低壓冷卻EGR應(yīng)用于增壓汽油機(jī)的試驗(yàn)研究

李 巖,曹春暉

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545007)

0 引言

汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展在給人們帶來便利、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，也產(chǎn)生了相關(guān)環(huán)境和能源問題[1]。在汽油機(jī)研究領(lǐng)域，降低油耗和排放是熱點(diǎn)之一，增壓技術(shù)的應(yīng)用可以顯著提高汽油機(jī)升功率，降低燃油消耗[2]。但增壓汽油機(jī)容易發(fā)生爆震且熱負(fù)荷較高，對汽油機(jī)節(jié)能減排產(chǎn)生不利影響[3]。較高的爆震傾向需要通過降低壓縮比或推遲點(diǎn)火提前角去抑制，但會降低發(fā)動機(jī)的熱效率和燃燒效率；汽油機(jī)熱負(fù)荷高導(dǎo)致在大負(fù)荷及高速區(qū)域需加濃混合氣，從而使油耗率升高排放和性能變差。合理引入廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)是解決上述問題的重要技術(shù)手段。EGR就是將發(fā)動機(jī)廢氣引入氣缸內(nèi)再次參與發(fā)動機(jī)循環(huán)，利用廢氣高熱比、稀釋新鮮空氣的作用減緩燃燒速率，達(dá)到降低缸內(nèi)溫度的目的。從而降低氮氧化物(NOx)污染物排放，抑制早燃和爆震。此外，在部分負(fù)荷使用EGR后可以適當(dāng)增大節(jié)氣門開度提高進(jìn)氣壓力，由此降低泵氣損失提高燃油經(jīng)濟(jì)性[4]。目前已有一些EGR技術(shù)運(yùn)用于汽油機(jī)的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用[5-7]。EGR系統(tǒng)可分為內(nèi)部EGR和外部EGR兩種方式來實(shí)現(xiàn)循環(huán)。內(nèi)部EGR是通過擴(kuò)大氣門重疊角來實(shí)現(xiàn)的。但它要犧牲功率和燃油消耗，其控制和調(diào)節(jié)沒有外部EGR方便靈活。外部EGR 即將排氣管中部分廢氣經(jīng)外部管路引入進(jìn)氣管參與再燃燒[8]。外部EGR又可分為高壓EGR和低壓EGR。高壓EGR廢氣從渦輪機(jī)前引出，在壓氣機(jī)前引入。其會導(dǎo)致通過渦輪機(jī)的排氣流量大幅度減少，從而不能給壓氣機(jī)提供足夠的能量。高壓EGR對冷卻器的能力要求很高。低壓EGR廢氣從三元催化器后引出，從壓氣機(jī)前引入。相對來說，低壓循環(huán)更適合于汽油機(jī)。利用EGR閥，使管路兩端有足夠的壓差，可以實(shí)現(xiàn)高比例的EGR率；排氣溫度低，對EGR冷卻器的冷卻能力要求較低[9]。此外，低壓EGR是從三元催化器后取氣，三元催化器處理后的廢氣對整個管路和EGR閥的腐蝕相對較輕[10]。

本試驗(yàn)基于現(xiàn)有渦輪增壓發(fā)動機(jī)，對其進(jìn)行低壓EGR系統(tǒng)改造。通過引入不同比例的EGR廢氣，對比研究了低壓EGR對發(fā)動機(jī)燃燒、動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的影響。同時針對現(xiàn)有文獻(xiàn)中低速低負(fù)荷區(qū)域EGR難以應(yīng)用的問題，驗(yàn)證了混合閥的作用。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對低壓EGR系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)整個運(yùn)行工況中應(yīng)用做了研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)及外部EGR裝置

本試驗(yàn)對象為某渦輪增壓發(fā)動機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。通過加裝一個外部EGR裝置，將流經(jīng)催化器后的廢氣引入進(jìn)氣管路，與流經(jīng)空濾的新鮮空氣混合后進(jìn)入壓氣機(jī)，被增壓器增壓后進(jìn)入進(jìn)氣歧管。

