EGR 稀釋的高膨脹比汽油機研究綜述＊

朱忠攀 林瑞 杜愛民

（1.同濟大學(xué)，上海 201804；2.同濟大學(xué)，新能源汽車工程中心，上海 201804）

1 前言

2016年中國成為全球最大的原油進口國[1]，因此占石油總消耗量三分之一以上的汽車行業(yè)成為節(jié)能的重點領(lǐng)域。為此我國出臺了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012～2020年）》要求，2015年和2020年我國乘用車產(chǎn)品平均燃料消耗量降至6.9 L/100km和5.0 L/100km的目標[2]。汽車排放污染也是影響汽車技術(shù)發(fā)展的重要問題，根據(jù)2015年中國機動車污染防治年報數(shù)據(jù)，2014年汽車作為全國機動車污染物的主要貢獻者，其排放的NOx和PM占90%以上，HC和CO排放比例也超過80%[3]。

面臨節(jié)能與減排的壓力，當(dāng)前汽車行業(yè)進入了傳統(tǒng)汽車與新能源汽車多元化發(fā)展的新時期。但根據(jù)2016年中國汽車工程學(xué)會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》對汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局預(yù)期可知，內(nèi)燃機汽車仍將是未來15年汽車產(chǎn)業(yè)的主流汽車產(chǎn)品，并逐步往混合動力、替代燃料、輕量化等節(jié)能汽車技術(shù)方向保持發(fā)展。其中內(nèi)燃機高效清潔燃燒、混合動力發(fā)動機技術(shù)被列入節(jié)能汽車技術(shù)路線規(guī)劃的重點研究內(nèi)容。高膨脹比汽油機是高效內(nèi)燃機的發(fā)展方向之一，在混合動力汽車領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[4]。本文對高膨脹比汽油機研究現(xiàn)狀與待解決問題進行總結(jié)，同時結(jié)合內(nèi)燃機領(lǐng)域的高效清潔燃燒研究進展，探討基于EGR稀釋的高膨脹比汽油機的節(jié)能減排潛力。

2 高膨脹比汽油機研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題

高膨脹比汽油機的技術(shù)路徑如圖1所示?？芍吲蛎洷绕蜋C實現(xiàn)方式主要有兩種：一種是通過提高幾何壓縮比同時采用可變壓縮比（Variable Compres?sion Ratio，VCR）技術(shù)實現(xiàn)有效壓縮比和膨脹比的控制；另一種是提高幾何壓縮比并結(jié)合可變配氣正時（Variable Valve Timing，VVT）技術(shù)實現(xiàn)有效壓縮比和膨脹比的控制。

相關(guān)研究表明，雖然兩種實現(xiàn)方式均可改善汽油機的燃油經(jīng)濟性，但都存在不同的應(yīng)用限制。VCR技術(shù)實現(xiàn)高膨脹比熱力循環(huán)是一種比較理想的技術(shù)手段，其性能獲得了不少學(xué)者驗證。如Kentfield等利用VCR技術(shù)在不降低有效壓縮比的前提下實現(xiàn)了阿特金森循環(huán)發(fā)動機，該發(fā)動機在30%負荷下可節(jié)油21%～24%，80%負荷下可節(jié)油10%，與采用進氣門晚關(guān)（Late Intake Valve Closing，LIVC）實現(xiàn)阿特金森循環(huán)相比，其泵氣損失更少[5]。雖然VCR技術(shù)在國外取得了一定進展，但未獲得大規(guī)模推廣，制約了該技術(shù)路線的發(fā)展。英國內(nèi)燃機研究協(xié)會利用液壓技術(shù)發(fā)明了可變壓縮高度的活塞，并在此基礎(chǔ)上發(fā)明了對置式發(fā)動機[6]。SAAB公司開發(fā)了可變壓縮比（Saab Variable Compression，SVC）發(fā)動機，利用氣缸與活塞部分繞曲軸旋轉(zhuǎn)改變?nèi)紵胰莘e，實現(xiàn)壓縮比在8～14之間可變[7]。FEV公司通過曲軸偏心移位實現(xiàn)可變壓縮比的增壓汽油機的研發(fā)，壓縮比可在8～16之間進行調(diào)節(jié)[8]。但上述VCR發(fā)動機均沒有獲得產(chǎn)業(yè)化推廣。

