低壓廢氣再循環(huán)（LP_EGR）在汽油機(jī)上的應(yīng)用

余光耀 李巖 曹春暉 黃榮輝

摘? 要：基于一臺1.5L的進(jìn)氣道噴射增壓（PFI）汽油機(jī)，在保持原機(jī)匹配好的VVT角度、噴油壓力和噴油相位不變情況下，采用低壓廢氣再循環(huán)（LP_EGR）。通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)參數(shù)得到：發(fā)動機(jī)在EGR區(qū)域能起到較明顯的節(jié)油效果。在中低轉(zhuǎn)速的中大負(fù)荷區(qū)域節(jié)油7%～20%不等;發(fā)動機(jī)的抗爆震性明顯改善，點(diǎn)火角最多可提前13.75度曲軸轉(zhuǎn)角（CA）;大部分中低負(fù)荷工況的NOx排放減少約20%～60%，最大降幅約為100%。但約占工況18.4%的大負(fù)荷工況排放惡化，負(fù)荷越大惡化越嚴(yán)重;HC排放有明顯的改善。大部分工況的HC排放減少約15%～75%，最大降幅約為86%。綜上所述，LP_EGR可使該發(fā)動機(jī)的油耗、抗爆震性和HC排放有明顯的改善。而NOx排放在中低負(fù)荷工況改善較多，但大負(fù)荷工況惡化。

關(guān)鍵詞：低壓廢氣再循環(huán);節(jié)油;抗爆震性;排放

中圖分類號：TK441+.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2019）02-0054-07

1? ? 概述

隨著燃油與排放法規(guī)的日益收緊，很多降油耗與排放的新技術(shù)應(yīng)用到發(fā)動機(jī)上。而廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）是一種行之有效的降發(fā)動機(jī)油耗和排放污染物的方法。EGR是將柴油機(jī)或汽油機(jī)產(chǎn)生的廢氣的一部分再送回氣缸參與燃燒。再循環(huán)廢氣的CO2等多原子氣體的比熱容更大，導(dǎo)致升溫比較慢，降低了燃燒溫度，起到減少NOx排放的作用。另外，提高廢氣再循環(huán)率會使總的廢氣流量減少，因此廢氣排放中總的污染物輸出量將會相對減少[1-6]。EGR系統(tǒng)的任務(wù)就是使廢氣的再循環(huán)量在每一個工作點(diǎn)都達(dá)到最佳狀況，從而使燃燒過程始終處于最理想的情況，最終保證排放物中的污染成份最低。EGR分為高壓EGR（HP_EGR）和低壓EGR（LP_EGR）。

筆者討論的發(fā)動機(jī)是進(jìn)氣道噴射增壓汽油機(jī)。由于LP_EGR相對HP_EGR更能有效提高抗爆震性、降低氮氧化物以及在廢氣循環(huán)工作范圍較大的優(yōu)勢而被采用。筆者主要從發(fā)動機(jī)的節(jié)油、抗爆震性、和NOx、HC排放三方面討論LP_EGR對發(fā)動機(jī)的實際影響。

2? ? 試驗裝置與試驗方法

2.1 發(fā)動機(jī)參數(shù)與試驗裝置

筆者討論的發(fā)動機(jī)是1.5L渦輪增壓進(jìn)氣道噴射的進(jìn)排氣雙連續(xù)可變氣門正時系統(tǒng)（DVVT）汽油機(jī)。該發(fā)動機(jī)引入EGR前已經(jīng)采用BOCH新開發(fā)的UD6平臺完成臺架匹配。發(fā)動機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

試驗設(shè)備包括AVL測功機(jī)，PUMA1.52臺架測試系統(tǒng)、AVL735S 瞬態(tài)油耗儀、Kistler 6115BFD 缸壓傳感器、Indicom燃燒分析儀、Horiba MEXA-7500D 排放測試儀、空燃比計（ES630）、和Boch UD6平臺電控單元。

2.2? ?LP_EGR系統(tǒng)

圖1是筆者討論的LP_EGR方案的工作原理圖。廢氣經(jīng)過EGR冷卻器（EGR cooler）冷卻后通過EGR閥進(jìn)入到增壓器壓氣機(jī)進(jìn)氣口前端，和新鮮空氣混合后經(jīng)過渦輪增壓再通過中冷器進(jìn)入進(jìn)氣歧管，再在進(jìn)氣道與汽油混合后進(jìn)入到氣缸燃燒。c處的溫度傳感器提供溫度信號控制d處EGR冷卻器的工作，通過調(diào)節(jié)水流量的大小來調(diào)節(jié)進(jìn)入EGR閥的廢氣溫度。而EGR閥的開度主要根據(jù)b處的壓差傳感器信號來控制。a處的混合閥的主要作用是制造合適壓氣機(jī)前端的真空度，使得低壓廢氣更容易通過EGR閥。EGR率=[CO2]intake/[CO2]exhaust，其中[CO2]intake是進(jìn)氣端的CO2濃度，[ CO2]exhaust是排氣端的CO2濃度。