表1 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

1.2 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架布置

發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架系統(tǒng)布置如圖1所示。催化器后的廢氣經(jīng)過冷卻器后與新鮮空氣混合，進(jìn)入壓氣機(jī)，引入廢氣量由EGR閥控制。在進(jìn)氣歧管和催化器后廢氣取氣點(diǎn)處設(shè)置測點(diǎn)，測量此兩處的二氧化碳(CO2)濃度。由于在低轉(zhuǎn)速及部分負(fù)荷時，取氣點(diǎn)壓力較小，為使此工況下EGR廢氣能被順利引入進(jìn)氣系統(tǒng)，需要在空濾后、EGR閥前設(shè)置一個節(jié)流閥(下稱混合閥)，混合閥處于常開狀態(tài)。可通過調(diào)節(jié)混合閥開度，使管路中產(chǎn)生一定的真空度，將廢氣吸入進(jìn)氣管路中。

圖1 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架系統(tǒng)布置示意圖

EGR冷卻器進(jìn)出氣口處設(shè)置溫度壓力測點(diǎn)，監(jiān)控引入廢氣的溫度和壓力。冷卻器后的廢氣溫度太高會燒壞EGR閥，太低則會產(chǎn)生冷凝水腐蝕EGR閥及下游管路，在冷卻器進(jìn)出氣口處安裝溫度傳感器監(jiān)測冷卻器的狀態(tài)。發(fā)動機(jī)各缸安裝缸壓傳感器，通過燃燒分析儀測量燃燒過程各項參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)主要設(shè)備及控制條件

發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)使用的主要設(shè)備見表2。試驗(yàn)中控制環(huán)境溫度為25±5 ℃，中冷器出口處溫度小于45 ℃，EGR冷卻器出口溫度不高于150 ℃，發(fā)動機(jī)冷卻液溫度88±5 ℃,渦前排氣溫度不超930 ℃，進(jìn)氣歧管壓力不高于240 kPa。

表2 主要試驗(yàn)設(shè)備

1.4 相關(guān)計算公式

本文中采用公式(1)計算實(shí)測EGR率

(1)

式中φ(CO2)θx——排氣歧管中CO2的體積濃度/10-6；

φ(CO2)in——進(jìn)氣歧管中CO2的體積濃度/10-6；

φ(CO2)air——空氣中CO2的體積濃度/10-6。

缸內(nèi)平均有效壓力(BMEP，MPa)通過公式(2)[11]計算

(2)

式中τ——發(fā)動機(jī)沖程數(shù)/4；

Ttq——發(fā)動機(jī)輸出扭矩/N·m；

i——缸數(shù)，該發(fā)動機(jī)為4；

V——為發(fā)動機(jī)氣缸工作容積/m3。

通過燃燒分析儀得出多循環(huán)平均后的示功圖，計算平均指示壓力(Indicated Mean Effective Pressure,IMEP)、循環(huán)變動率(Coefficient of Variation,COV)、泵氣損失(PMEP)等參數(shù)。用累計放熱量達(dá)到總放熱量90%時的曲軸轉(zhuǎn)角作為燃燒終點(diǎn)，50%時曲軸轉(zhuǎn)角作為燃燒重心，10%時曲軸轉(zhuǎn)角為燃燒起始點(diǎn)，分別用AI90、AI50、AI10表示。用AI90與AI10的差值表征燃燒持續(xù)期。

2 低壓EGR對燃燒的影響

選取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1，進(jìn)氣歧管壓力為175 kPa(絕對壓力，下同)、空燃比為14.7。保持進(jìn)氣壓力、點(diǎn)火角、VVT角度及空燃比一致，開啟EGR閥使EGR率分別為0%、5%、10%和15%，記錄發(fā)動機(jī)各運(yùn)行控制參數(shù)。

