高低壓廢氣再循環(huán)對(duì)直噴增壓汽油機(jī)影響的實(shí)驗(yàn)研究

王瑩杰， 張振東， 沈 凱， 尹叢勃

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

2017 年中國(guó)汽車銷量已經(jīng)接近3 000 萬(wàn)輛，連續(xù)9 年為世界汽車銷量第一，其中，傳統(tǒng)能源汽車仍占據(jù)95%以上。汽車在提高我國(guó)交通運(yùn)輸水平的同時(shí)，也成為了我國(guó)能源消耗和環(huán)境污染的主要源頭。近年來(lái)，隨著國(guó)家第六階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的制定，我國(guó)對(duì)汽車的油耗和排放要求日趨嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)小型化已經(jīng)成為重要的技術(shù)選擇。目前的研究表明，GDI（汽油機(jī)缸內(nèi)直噴）增壓汽油機(jī)是未來(lái)汽油機(jī)小型化發(fā)展的方向[1]。由于增壓技術(shù)和缸內(nèi)直噴技術(shù)在明顯提高燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒爆震傾向也增大，尾氣排放指標(biāo)惡化。研究發(fā)現(xiàn)，將部分尾氣與新鮮氣體以一定的比例引入氣缸內(nèi)燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的CO2，H2O 等三原子分子比熱容較高[2]，可以有效降低燃燒溫度，提高有效效率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。GDI 汽油機(jī)在部分工況下應(yīng)用EGR（廢棄再循環(huán)）可以減小泵氣損失，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少NOx排放[2-6]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開展了汽油機(jī)應(yīng)用EGR 技術(shù)研究。國(guó)內(nèi)天津大學(xué)、上海交通大學(xué)開展研究較早[2-3]。但是，在汽油機(jī)中低速部分負(fù)荷下，研究不同廢氣再循環(huán)形式對(duì)汽油機(jī)影響的工作還較少。為了研究在相同工況下不同EGR 布置形式對(duì)汽油機(jī)影響的差異，本文在一臺(tái)1.5 L 的GDI 增壓汽油機(jī)的部分工況內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比研究高低壓兩種廢氣循環(huán)方式下，通入的廢氣量對(duì)GDI 增壓汽油機(jī)在燃燒、油耗、排放等方面的影響趨勢(shì)并分析原因。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為某型1.5 L，4 缸水冷渦輪增壓GDI汽油機(jī)，壓縮比為10，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)的主要測(cè)試設(shè)備如表2 所示。

表 1 實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of experimental engine

表 2 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備Tab.2 Main equipment of experiment

EGR 閥體的開閉由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，廢氣再循環(huán)率的計(jì)算式為

式中： REGR為 廢氣再循環(huán)率； RCO2,in為中冷器后CO2的濃度；RCO2,air為 空氣中CO2的濃度；RCO2,exh為渦輪后廢氣中CO2的濃度。

為了實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)率的閉環(huán)控制，實(shí)驗(yàn)中分別在中冷器后、渦輪后測(cè)量CO2的濃度。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)廢氣引出與引入位置的不同，通常分為3 種不同的EGR 布置方案：高壓廢氣循環(huán)方式（簡(jiǎn)稱高壓EGR）、低壓廢氣循環(huán)方式（簡(jiǎn)稱低壓EGR）、混合廢氣循環(huán)方式（簡(jiǎn)稱混合EGR），如表3 所示。

廢氣循環(huán)系統(tǒng)中廢氣的輸送沒有外置的動(dòng)力源，完全依靠排氣壓力和進(jìn)氣壓力之間的壓力差[7]。高壓和混合ERG 布置方式中，在低速高負(fù)荷下廢氣會(huì)由于負(fù)壓差不能夠注入氣歧管內(nèi)。低壓EGR 布置方式中，在高速高負(fù)荷下引入廢氣會(huì)造成燃燒惡化。