圖1 高膨脹比汽油機的技術(shù)路徑

目前高膨脹比汽油機的技術(shù)路線多采用第2種方案，即通過VVT實現(xiàn)非對等大小的膨脹比和壓縮比。其節(jié)能效果顯著但動力性下降的問題突出。例如Anderson等通過LIVC控制發(fā)動機的熱力循環(huán)過程，與自然吸氣的傳統(tǒng)發(fā)動機相比，其最大扭矩下降了35%[9]。萬玉等的研究表明，高膨脹比發(fā)動機可以在低負荷通過進氣門早關(guān)（Early Intake Valve Closing，EIVC）實現(xiàn)米勒循環(huán)以提高燃油經(jīng)濟性，也可在高負荷通過LIVC實現(xiàn)阿特金森循環(huán)來抑制爆震，但過多推遲進氣門關(guān)閉（Intake Valve Closing，IVC）導(dǎo)致進氣回流，影響充氣效率，動力性下降[10]。Gheorghiu進一步分析了動力性下降的機理，指出進氣回流造成氣流振蕩，進入氣缸的混合氣減少，降低了平均有效壓力，削弱了動力性[11]。

目前應(yīng)對高膨脹比汽油機動力性不足的問題，往往采用混合動力汽車技術(shù)，通過電機來彌補其動力性，因此高膨脹比汽油機在混合動力汽車領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，如豐田普銳斯、本田雅閣、奔馳S400、長安志翔等混合動力汽車均采用了該技術(shù)。但混合動力汽車涉及到發(fā)動機-電池-電機系統(tǒng)之間的能量協(xié)調(diào)控制，發(fā)動機運行工況與傳統(tǒng)汽車有很大不同，尤其是混合動力條件下發(fā)動機高效清潔燃燒的機理研究。如Yu等指出汽油機應(yīng)用到混合動力領(lǐng)域會因頻繁起停導(dǎo)致總HC排放增加和燃燒不穩(wěn)定等問題[12]。

除了通過混合動力技術(shù)彌補動力性不足以外，還可以通過提高幾何壓縮比、機械增壓、渦輪增壓、汽油直噴等技術(shù)來改善發(fā)動機的性能[13～16]。目前豐田1.3 L非混合動力用ESTEC發(fā)動機[17]、大眾最新的EA211 evo發(fā)動機與EA888米勒循環(huán)發(fā)動機[18]、馬自達的Sky?activ-G汽油機[19]、日產(chǎn)的機械增壓HR12DDR發(fā)動機等[20]是該技術(shù)方向的代表機型，涵蓋了增壓與非增壓、PFI與GDI等不同類型發(fā)動機，拓寬了高膨脹比汽油機的應(yīng)用領(lǐng)域。但上述技術(shù)路徑進一步增加了發(fā)動機工作過程影響因素的復(fù)雜性，如提高幾何壓縮比或進氣增壓均可導(dǎo)致發(fā)動機爆震的產(chǎn)生，而單純地采用VVT技術(shù)通過降低有效壓縮比，提高有效膨脹比的策略可以降低爆震，相關(guān)文獻表明高膨脹比發(fā)動機進氣回流，擾亂了缸內(nèi)滾流運動的形成，從而影響缸內(nèi)混合氣的均勻性和湍流強度，降低了燃燒效率[21～23]。其相互影響關(guān)聯(lián)如圖2所示。

綜上所述，單獨采用進氣增壓與高壓縮比技術(shù)或者采用混合動力技術(shù)不能解決高膨脹比汽油機的動力性問題，且兩種技術(shù)路徑都需要進一步的研究高膨脹比汽油機的高效清潔燃燒機理以及影響因素。

3 EGR稀釋的高膨脹比汽油機

3.1 EGR在高膨脹比汽油機上的應(yīng)用

近年來通過結(jié)合EGR技術(shù)優(yōu)化高膨脹比汽油機的性能取得了不錯的效果。EGR技術(shù)分為內(nèi)部EGR與外部EGR，兩者都可以結(jié)合高膨脹比汽油機改善燃燒與排放性能。

圖2 進氣增壓與提升幾何壓縮比關(guān)聯(lián)影響

由于可以通過排氣門早關(guān)，進氣門晚關(guān)，形成負閥重疊角使得廢氣滯留在缸內(nèi)來實現(xiàn)內(nèi)部EGR，所以高膨脹比汽油機與負閥重疊提升內(nèi)部EGR率的方式相輔相成。Wang等研究表明，通過LIVC策略實現(xiàn)阿特金森循環(huán)發(fā)動機，膨脹比越大熱效率越高，且同時高膨脹比具備較高的殘余廢氣，有效抑制了NOx的排放[24]。

