，女，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)開發(fā)；maxingxing117@163.com。

宋東先(1982—)，男，博士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒過程測量與分析；songdongxian@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.012

TK411.5

B

1001-2222(2017)04-0059-04