表 3 EGR 布置方式Tab.3 Arrangements of EGR

汽油機(jī)在較多使用場(chǎng)景下運(yùn)行于中低轉(zhuǎn)速負(fù)荷下。按照表3 的高、低壓方案對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行EGR 管路布置改造并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。臺(tái)架實(shí)驗(yàn)工況在兩種布置方式下保持一致。2 000 r/min，平均有效壓力為0.5 MPa 作為低轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；3 000 r/min，平均有效壓力為0.8 MPa 作為中轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效可信，在所有實(shí)驗(yàn)工況下只改變唯一自變量廢氣再循環(huán)率。保證過量空氣系數(shù)為1，控制進(jìn)氣歧管溫度一致，冷卻液溫度控制在88±2 °C，機(jī)油溫度控制在90±1 °C，保持原有負(fù)荷的噴油脈寬、進(jìn)氣VVT（可變氣門正時(shí)技術(shù)）角度。實(shí)驗(yàn)過程中保證200 次循環(huán)的循環(huán)變動(dòng)率COV 在5%以內(nèi)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同廢氣再循環(huán)率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響

在2 000 r/min，平均有效壓力為0.5 MPa 和3 000 r/min，平均有效壓力為0.8 MPa 條件下，缸壓曲線如圖1 所示。在高壓EGR 和低壓EGR 下，隨著廢氣再循環(huán)率的增加，兩者的缸內(nèi)壓力出現(xiàn)不同程度的下降，且缸壓峰值降低，相位出現(xiàn)滯后。這是由于引入的廢氣的熱容效應(yīng)和稀釋作用降低了燃燒溫度，缸內(nèi)升高的殘余廢氣系數(shù)對(duì)GDI 汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生抑制，燃燒放熱減緩。EGR 率為10%時(shí)，低壓EGR 下2 000 r/min，平均有效壓力為0.5 MPa 下出現(xiàn)最高24.3%的下降。但EGR 率為15%時(shí)，低壓EGR 下3 000 r/min，平均有效壓力為0.8 MPa 下出現(xiàn)最高29.7%的下降。在高壓EGR 中，缸壓下降趨勢(shì)遠(yuǎn)小于5%。這是由兩者不同的布置方式造成的。高壓EGR 直接從較高溫度的渦輪前取氣，且引氣管路行程較短，不經(jīng)過中冷器，與低壓EGR 相比較，只經(jīng)過與低壓EGR 相同的EGR 冷卻器，最終引入的廢氣溫度必定較高，這對(duì)降低燃燒溫度、抑制燃燒的作用是消極的。在圖1（b）中，隨著廢氣再循環(huán)率的增加，在高壓廢氣再循環(huán)率小于10%之前，缸壓曲線基本一致，缸內(nèi)壓力下降趨勢(shì)與圖1（a）相比更加緩慢。這是由于在3 000 r/min，平均有效壓力為0.8 MPa 下，廢氣的熱容效應(yīng)和抑制燃燒作用受限，爆燃裕度降低，為了保證COV 在5%以內(nèi)，點(diǎn)火角提前量減小。

圖 1 不同工況下高低壓EGR 率對(duì)缸壓的影響Fig.1 Effect of EGR ratio of high and low pressure on cylinder pressure under different conditions

燃燒持續(xù)期定義為燃料燃燒10%～90%對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角間隔期。AI50 定義為燃料燃燒50%對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角間隔期。如圖2 所示，在兩種工況不同EGR 布置方式下隨著廢氣再循環(huán)率的增加，廢氣稀釋作用對(duì)缸內(nèi)燃燒作用起到了一定的抑制，且缸內(nèi)工質(zhì)的熱容效應(yīng)增強(qiáng)，燃燒持續(xù)期都延長(zhǎng)。3 000 r/min，平均有效壓力為0.8 MPa 下，高低壓EGR 燃燒持續(xù)期增加趨勢(shì)基本一致，隨著廢氣再循環(huán)率上升至17%，燃燒持續(xù)期最多增加30%，但與低轉(zhuǎn)速時(shí)相比，增加趨勢(shì)減緩。這是由于3 000 r/min 通入的廢氣溫度較高，提高熱容效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)在此時(shí)變小。2 000 r/min，平均有效壓力為0.5 MPa 時(shí)，高壓EGR 的燃燒持續(xù)期略低于同工況低壓EGR 的，可見較低的尾氣引入溫度會(huì)延緩燃燒速度。兩種工況下高低壓EGR 燃燒的AI50變化趨勢(shì)基本一致，隨著EGR 的增加，低壓EGR下AI50 呈基本后移趨勢(shì)，但高壓EGR 在較高廢氣再循環(huán)率時(shí)才會(huì)發(fā)生后移。這是由于低壓EGR 通入的廢氣經(jīng)過渦輪焓值降低，又繼而通過EGR 冷卻器和中冷器的降溫，因此，通入氣缸內(nèi)即可延遲燃料燃燒速率。