圖2顯示了EGR率對缸內(nèi)燃燒壓力的影響，圖中曲線為四個缸的平均缸壓隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。從中可以看出引入燃燒室內(nèi)EGR率的提升，缸壓峰值降低，同時缸壓峰值對應(yīng)的曲軸相位有相應(yīng)的延遲。這是因?yàn)橐环矫鍱GR的引入使得混合氣中加入了一定比例的CO2、H2O和 N2等雙原子及三原子氣體，其比熱容高于新鮮空氣，從而能夠吸收更多的燃燒熱量，降低缸內(nèi)溫度，延緩了燃燒火焰的傳播。另一方面，EGR廢氣的引入降低了缸內(nèi)氧氣比重，減少了氧氣與燃料的接觸幾率，導(dǎo)致燃燒化學(xué)反應(yīng)速率減緩，從而抑制了燃燒速率。兩個因素共同作用，使得燃燒速率減緩、燃燒重心推遲、燃燒持續(xù)期增長，缸內(nèi)燃燒溫度降低，缸內(nèi)壓力峰值降低。

圖2 2 000 r·min-1不同EGR率時缸內(nèi)壓力的變化

圖3和圖4是在上述2 000 r·min-1工況下，EGR率對燃燒相位、燃燒循環(huán)變動率和燃燒持續(xù)期的影響。從圖3可以看出，隨著EGR率的增大，燃燒重心推遲。AI50從30°CA推遲至50°CA，且EGR率大于10%后，推遲速率增加。COV從2.7%惡化為10.5%，燃燒穩(wěn)定性變差，說明EGR率增加對燃燒具有抑制作用。

圖3 2 000 r·min-1 EGR率對AI50及COV的影響

圖4表明了燃燒起始點(diǎn)、燃燒終點(diǎn)和燃燒持續(xù)期隨EGR率的變動趨勢，即EGR率越大，進(jìn)入氣缸的燃燒廢氣越多，燃燒起始點(diǎn)、終點(diǎn)有所滯后，燃燒持續(xù)期有所增加。相對而言，AI10的變化較小，從EGR率為0%時的21°CA升高到EGR為14%時的30°CA。而AI90和燃燒持續(xù)期的變動幅度較大，AI90從40°CA延遲到71°CA，燃燒持續(xù)期從9.5°CA變長至20.8°CA。因?yàn)閺U氣的引入既降低了氧氣的濃度，又使缸內(nèi)工質(zhì)的比熱容變大，降低了燃燒溫度，導(dǎo)致燃燒速度減慢，使燃燒持續(xù)期變長。

圖4 2 000 r·min-1時燃燒相位隨EGR率的變動趨勢

3 低壓EGR對燃油消耗率的影響

3.1 中低轉(zhuǎn)速時EGR對油耗的影響

選取2 000 r·min-1、BMEP分別為0.4 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa和1.6 MPa。對于同一負(fù)荷，引入不同比例的EGR廢氣后調(diào)整點(diǎn)火提前角、空燃比、節(jié)氣門開度、VVT、增壓器控制閥占空比等參數(shù)，使BMEP達(dá)到目標(biāo)值。同時，COV控制在3%以內(nèi)，空燃比保持盡量保持在14.7，如需加濃則控制渦前排氣溫度不超過930 ℃，調(diào)整點(diǎn)火提前角使AI50在8～10°CA或發(fā)動機(jī)處于爆震邊界。

圖5和圖6是2 000 r·min-1不同負(fù)荷時EGR率對油耗率的影響。總體來看隨著EGR的增加，發(fā)動機(jī)油耗率呈現(xiàn)先下降，EGR率達(dá)到一定程度后又呈現(xiàn)上升的趨勢。引入EGR廢氣會導(dǎo)致泵氣損失和燃燒特性變化，兩個因素共同作用產(chǎn)生了如圖5所示的趨勢。

圖5 2 000 r·min-1不同負(fù)荷時EGR率對油耗的影響

圖6 2 000 r·min-1不同負(fù)荷時的油耗變化率

2 000 r·min-1各負(fù)荷時，EGR率越高，發(fā)動機(jī)泵氣損失PMEP不斷降低(圖7)。這是因?yàn)镋GR 廢氣替代了一部分新鮮充量，若要保證相同的發(fā)動機(jī)負(fù)荷，需使缸內(nèi)進(jìn)入更多的新鮮充量，途徑即是增大節(jié)氣門開度，從而降低了泵氣損失，這有利于油耗率的降低。但在大負(fù)荷(1.8 MPa)時，節(jié)氣門已經(jīng)全開，主要依靠增大增壓器轉(zhuǎn)速增加進(jìn)氣量，在中低轉(zhuǎn)速時排氣背壓升高也不明顯，所以泵氣損失幾乎沒有變化。

