低壓冷卻EGR 系統(tǒng)對汽油發(fā)動機燃油經濟性及排放影響的研究

張 鵬 曹思雨 鄭洪磊 常進才 屈 偉 高定偉

（1-長城汽車股份有限公司技術中心 河北 保定 071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

引言

隨著世界經濟的快速發(fā)展，乘用車保有量持續(xù)攀升，能源消耗和環(huán)境污染問題日趨凸顯，各國紛紛加快乘用車燃油消耗量限值和污染物排放限值法規(guī)升級進行應對，隨著油耗法規(guī)的持續(xù)加嚴，乘用車汽油發(fā)動機面臨前所未有的挑戰(zhàn)，技術升級刻不容緩。

根據相關研究表明，LP-EGR 系統(tǒng)可以降低汽油發(fā)動機缸內混合氣燃燒溫度，抑制發(fā)動機爆震[1-5]，提前燃燒相位[4-6]，提高燃燒效率[5,7]，提升混合氣比熱比[4]，同時解決發(fā)動機高負荷因排氣溫度高而采取噴油加濃問題[4,6]，從而降低發(fā)動機燃油消耗[1]。

本文主要通過在某款小型缸內直噴汽油發(fā)動機上匹配LP-EGR 系統(tǒng)，研究其對發(fā)動機燃油消耗的改善效果及發(fā)動機燃燒過程的影響，為汽油發(fā)動機技術升級提供借鑒。

1 試驗裝置及試驗工況

1.1 發(fā)動機主要參數及LP-EGR 布置

發(fā)動機及EGR 主要參數如表1 所示。首先對基礎發(fā)動機進行改制，LP-EGR 系統(tǒng)改制布置示意圖如圖1 所示，LP-EGR 系統(tǒng)從一級催化器后（渦輪下游）取出EGR 氣體，EGR 氣體經冷卻后進入進氣管路（壓輪上游），經進氣歧管最終進入發(fā)動機缸內[1，2，4]。

表1 發(fā)動機及EGR 主要參數

圖1 LP-EGR 系統(tǒng)布置示意圖

1.2 試驗工況確定及測試方法

發(fā)動機試驗室需具備開展發(fā)動機性能試驗條件，同時進行燃燒分析和排放測量，發(fā)動機試驗過程參照《GB18297-2001 汽車發(fā)動機性能試驗方法》執(zhí)行。

為研究LP-EGR 系統(tǒng)對發(fā)動機平均有效燃油消耗率改善效果，根據基礎發(fā)動機試驗結果，選定2 個特征油耗工況點進行研究，即2 500 r/min@1.2 MPa和2 000 r/min@1.0 MPa。

基于基礎發(fā)動機固化標定參數，通過逐步增加外部EGR 率，采集試驗數據，步長5%，當COV＞5%時，則回到前一個EGR 率重新開始采集，將步長調整為1%，繼續(xù)掃點，直至COV＞5%[1]（掃點過程保持過量空氣系數λ 固定不變），詳見表2 所示。

外部EGR 率計算公式采用式（1）[6，8]：

表2 試驗工況及外部EGR 率范圍

式中：VCO2in為進氣與廢氣混合后氣體中CO2的體積分數；VCO2ex為廢氣中CO2的體積分數；VCO2air為空氣中CO2的體積分數。

2 試驗結果分析

2.1 平均有效燃油消耗率對比

如圖2 所示，隨著EGR 率增加，試驗工況點平均有效燃油消耗率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢[6,9]，EGR 率為22%時，2 500 r/min@1.2MPa 工況平均有效燃油消耗率為217.8 g/（kW·h），降幅達6.1%；EGR率23%時，2 000 r/min@1.0 MPa 平均有效燃油消耗率為218.6 g/（kW·h），降幅達8.1%。

圖2 不同EGR 率與平均有效燃油消耗率變化規(guī)律

2.2 發(fā)動機控制及燃燒參數對比分析

如圖3 所示，隨著EGR 率增大，缸內冷卻后廢氣增多，混合氣氣體溫度降低，極大程度上抑制發(fā)動機爆震[10]，將發(fā)動機點火提前角提前[6,7,10,11]，有利于燃燒中值向著更加優(yōu)化的方向靠近，改善發(fā)動機燃燒過程。在EGR 率超過20%時，AI50 處于8～10 的最佳油耗表現(xiàn)區(qū)域范圍內[1]，燃燒平穩(wěn)[11]，如圖4 所示。