圖 2 不同工況下高低壓廢氣再循環(huán)率對(duì)燃燒持續(xù)期和AI50 的影響Fig.2 Effects of high and low pressure EGR ratio on combustion duration and AI50 under different conditions

如圖3 所示，在兩種工況不同EGR 布置方式下，隨著廢氣再循環(huán)率的增加，點(diǎn)火提前角都提前，且最高能提前至上止點(diǎn)前40 °CA（曲軸轉(zhuǎn)角）以上。這是由于廢氣的引入，使缸內(nèi)燃燒溫度和最高壓力爆發(fā)點(diǎn)都后移，燃燒持續(xù)期得到延長(zhǎng)，爆燃裕度相應(yīng)得到提高。但是，低壓EGR 方式下比高壓EGR 方式下點(diǎn)火提前角能提前5 °CA 左右，且趨勢(shì)上升更加明顯。這是因?yàn)閷u輪前廢氣引入燃燒，更高的廢氣溫度和更高的NOx含量都會(huì)引起爆燃的發(fā)生，文獻(xiàn)[7]得出同樣的結(jié)論。如圖3（a）所示，隨著廢氣再循環(huán)率的提高和點(diǎn)火提前角的不斷提前，COV 在增加。但是，在兩種工況高壓EGR 方式下，通入較高EGR 率后，循環(huán)變動(dòng)率會(huì)發(fā)生突變。說(shuō)明單一地提前點(diǎn)火提前角，不利于燃燒的穩(wěn)定性，且高壓EGR 方式下燃燒更容易產(chǎn)生惡化，這與文獻(xiàn)[5]的結(jié)論相似。

圖 3 不同工況下高低壓廢氣再循環(huán)率對(duì)點(diǎn)火提前角和COV 的影響Fig.3 Effects of high and low pressure EGR ratio on ignition advance angle and COV ratio under different conditions

2.2 不同廢氣再循環(huán)率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的影響

如圖4 所示，在兩種工況不同EGR 布置方式下，燃油消耗率都是呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢(shì)，最高可提高3%的燃油經(jīng)濟(jì)性。在2 000 r/min，平均有效壓力為0.5 MPa 工況下，通入廢氣再循環(huán)率為7%左右的廢氣時(shí)，由于廢氣對(duì)缸內(nèi)高溫的抑制作用開始降低，燃燒溫度上升，燃油消耗率開始惡化。雖然在3 000 r/min，平均有效壓力為0.8 MPa工況下，通入廢氣再循環(huán)率為15%左右的廢氣時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)這種情況，但引入更高濃度的廢氣，從整體油耗變化趨勢(shì)來(lái)看，并沒有對(duì)油耗的降低有更大程度的幫助。這是因?yàn)橥ㄈ氲膹U氣量較多，爆震裕度減小，此時(shí)需要推遲點(diǎn)火以降低缸內(nèi)溫度。高壓EGR 的油耗高于低壓EGR 的也是相同的原因。從有效效率也可以看出，低壓EGR 普遍比高壓EGR 有更好的節(jié)油效果。這是因?yàn)榈蛪篍GR系統(tǒng)引入的廢氣溫度明顯低于高壓EGR 系統(tǒng)。汽油機(jī)EGR 系統(tǒng)產(chǎn)生節(jié)油效果的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃裕度和燃燒相位都得到了優(yōu)化，且泵氣損失降低。過分追求點(diǎn)火角提前造成燃燒惡化，會(huì)抵消這種趨勢(shì)。