外部EGR是通過EGR閥體、EGR管路、中冷器等部件構(gòu)建廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，使發(fā)動機產(chǎn)生的廢氣再送回氣缸參與油氣混合與燃燒的技術(shù)。該技術(shù)在高膨脹比汽油機領(lǐng)域取得了不錯的效果。Kawamot等研究表明第二代豐田普銳斯高膨脹比發(fā)動機引入EGR后比第一代普銳斯高膨脹比發(fā)動機有效燃油消耗率降低8.5%，相對于同種規(guī)格的傳統(tǒng)汽油機有效燃油消耗率降低10.2%[25]。蘇建業(yè)等基于增壓小型化GDI汽油機開展了米勒循環(huán)與外部冷卻EGR的研究，與原機相比，在1 000～3 000 r/min低負荷和高負荷工況區(qū)域燃油經(jīng)濟性提高了6%～9%[26]。Ratnak等在增壓PFI高膨脹比汽油機引入10%的冷卻EGR，其理論熱效率仿真結(jié)果高達48.2%[27]。王家盛等研究發(fā)現(xiàn)米勒循環(huán)在低速大負荷工況下碳煙排放出現(xiàn)大幅上升，而結(jié)合EGR技術(shù)可以有效抑制碳煙的同時降低油耗8.6%[28]。吳學(xué)松等圍繞自然吸氣阿特金森循環(huán)發(fā)動機的試驗表明，在不同負荷下通過增加5%～15%外部EGR可以進一步提高4.3%～10.2%的燃油經(jīng)濟性，同時可以降低NOx排放，最高可降88.5%，負荷越高，最佳EGR率越大，且油耗改善效果越好[29～30]。沈穎剛等在1 000 r/min全負荷下對可變壓縮比單缸汽油機的研究表明，EGR率超過5%不利于提升熱效率，幾何壓縮比為9時，EGR從10%升高15%，油耗增加3.17%，但通過提升幾何壓縮比可以提升熱效率，且隨著幾何壓縮比提高，NOx排放增加，HC、CO排放降低，而引入EGR可降低NOx排放，但隨EGR率提高HC、CO等增加[31]。

3.2 EGR稀釋燃燒技術(shù)

通過合理的EGR控制策略可以實現(xiàn)發(fā)動機的低溫燃燒，低溫燃燒是一種新型的高效清潔燃燒方式，近年來該研究成為發(fā)動機燃燒領(lǐng)域新的熱點，但國內(nèi)外對低溫燃燒的研究對象一般只針對柴油機,且取得了超低排放[32]。由于汽油機自燃性差的缺點，使得通過高EGR率降低汽油機燃燒溫度實現(xiàn)低溫燃燒存在挑戰(zhàn)。

汽油機領(lǐng)域大多學(xué)者的研究范圍一般針對20%及以下的EGR研究，即便如此EGR對汽油機燃燒與排放性能優(yōu)化作用也日益突出。Shyani等總結(jié)了汽油機EGR技術(shù)研究成果并進一步通過熱力學(xué)分析，論證了通過EGR降低泵氣損失，降低燃燒傳熱損失從而提升汽油機熱效率的可能性，但他同時指出EGR率過高會大大降低缸內(nèi)燃燒溫度與燃燒速度，導(dǎo)致發(fā)動機燃燒波動、燃燒不完全甚至失火等燃燒問題產(chǎn)生[33]。吳達等通過熱力學(xué)第一定律與第二定律進一步理論分析了0～17%EGR對汽油機熱效率的影響機理，分析了不同負荷下EGR與混合氣濃度對理論熱效率、燃燒等容度、燃燒效率、傳熱損失及不可逆損失的影響，得出高負荷下引入EGR可提高有效熱效率是由燃燒過程優(yōu)化與傳熱損失減少導(dǎo)致的，部分負荷下在上述基礎(chǔ)上還進一步降低了泵氣損失，但EGR的引入導(dǎo)致不可逆損失增加，燃燒條件發(fā)生惡化[34]。白云龍等研究表明，在部分負荷采用廢氣滯留稀釋燃燒可明顯降低泵氣損失并提高燃燒效率，燃油經(jīng)濟性改善5%～16%，NOx下降70%，CO與HC排放也均有所降低[35]。潘鎖柱等通過發(fā)動機排放試驗研究了EGR對GDI汽油機燃燒與排放特性的影響，隨著EGR率的提高，放熱過程遲緩，缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度逐漸降低，造成NOx逐漸降低，最大降幅達80%，但THC和CO排放逐漸增加，最大增幅分別約為25%和7%[36]。