3? ? LP_EGR對發(fā)動機(jī)工況影響分析

圖2是本款發(fā)動機(jī)的萬有特性工況圖（發(fā)動機(jī)處于開發(fā)階段，最大扭矩不便列出）。為便于分析LP_EGR對發(fā)動機(jī)各工況燃燒的影響，整個工況圖大致劃分為A、B、C、D共4個區(qū)域，分別對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。

3.1? ?LP_EGR對小負(fù)荷的影響

發(fā)動機(jī)工作在小負(fù)荷區(qū)域時（圖2的A區(qū)域），節(jié)氣門開度較小，泵氣損失較大。引入LP_EGR后在同樣節(jié)氣門開度的情況下可減小進(jìn)氣時氣缸內(nèi)外的壓力差，減小泵氣損失。

3.2? ?LP_EGR對部分負(fù)荷的影響

LP_EGR主要從以下兩個方面改善發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷（大致對應(yīng)于圖2的B區(qū)域）的燃燒：1、主要通過降低燃燒溫度來改善傳熱損失和降低混合氣點(diǎn)燃溫度來增加工質(zhì)比熱比實現(xiàn)理論熱效率的提高;2、通過混合氣的稀釋降低氣缸內(nèi)外的壓力差，起到減小的泵氣損失的作用。

3.3? ?LP_EGR對低速中大負(fù)荷和中高速的中等負(fù)荷的影響

LP_EGR主要從以下3方面改善發(fā)動機(jī)低速中大負(fù)荷和中高速的中等負(fù)荷工況（大致對應(yīng)于圖2的C區(qū)域）的燃燒：1、通過稀釋混合氣來降低氣缸內(nèi)外的壓力差，實現(xiàn)泵氣損失的減小;2、主要通過降低燃燒溫度來改善傳熱損失和降低混合氣點(diǎn)燃溫度來增加工質(zhì)比熱比實現(xiàn)理論熱效率的提高;3、提高發(fā)動機(jī)的抗爆震性能來改善爆震、優(yōu)化燃燒重心，使燃燒重心處于或接近于CA50，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)工作等容度的提高。

3.4? ?LP_EGR對中高速大負(fù)荷的影響

LP_EGR改善發(fā)動機(jī)中高速大負(fù)荷工況（大致對應(yīng)于圖2的D區(qū)域）的燃燒主要有以下3個方面：1、該區(qū)域空燃比加濃保護(hù)部件在耐受的溫度范圍內(nèi)造成的燃燒效率減弱，EGR可降低燃燒溫度，減稀空燃比，提高燃燒效率;2、通過降低混合氣點(diǎn)燃溫度來增加工質(zhì)比熱比，實現(xiàn)理論熱效率的提高。3、提高發(fā)動機(jī)的抗爆震性能來改善爆震、優(yōu)化燃燒重心，使燃燒重心更為接近CA50，提高發(fā)動機(jī)工作的等容度。

4? ? 發(fā)動機(jī)EGE率的匹配方法與結(jié)果

4.1 發(fā)動機(jī)EGR率的匹配方法如下：

1、發(fā)動機(jī)的VVT角度保持引入EGR前匹配好的VVT角度、噴油壓力和噴油相位不變。

2、工況實現(xiàn)：PUMA設(shè)備控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速N和負(fù)荷為設(shè)定的目標(biāo)值，INCA設(shè)置不同的EGR率來進(jìn)行試驗。

3、每個工況的試驗要求：1）保證缸內(nèi)燃燒循環(huán)變動系數(shù)COV<3%的條件下（COV是Indicom燃燒分析儀衡量發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性的重要參數(shù)，0

4.2? ?EGR率的匹配結(jié)果

圖3是匹配完成后發(fā)動機(jī)萬有特性工況對應(yīng)的EGR率。從圖3可看出：1400rpm～4400rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的中大負(fù)荷的EGR率都在2%以上，轉(zhuǎn)速越高EGR率越大。在中等轉(zhuǎn)速的中大負(fù)荷區(qū)域EGR率可以開得較大，均在10%以上。而小負(fù)荷工況、低速中大負(fù)荷工況和高速中大負(fù)荷工況的EGR率較小，EGR閥接近于關(guān)閉狀態(tài)。這是因為中高轉(zhuǎn)速的中大負(fù)荷區(qū)域可以通過增大EGR率來降低傳熱損失、提高等度和優(yōu)化燃燒重心，從而實現(xiàn)油耗率與排放的優(yōu)化。而小負(fù)荷工況、低速中大負(fù)荷工況和高速中大負(fù)荷工況，為了兼顧發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性、動力性以及經(jīng)濟(jì)性，這些區(qū)域的EGR閥接近于關(guān)閉狀態(tài)。