圖 4 不同工況下高低壓廢氣再循環(huán)率對(duì)燃油消耗率和有效效率的影響Fig.4 Effects of high and low pressure EGR ratio on fuel consumption and efficiency under different conditions

2.3 不同廢氣再循環(huán)率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響

CO 的排放結(jié)果如圖5 所示，隨著廢氣再循環(huán)率的增加，排放量基本保持不變，這是因?yàn)楸３诌^量空氣系數(shù)不變的情況下，雖然隨著廢氣再循環(huán)率的增加，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)為CO 的生成爭(zhēng)取了一定的時(shí)間，但缸內(nèi)燃燒溫度的下降也抑制了CO 的產(chǎn)生，兩者相互抵消。這與文獻(xiàn)[5，8]的結(jié)論不一致。這是由于缸內(nèi)燃燒溫度下降，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)能促進(jìn)碳?xì)浠衔锷蒣9]，如圖5 所示，碳?xì)浠衔锏纳呻S著EGR 的增加大幅上升，但隨著轉(zhuǎn)速的提高，上升趨勢(shì)減緩。

圖 5 不同工況下高低壓廢氣再循環(huán)率對(duì)CO 和碳?xì)浠衔锏挠绊慒ig.5 Effects of high and low pressure EGR ratio on CO and THC under different conditions

NOx的生成是高溫、富氧條件下的N2的氧化作用[9]。汽油機(jī)的過量空氣系數(shù)控制為1，所以，富氧作用對(duì)本實(shí)驗(yàn)NOx影響可忽略不計(jì)。在EGR系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，影響NOx排放的效果最為明顯，如圖6 所示。因?yàn)椋ㄈ霃U氣中的氣體分子比熱容較大，在相同的燃燒放熱量下降低燃燒溫度；同時(shí)延長(zhǎng)燃燒持續(xù)期，降低缸內(nèi)溫度上升速率。這些因素降低NOx最高達(dá)到70%。

圖 6 不同工況下高低壓廢氣再循環(huán)率對(duì)NOx 生成的影響Fig. 6 Effects of high and low pressure EGR ratio on NOx formation under different conditions

3 結(jié) 論

通過在汽油機(jī)中低轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比研究高低壓兩種EGR 布置方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、油耗和排放的影響，得到結(jié)論：

a. 不同EGR 布置方式會(huì)造成引入的廢氣溫度、成分有明顯的差別。燃燒時(shí)引入廢氣后，缸壓峰值會(huì)下降，缸壓相位會(huì)滯后且爆燃裕度增加。低壓EGR 對(duì)汽油機(jī)的影響效果要優(yōu)于高壓EGR，但要注意在低壓EGR 布置方式下，廢氣通過冷卻器會(huì)產(chǎn)生冷凝水，冷凝水對(duì)EGR 系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

b. 在部分工況不同轉(zhuǎn)速下，EGR 系統(tǒng)引入的廢氣具有較好的熱容效應(yīng)和減緩燃燒的作用，從而實(shí)現(xiàn)燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)、AI50 后移、點(diǎn)火角提前。但過高的廢氣再循環(huán)率引起高壓EGR 的COV急劇上升，燃燒惡化。

c. 隨著廢氣再循環(huán)率的增加，燃油消耗率先下降再上升。在3 000 r/min，0.8 MPa 工況下，汽油機(jī)對(duì)廢氣再循環(huán)率的包容性更大，有利于廢氣的注入。有效效率隨廢氣再循環(huán)率的變化也說(shuō)明了這一規(guī)律。中低轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷下，低壓EGR 的燃油經(jīng)濟(jì)性明顯好于高壓EGR 的。

d. 不同EGR 布置方式對(duì)排放結(jié)果影響差別不大。注入廢氣時(shí)NOx的排放量明顯下降，在中等轉(zhuǎn)速時(shí)最多可下降70%。由于燃燒環(huán)境的變化，碳?xì)浠衔锏呐欧懦霈F(xiàn)惡化，但CO 生成量基本無(wú)明顯變化。