外置廢氣再循環(huán)在增壓發(fā)動機上的應(yīng)用研究

黃榮輝 曹春暉 余光耀

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007）

引言

一方面由于非直噴增壓發(fā)動機容易出現(xiàn)早燃問題，另一方面即將實行越來越嚴格的排放標準，促使人們在發(fā)動機上不斷地引入新技術(shù)以解決上述問題，廢氣再循環(huán)是其中的一個重要技術(shù)手段。將適量廢氣引入缸內(nèi)與新鮮空氣混合后再燃燒可以有效降低缸內(nèi)燃燒壓力和溫度，減少一氧化碳的排放量和降低燃油消耗率，并可減少早燃。目前增壓發(fā)動機基本都配有進、排氣可變氣門正時（VVT），因此增壓發(fā)動機一般沒有外置EGR裝置，而是通過提前關(guān)閉排氣門來加大殘余廢氣滯留在缸內(nèi)（即內(nèi)置EGR）。內(nèi)置EGR在非增壓發(fā)動機上已經(jīng)是運用得非常成熟的技術(shù)，可以將發(fā)動機的排放、油耗等優(yōu)化到最佳狀態(tài)，故在雙VVT的非增壓發(fā)動機上基本沒有再增加外置EGR裝置。但是對于增壓發(fā)動機，特別是在其運行到中高負荷區(qū)域時，由于發(fā)動機的進氣量比較大，需要引入的廢氣量也比較大，僅通過調(diào)整VVT方式無法滿足所需引進的廢氣量，在配雙VVT的增壓發(fā)動機上額外增壓一個外置EGR裝置可以很好地滿足增壓機在中高負荷時的廢氣再循環(huán)需求[1-3]。

1 試驗方案

試驗對象為一臺直列4缸1.5 L非直噴雙VVT增壓發(fā)動機，發(fā)動機主要參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

通過加裝一個外置EGR裝置可以將大量廢氣引入進氣歧管內(nèi)，以滿足發(fā)動機在中大負荷時所需要的大廢氣量。外置EGR裝置將排氣歧管中的部分廢氣，經(jīng)過冷卻后通過EGR閥送入增壓器壓氣機前，與新鮮空氣混合增壓后進入進氣歧管，然后進入氣缸重新參與燃燒。發(fā)動機外置EGR裝置示意圖如圖1所示。

圖1 發(fā)動機外置EGR裝置

整個實驗在發(fā)動機試驗臺架完成，通過流量計測量和計算出從外置EGR中引入的廢氣量，通過排放儀測量發(fā)動機的尾氣排放，通過燃燒分析儀測量和觀察發(fā)動機的燃燒情況，通過油耗儀測量發(fā)動機油耗率。試驗所用主要設(shè)備如表2所示。

表2 試驗所用主要設(shè)備

2 試驗結(jié)果

2.1 發(fā)動機性能

從全負荷對比中發(fā)現(xiàn)，由于開啟外置EGR后引入了較多廢氣量，發(fā)動機吸入的新鮮空氣就相應(yīng)減少了，故在全負荷時轉(zhuǎn)矩會下降比較明顯。但是當引入廢氣后，稀釋了缸內(nèi)的油氣混合氣，降低了氧分子與可燃分子的碰撞機率，且廢氣高比熱容特性吸收了燃燒室部分能量，可以抑制燃燒和降低排溫，排氣溫度比較低，故可以采用更稀的空燃比，從而使發(fā)動機油耗率更低，尾氣排放更少。開啟外置EGR前發(fā)動機全負荷在所有轉(zhuǎn)速上都需要加濃，而開啟外置EGR后發(fā)動機轉(zhuǎn)速要到3 000 r/min以后因排溫超標才因降排溫需要而加濃，并且加濃幅度較小。對比結(jié)果如表3所示。

表3 關(guān)閉EGR減開啟EGR性能對比

2.2 油耗

從萬有特性上看出在中大負荷時開啟外置EGR后比關(guān)閉外置EGR后的油耗總體要低，在100 N以上區(qū)域油耗普遍要低10～40 g/（kW·h），在全負荷附近開啟外置EGR后油耗要降低40～50 g/（kW·h）。這主要是由于引入EGR后發(fā)動機泵氣損失減小，燃燒效率增加的作用。結(jié)果如圖2所示。

圖2 外置EGR開啟后油耗降低情況

2.3 碳氫排放

開啟外置EGR后碳氫排放在2 000 r/min前后和大負荷時可降低比較大，主要是在這些轉(zhuǎn)速發(fā)動機比較容易發(fā)生早燃，故需要加濃混合氣來減少早燃發(fā)生。當引入廢氣后可使缸內(nèi)燃燒溫度降低，早燃傾向減少，所以發(fā)動機可以采用更稀的空燃比運行，從而降低碳氫的排放量。結(jié)果如圖3所示。

圖3 外置EGR開啟后碳氫排放降低情況

2.4 氮氧化物

由于開啟外置EGR將更多廢氣引入缸內(nèi)后，因EGR廢氣具有較高的比熱容，吸收了燃燒室內(nèi)部分能量，減緩了燃燒速度，最終降低了燃燒室內(nèi)的溫度，從而不利于NOx產(chǎn)生。從試驗結(jié)果也可以看出在所有轉(zhuǎn)速和工況下，開啟外置EGR后發(fā)動機的NOx排放都比開啟前有大幅降低。結(jié)果如圖4所示。

2.5 空燃比

從外置EGR開啟和關(guān)閉中可以看出，在所有的加濃區(qū)域，開啟外置EGR的空燃比比關(guān)閉外置EGR的要稀，大部分工況下開啟外置EGR要比關(guān)閉外置EGR的過量空氣系數(shù)要偏大0.1左右。結(jié)果如圖5所示。

圖4 外置EGR開啟后氮氧化物排放降低情況

圖5 外置EGR開啟后過量空氣系數(shù)變化情況

2.6 早燃

分別通過發(fā)動機開啟和關(guān)閉外置EGR時在45 000個燃燒循環(huán)中統(tǒng)計出2種狀態(tài)下發(fā)動機發(fā)生早燃的次數(shù)可以看出，在同樣工作循環(huán)下關(guān)閉外置EGR時將空燃比加濃后出現(xiàn)的早燃次數(shù)明顯還比打開外置EGR后要多，打開EGR明顯可以改善發(fā)動機早燃情況。結(jié)果如表4所示。

表4 開啟與關(guān)閉外置EGR早燃情況對比

3 結(jié)論

通過外置EGR裝置可以將更多廢氣引入缸內(nèi)參與再循環(huán)，使發(fā)動機在中、大負荷工況下采用更稀空燃比工作，使發(fā)動機在油耗率、碳氫和氮氧化合物排放等方面有明顯改善。另外，引入廢氣后發(fā)動機工作時缸內(nèi)燃燒的爆發(fā)壓力，溫度等都會有所降低，從而有效降低增壓機早燃情況的發(fā)生。但是，由于加大引入廢氣后會降低發(fā)動機吸入新鮮空氣量，從而使發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩和功率都下降，當進一步加大引入廢氣量時會使發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定，從而無法讓發(fā)動機正常工作。