5? ? EGR對發(fā)動機(jī)油耗率影響

5.1? ?中大負(fù)荷節(jié)油空間

圖4是該款發(fā)動機(jī)引入LP_EGR前的做完臺架匹配后的空燃比萬有特性圖。由汽油機(jī)的特性可知，排氣溫度會隨著工況的轉(zhuǎn)速升高和負(fù)荷的加大越來越高，而在匹配時為了保護(hù)部件在合理的工作溫度內(nèi)，只能適度加大噴油量，加濃空燃比來進(jìn)行降排氣溫度的部件保護(hù)。從圖4右上方區(qū)域也可看出中高轉(zhuǎn)速和中高大負(fù)荷空燃比要進(jìn)行適當(dāng)加濃對部件進(jìn)行保護(hù)，轉(zhuǎn)速越高、負(fù)荷越大，空燃比的加濃程度越大，此時大致對應(yīng)于圖2的D區(qū)域和C區(qū)域的部分工況。而在中低速中大負(fù)荷工況（大致對應(yīng)于圖2的C區(qū)域），因抑制爆震而推遲點(diǎn)火角，從而使得等容度降低。由LP_EGR對發(fā)動機(jī)工況影響分析可知，引入EGR后，圖2的C、D兩個區(qū)域的工況的空燃比和爆震將會得到改善，等容度得到提升，點(diǎn)火角也可適當(dāng)提前，因此油耗也將會得到改善。

5.2? ?LP_EGR單個轉(zhuǎn)速工況的節(jié)油趨勢

（a）油耗率與EGR率關(guān)系

（b）節(jié)油百分比與EGR率關(guān)系

圖5是發(fā)動機(jī)2500rpm部分工況的油耗與EGR率的變化關(guān)系，其中（a）是2500rpm的中小負(fù)荷工況在不同EGR率下的油耗率表現(xiàn)，而（b）是2500rpm的中小負(fù)荷工況在不同EGR率下的節(jié)油百分比。由圖5可以看出各負(fù)荷的油耗率先是隨著EGR率的增加而下降，然后隨著EGR率增加到一定程度再上升。在中等負(fù)荷時（約在12bar～14bar左右），由于引入EGR降低了燃燒溫度和提高發(fā)動機(jī)的抗暴性，空燃比和點(diǎn)火角均可提升較多，故而油耗率對EGR率的大小比較敏感。顯然引入LP_EGR后，可以改善傳熱損失、泵氣損失和提高熱效率，從而降低油耗率，而且每個工況都只有一個最佳油耗率的EGR率。但到了最佳油耗率的EGR率后，繼續(xù)增大EGR率會導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性變差，燃燒效率下降，進(jìn)而導(dǎo)致油耗上升。

5.3? ?LP_EGR總體節(jié)油情況

圖6是引入LP_EGR后油耗率萬有特性圖，圖7引入LP_EGR后節(jié)油百分比萬有特性圖數(shù)據(jù)來源于（原機(jī)油耗率-引入LP_EGR后油耗率）/原機(jī)油

耗率?？梢钥闯鲆隕GR后，該款發(fā)動機(jī)的油耗率有了明顯的改善，尤其是在中大負(fù)荷區(qū)域油耗率減少約減少7%～20%，而最低的油耗率約出現(xiàn)在2600rpm的77%全負(fù)荷的工況點(diǎn)，約為222.8g/kW·h。

筆者認(rèn)為LP_EGR主要從以下三方面來改善油耗率：1、中大負(fù)荷區(qū)域引入EGR前，為了保護(hù)零部件，只能通過加濃空燃比來保證排氣溫度不能超過部件的耐受溫度。引入EGR后，燃燒溫度降低使得過量空氣系數(shù)等于1或接近1。如圖8所示，引入LP_EGR的過量空氣系數(shù)相比引入前，增大約5%-20%不等。2、該區(qū)域的點(diǎn)火提前角由于爆震限制導(dǎo)致推遲較多，不能充分發(fā)揮出發(fā)動機(jī)有效功的潛力。引入LP_EGR后，改善了發(fā)動機(jī)的抗爆震能力，點(diǎn)火角可以提前很多。如圖9所示，點(diǎn)火角可提前5～13度曲軸轉(zhuǎn)角（CA），進(jìn)而使得點(diǎn)火時刻處于或盡量接近AI50，提升有效熱效率。3、LP_EGR泵氣損失和傳熱損失的減小能提高發(fā)動機(jī)的有效功輸出。以上表明增壓汽油機(jī)應(yīng)用低壓EGR能夠有效提高發(fā)動機(jī)熱效率，具有較大的節(jié)油潛力。