圖7 2 000 r·min-1 EGR率對泵氣損失的影響

廢氣的稀釋和熱容效應(yīng)對燃燒有一定的抑制作用，使燃燒持續(xù)期變長，燃燒重心后移，通過調(diào)整點(diǎn)火提前角可以優(yōu)化點(diǎn)火重心，使燃燒相位更加提前。如負(fù)荷為0.8 MPa時，EGR率為0時AI50為11°CA，EGR率為20%時AI50可優(yōu)化至8°CA。此外，在大負(fù)荷時，EGR降低了缸內(nèi)溫度，有了減稀空燃比的空間，使其更加接近理論空燃比，大幅降低油耗。在負(fù)荷為1.8 MPa時為達(dá)到同樣的排氣溫度，EGR率為0時空燃比為12.5，而EGR率在6.7%時空燃比可減稀為13.6。燃燒特性優(yōu)化和泵氣損失降低的共同作用導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)油耗的降低。但是EGR率提高到一定程度后，發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性變差，燃燒效率降低，此時發(fā)動機(jī)油耗率增加。

與中高負(fù)荷相比，在小負(fù)荷應(yīng)用EGR時，所產(chǎn)生的節(jié)省油耗的效果不太明顯。BMEP為0.4 MPa和0.8 MPa時，最大節(jié)油率在3%左右，1.2～1.6 MPa卻能達(dá)到10%左右。這可能是因?yàn)樾∝?fù)荷時進(jìn)氣量少，引入EGR廢氣后節(jié)氣門開度變化不大，導(dǎo)致泵氣損失的減小不明顯，同時燃燒相位的優(yōu)化空間也較小。

3.2 高轉(zhuǎn)速時EGR對油耗的影響

選取4 400 r·min-1、BMEP分別為0.4 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa和1.6 MPa，試驗(yàn)方法及條件如3.1所述。

圖8和圖9是4 400 r·min-1不同負(fù)荷時EGR率對油耗率的影響。油耗率的變化趨勢和2 000 r·min-1時相同：隨著EGR率的增加，發(fā)動機(jī)油耗率呈現(xiàn)先下降，EGR率達(dá)到一定程度后又上升的趨勢。其原因是隨EGR率的升高，發(fā)動機(jī)燃燒特性和泵氣損失發(fā)生變化，兩者共同作用導(dǎo)致油耗率的變化。當(dāng)EGR率提高到一定程度，燃燒變差導(dǎo)致油耗率反而上升。

圖8 4 400 r·min-1不同負(fù)荷時EGR率對油耗的影響

圖9 4 400 r·min-1不同負(fù)荷時的油耗變化率

圖10是4 400 r·min-1各負(fù)荷時泵氣損失隨EGR率的變化趨勢。4 400 r·min-1中小負(fù)荷時(0.4～1 MPa)，隨EGR率的增大，泵氣損失基本無變化。因廢氣進(jìn)入氣缸后需要增加進(jìn)氣量，增大節(jié)氣門開度。雖然減小了進(jìn)氣節(jié)流損失，但進(jìn)氣量增加導(dǎo)致排氣背壓增大，使排氣阻力增大明顯，兩者的共同作用使泵氣損失基本不變。大負(fù)荷時(1.2 MPa及以上)，泵氣損失隨EGR率的升高而增大。這是用于大負(fù)荷時節(jié)氣門已經(jīng)全開，進(jìn)氣量的增加完全是增壓器轉(zhuǎn)速上升的結(jié)果，排氣背壓明顯升高與2 000 r·min-1時的規(guī)律相同，4 400 r·min-1時小負(fù)荷工況下EGR率升高對降低油耗的作用不如中高負(fù)荷時顯著。在0.4 MPa時，油耗降低率最高只用1.9%；0.8 MPa時有3.8%，而1.6 MPa時能達(dá)到18.8%。因?yàn)樵谥懈哓?fù)荷引入廢氣后，不僅可以優(yōu)化燃燒相位，而且有較大的減稀空燃比的余量。