但隨著EGR 率的增大，燃燒持續(xù)期變長[8,10]，燃燒過程呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，燃燒過程趨于緩和，如圖5 所示。

圖3 不同EGR 率與點火提前角變化規(guī)律

圖4 不同EGR 率與AI50 變化規(guī)律

圖5 不同EGR 率與燃燒持續(xù)期變化規(guī)律

隨著LP-EGR 引入缸內，使得缸內混合氣中CO2、H2O 等高比熱容的成分比例增加，混合氣的比熱容增高，發(fā)動機燃燒溫度降低[8,9]，排氣溫度也隨之降低[1,11]，隨著EGR 率的增大，排氣溫度呈現(xiàn)降低的趨勢，如圖6 所示，達到降低燃燒傳熱損失的效果[1，7]，從而提高發(fā)動機燃燒熱效率，起到降低發(fā)動機燃油消耗的目的[1]，同時抑制發(fā)動機爆震。例如，2 000 r/min@1.0 MPa 工況，EGR 率為23%時，排氣溫降最大降幅達121℃，降幅達18.3%。同理，在大負荷工況下，通過引入LP-EGR 達到降低排氣溫度，減少甚至消除燃油加濃區(qū)域[7]，達到降低發(fā)動機燃油消耗的目的。

圖6 不同EGR 率與排氣溫度變化規(guī)律

隨著EGR 率增大，爆震傾向得到抑制，點火提前角得到改善，上止點附近放熱量增大。因此，發(fā)動機缸內最大爆發(fā)壓力逐漸變大[3，6]。不同EGR 率與最大爆發(fā)壓力變化規(guī)律如圖7 所示。

圖7 不同EGR 率與最大爆發(fā)壓力變化規(guī)律

隨著EGR 率增大，利用排氣能量及進排氣側壓力差將EGR 氣體從進氣管路進入發(fā)動機缸內，降低了發(fā)動機進氣的能量損失，發(fā)動機泵氣損失呈現(xiàn)下降趨勢[1-3，5，6，8-10]，如圖8 所示。

圖8 不同EGR 率與泵氣損失變化規(guī)律

2.3 THC、NOx排放物對比

在研究LP-EGR 對發(fā)動機燃燒過程影響的同時，對發(fā)動機THC、NOx排放物進行了對比分析。

如圖9 所示，隨著EGR 率的增大，缸內新鮮空氣減少，缸內混合氣燃燒變慢，發(fā)動機燃燒持續(xù)期延長，未燃碳氫化合物增多[1，6，8，9，11]，EGR 率為23%，2 500 r/min@1.2 MPa 工況下，THC 排放惡化達56%。EGR 率為24%，2 000 r/min@1.0 MPa 工況下，THC排放惡化達65.8%。

圖9 不同EGR 率與NOx變化規(guī)律

同時因為EGR 率的增加，缸內燃燒溫度降低[9]，缸內新鮮空氣較少，含氧量降低，產生NOx需要的高溫富氧環(huán)境被破壞[6]，EGR 率為23%，2 500 r/min@1.2 MPa 工況下，NOx排放下降[1，3，8，9，11]，降幅達88.4%。EGR 率為24%，2 000 r/min@1.0 MPa 工況下，NOx排放下降，降幅達89.6%，如圖10 所示。

圖10 不同EGR 率與THC 變化規(guī)律

3 結論

本次研究表明，采用LP-EGR 系統(tǒng)可以改善發(fā)動機燃燒過程，提高發(fā)動機燃燒效率，從而大幅降低發(fā)動機平均有效燃油消耗率。

發(fā)動機平均燃油油耗隨著EGR 率的增大，呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。根據選定的2 個特征工況點試驗結果顯示，平均有效燃油消耗率最大降低幅度達到8.1%。

隨著EGR 率的增加，缸內新鮮空氣減少，缸內混合氣燃燒變慢，發(fā)動機燃燒持續(xù)期延長，未燃碳氫化合物增多，THC 排放物惡化，可通過提升三元催化器能力進行應對。同時，由于EGR 的加入，缸內混合氣燃燒溫度降低，缸內新鮮空氣較少，產生NOx需要的高溫富氧環(huán)境被破壞，NOx排放得到極大改善。

綜上所述，LP-EGR 系統(tǒng)對汽油發(fā)動機油耗改善效果明顯，且在排放方面有一定優(yōu)勢，LP-EGR 系統(tǒng)是增壓汽油發(fā)動機未來技術升級的重要手段。