6? ? LP_EGR對發(fā)動機(jī)抗爆震能力的影響

圖9是引入LP_EGR后的點(diǎn)火角相比原機(jī)點(diǎn)火角提前角度的萬有特性圖。據(jù)圖4可知，引入LP_EGR后點(diǎn)火角得到較大的提升，在引入EGR區(qū)域的工況點(diǎn)火角普遍能提前5～13度CA不等，最大點(diǎn)火角可提前13.75度CA。筆者認(rèn)為這是因為：引入LP_EGR前，在發(fā)動機(jī)的中大負(fù)荷區(qū)域發(fā)動機(jī)的爆震傾向較強(qiáng)，只能通過推遲點(diǎn)火角來抑制爆震。引入EGR后：1） EGR廢氣屬于惰性氣體且起到稀釋缸內(nèi)混合氣、減緩混合氣燃燒速率的作用，可改善發(fā)動機(jī)的抗爆震性。2）EGR廢氣比熱容高可吸走燃燒室部分熱量，降低燃燒溫度，改善發(fā)動機(jī)的抗爆震性。表現(xiàn)為圖9中不同負(fù)荷下，點(diǎn)火角可以可提前得幅度不一樣。故而引入LP_EGR可以有效抑制EGR區(qū)域的爆震，各工況均可不同程度地增加點(diǎn)火提前角。

7? ? EGR對發(fā)動機(jī)排放的影響

7.1? ?EGR對NOx排放的影響

圖10是原機(jī)減去引入LP_EGR的NOx排放百分比萬有特性圖，數(shù)據(jù)來源于（原機(jī)NOx排放值-引入LP_EGR的NOx排放值）/原機(jī)NOx排放值。對本款發(fā)動機(jī)的而言，發(fā)動機(jī)中小負(fù)荷區(qū)域的空燃比

控制在理想空燃比1或避免加濃。據(jù)圖10可看出引入LP_EGR后，在發(fā)動機(jī)的中小負(fù)荷工況下的NOx排放有了明顯的降低，大部分降幅均在20%-60%之間，最大降幅約為100%。筆者認(rèn)為導(dǎo)致該區(qū)域NOx排放改善的主要原因有以下兩點(diǎn)：1、EGR廢氣的CO2、H2O的比熱容較高，與新鮮空氣混合后，混合氣的比熱容相應(yīng)增大，吸走部分燃燒室內(nèi)的能量，導(dǎo)致燃燒速度減緩、燃燒室溫度的降低，抑制了NOx生成的高溫邊界條件;2、循環(huán)的廢氣和新鮮空氣混合后，對新混合氣起到稀釋作用，降低了混合氣中O2 濃度，也能在一定程度上抑制NOx的生成。對于大負(fù)荷區(qū)域來說，EGR的引入使得空燃比適當(dāng)偏稀和提前較多的點(diǎn)火提前角，在一定程度上改善了燃燒。但該區(qū)域的空燃比相對未引入EGR前偏稀約5%～20%不等，相當(dāng)于該區(qū)域在原來高溫的情況下多了約5%～20%的氧含量。由NOx產(chǎn)生的高溫富氧條件可知大負(fù)荷區(qū)域的NOx排放有惡化傾向，而圖10的匹配結(jié)果也證實了這一點(diǎn)。大部分的大負(fù)荷區(qū)域NOx排放增加了20%～150%不等，最多約增加了215%（約在4000rpm的93%全負(fù)荷工況點(diǎn)），且在該區(qū)域NOx排放增加的幅度隨負(fù)荷增大而急劇增大。具體來看，1400rpm～1600rpm左右的大負(fù)荷區(qū)域， NOx排放增加的區(qū)域面積約占相應(yīng)轉(zhuǎn)速全部工況的10%左右。1600rpm～2400rpm的大負(fù)荷區(qū)域的NOx排放增加的工況約占相應(yīng)轉(zhuǎn)速全部工況的5%左右。而中高速大負(fù)荷的NOx排放增加工況占到相應(yīng)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)工況區(qū)域百分比隨轉(zhuǎn)速的升高逐步增大，且NOx排放增加的幅度也是隨轉(zhuǎn)速的升高逐步變大。但也要看到大負(fù)荷NOx排放增加區(qū)域?qū)嵓s占全部工況的18.4%，且這些工況在實際駕駛中不常用，實際排放影響不大。整體而言，引入EGR后通過優(yōu)化EGR率、進(jìn)氣溫度、空燃比和點(diǎn)火角等影響發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)燃燒的主要參數(shù)，NOx排放在發(fā)動機(jī)中小負(fù)荷區(qū)域有明顯改善，大負(fù)荷區(qū)域惡化。