高比例的EGR對汽油機排放性能優(yōu)化有促進作用，且高幾何壓縮比對提升EGR有積極作用。Hedge等研究發(fā)現(xiàn)在GDI汽油機上應(yīng)用25%EGR率可使顆粒物數(shù)量和質(zhì)量排放顯著降低，顆粒物質(zhì)量排放因子可降低約60%，固態(tài)顆粒物數(shù)量在大多數(shù)工況均可降低約 40%，且在2 000 r/min低負荷區(qū)域，油耗降低了10 g/（kW·h）[37]。Arsie等在PFI汽油機的研究也證明了高EGR率對降低PM顆粒物的潛力[38]。宋東先等在增壓PFI汽油機的研究表明，引入0～25%EGR可以有效降低NOx和CO排放，提高燃油經(jīng)濟性，但EGR太高導(dǎo)致HC排放增加，燃燒波動系數(shù)可能超過5%，可以通過提高幾何壓縮比與稀薄燃燒的方式改善提升EGR率[39]。美國西南研究院率先利用其EGR技術(shù)升級與氫氣引燃等技術(shù)輔助實現(xiàn)了汽油機的高EGR率稀釋的高效清潔燃燒，且應(yīng)用了更高的幾何壓縮比[40～41]。

3.3 EGR稀釋的高膨脹比發(fā)動機清潔燃燒

綜上，EGR技術(shù)不僅有助于高膨脹比汽油機的性能優(yōu)化，對不同類型的汽油機燃燒過程優(yōu)化也有潛力可挖，但存在EGR率的適用范圍限制，很難實現(xiàn)諸如柴油機領(lǐng)域的大比例EGR稀釋的清潔燃燒技術(shù)。但圍繞大比例EGR稀釋的高膨脹比汽油機清潔燃燒具備一定可行性。

a.EGR引入高膨脹比發(fā)動機可以降低NOx排放，進一步降低泵氣損失，改善燃油經(jīng)濟性，同時耦合進氣增壓、噴油策略及點火時刻優(yōu)化汽油機的燃燒與排放過程，為EGR稀釋的高膨脹比發(fā)動機清潔燃燒奠定了研究基礎(chǔ)。

b.EGR在汽油機領(lǐng)域的應(yīng)用受到燃料特性限制，EGR率應(yīng)用范圍一般比柴油機小，除了油品特性外，幾何壓縮比也是關(guān)鍵因素。高膨脹比汽油機一般采用較大的幾何壓縮比，這有助于進一步擴大汽油機的EGR率應(yīng)用范圍。

c.通過LIVC策略實現(xiàn)的高膨脹比發(fā)動機存在進氣回流問題，采用EIVC策略高膨脹比發(fā)動機影響充氣過程。這均是汽油機提升幾何壓縮比后防止汽油早燃或爆震的妥協(xié)讓步。通過進氣增壓可以進一步抑制回流現(xiàn)象，但不能解決汽油早燃或爆震問題，采用EGR技術(shù)控制汽油機燃燒可以解決這一矛盾，引入大比例EGR有助于進一步提高幾何壓縮比，進而提升膨脹比，促進高膨脹比發(fā)動機熱效率的提升。

d.化石能源的不可再生性限制了內(nèi)燃機技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，可替代能源與新能源技術(shù)成為不可逆的趨勢，西南研究院的柴油或氫氣引燃實現(xiàn)大比例EGR稀釋氛圍下的汽油機燃燒可能成為未來發(fā)動機的方向。

4 總結(jié)

高膨脹比發(fā)動機技術(shù)在汽車節(jié)能方面效果顯著，在混合動力汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車領(lǐng)域均有較大的應(yīng)用潛力，但VCR技術(shù)實現(xiàn)高膨脹比發(fā)動機尚未取得產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，采用LIVC或EILV實現(xiàn)高膨脹比發(fā)動機獲得了大量應(yīng)用推廣，但存在進氣回流、動力性不足等問題，需要進氣增壓、提高幾何壓縮比以及燃燒排放控制等手段進一步優(yōu)化。

近年來，基于EGR稀釋的高效清潔燃燒技術(shù)成為發(fā)動機燃燒領(lǐng)域的研究熱點，但是由于汽油燃料特性等限制，制約了EGR稀釋的高效清潔燃燒技術(shù)在汽油機領(lǐng)域的應(yīng)用。但EGR在汽油機節(jié)能與減排方面取得了積極效果，同時在高膨脹比發(fā)動機領(lǐng)域應(yīng)用表明，EGR與高膨脹比發(fā)動機可以相輔相成進一步優(yōu)化整機的經(jīng)濟性與排放。

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