7.2? ?EGR對HC排放的影響

圖11是引入EGR后的碳?xì)渑欧疟任匆隕GR之前的下降的百分比。通常情況下，缸內(nèi)混合氣的空燃比是影響發(fā)動機(jī)HC排放物的重要因素，HC隨空燃比的減小而增加。然而并不是混合氣越稀，HC排放物越低，當(dāng)混合氣稀到發(fā)動機(jī)失火邊界時，HC排放會急劇增加。此外，因EGR延長滯燃期，更容易出現(xiàn)容積淬熄，且燃燒室內(nèi)溫度的降低也減小了未燃HC排放物的氧化作用，這些都會使得HC排放水平上升。但是通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)循環(huán)廢氣的溫度和EGR率、空燃比和點(diǎn)火提前角等影響發(fā)動機(jī)燃燒參數(shù)，可改善發(fā)動機(jī)的燃燒，實現(xiàn)HC排放的改善。

從圖11中可以看出，引入LP_EGR后通過優(yōu)化影響發(fā)動機(jī)燃燒的參數(shù)，幾乎在發(fā)動機(jī)整個工作范圍內(nèi)的碳?xì)渑欧盼锏臐舛染辛舜蠓鹊慕档?。大部分工況的降低幅度約在15%～75%，最大降幅約為86%。在EGR區(qū)域的相同轉(zhuǎn)速下，中高負(fù)荷的HC排放物的降低幅度比小負(fù)荷的更為明顯。小負(fù)荷時，合理的EGR率和合適廢氣溫度可使廢氣回流率增大，起到加熱進(jìn)氣縮短滯燃期的作用，有利于HC排放物的改善。而在中高負(fù)荷區(qū)域，一方面是由于引入EGR使得空燃比有較大幅度的偏?。ㄒ妶D7），大部分工況的點(diǎn)火提前角都有不同程度的大幅提前（見圖8），發(fā)動機(jī)的燃燒得到較好的改善。另一方面，適當(dāng)提高通過EGR閥的廢氣溫度，在一定程度上提高了缸內(nèi)溫度，可以促進(jìn)未燃HC的氧化。

此外，在圖11中的HC排放減少的75%等高線的區(qū)域：該區(qū)域引入EGR前，發(fā)動機(jī)為了追求低速大扭矩氣門重疊角選的比較大，是低速早燃的易發(fā)區(qū)。為了控制早燃，大幅加濃空燃比和延遲點(diǎn)火角，發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性相對較差，是HC排放最為惡劣的區(qū)域。引入EGR后，提高了發(fā)動機(jī)的抗爆震能力，早燃得到很好的抑制，空燃比也得以減稀至1，而點(diǎn)火角也提前了5～8度CA，發(fā)動機(jī)燃燒得到很好的改善，因而HC排放降低幅度也最大。

總體來說，引入EGR后，通過優(yōu)化EGR率、進(jìn)氣溫度、空燃比和點(diǎn)火角等影響發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)燃燒的主要參數(shù)，可以在很大程度上降低發(fā)動機(jī)的HC排放水平。

8? ? 結(jié)語

該P(yáng)FI發(fā)動機(jī)引入LP_EGR后，通過匹配合理的EGR率，可以使發(fā)動機(jī)有以下改善：

1、減少泵氣損失、減稀空燃比和提高發(fā)動機(jī)的等容度，能起到較明顯的節(jié)油效果。在中低轉(zhuǎn)速的中大負(fù)荷區(qū)域節(jié)油7%～20%不等。

2、EGR區(qū)域的工況點(diǎn)火角普遍能提前5～13度，最大點(diǎn)火角可提前13.75度，可以有效抑制EGR區(qū)域的爆震，提高發(fā)動機(jī)的效率。

3、大部分中低負(fù)荷工況的NOx排放減少約20%～60%，最大降幅約為100%。但約占工況18.4%的大負(fù)荷工況排放惡化，負(fù)荷越大惡化越嚴(yán)重;

4、HC排放有明顯的改善。大部分工況的HC排放減少約15%～75%，最大降幅約為86%。

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