圖10 4 400 r·min-1時EGR率對泵氣損失的影響

4 混合閥對EGR率及油耗影響

在大負(fù)荷工況時排氣背壓較高，只需通過開啟EGR閥就可引入足夠的EGR廢氣，起到優(yōu)化油耗的作用。而低轉(zhuǎn)速中小負(fù)荷工況下，發(fā)動機(jī)排氣溫度和壓力都較低，無法順利將廢氣從催化器后引入進(jìn)氣歧管。需在空濾后、EGR廢氣匯入點(diǎn)前設(shè)置一個混合閥。

試驗(yàn)第一步，在發(fā)動機(jī)1 000～4 000 r·min-1時先保持混合閥處于全開狀態(tài)(即混合閥不起節(jié)流作用)，只通過EGR閥不斷增大EGR率，調(diào)整各項參數(shù)至最優(yōu)后記錄各工況下EGR率及最優(yōu)油耗數(shù)據(jù)。第二步，記錄混合閥起作用時的最優(yōu)油耗數(shù)據(jù)。重復(fù)第一步工作，但當(dāng)EGR閥開度到100%時，若EGR率還有進(jìn)一步加大的空間(COV不超過3%)，則通過調(diào)節(jié)混合閥繼續(xù)增大EGR率，優(yōu)化各項參數(shù)后記錄EGR率及最優(yōu)油耗率。

圖11是混合閥應(yīng)用前后最優(yōu)油耗變化率，圖中數(shù)值為正表明使用混合閥后油耗率降低?；旌祥y在1 000～1 600 r·min-1、0.6～1.0 MPa工況下作用較為明顯，油耗率降幅最大5.3%，因?yàn)樵摴r下混合閥的關(guān)閉使管路中形成負(fù)壓，可以吸入排放廢氣，進(jìn)一步提高EGR率，從而降低油耗率。在各轉(zhuǎn)速小負(fù)荷(0.2～0.4 MPa)工況下，其進(jìn)氣量少且燃燒穩(wěn)定性較差。若引入EGR率低，則無明顯降低油耗效果；引入較大EGR率時燃燒又會急劇惡化，所以該工況下混合閥作用不明顯。在更大負(fù)荷或更高轉(zhuǎn)速時(1 600 r·min-1以上)，排氣背壓較高，不借助混合閥就足以實(shí)現(xiàn)所需的EGR率。綜上，在本研究中混合閥的介入，在低速中小負(fù)荷(1 000～1 600 r·min-1，0.6～1 MPa)工況，對降低油耗的作用比較明顯，最大降幅5%。

圖11 混合閥應(yīng)用前后最優(yōu)油耗變化率

5 EGR對排放性的影響

本文在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1，負(fù)荷1.4 MPa的工況下研究了EGR對發(fā)動機(jī)NOx和HC排放影響，引入不同比例的EGR廢氣后調(diào)整點(diǎn)火提前角、空燃比、節(jié)氣門開度、VVT等參數(shù)，使BMEP達(dá)到目標(biāo)值。試驗(yàn)結(jié)果如圖12，隨著EGR率的提高，發(fā)動機(jī)排氣溫度隨之降低，排放物中NOx大幅降低，降幅達(dá)到73%；而HC濃度有所升高，升高率可達(dá)38%。

圖12 EGR率對排放和排氣溫度的影響

排氣溫度的降低主要是EGR廢氣進(jìn)入混合氣后燃燒受到抑制，最高燃燒溫度相應(yīng)降低的結(jié)果。汽油機(jī)排放的NOx中占大多數(shù)的是NO，NO2濃度甚至可以忽略不計。高溫、富氧是產(chǎn)生NO的原因[12]。燃燒溫度的降低抑制了NOx生成，而EGR廢氣對混合氣的稀釋作用抑制了富氧條件的產(chǎn)生。所以NOx濃度大幅降低。

但燃燒溫度的降低，使燃燒室壁面對火焰的冷卻作用加強(qiáng)，火焰?zhèn)鞑サ奖诿婧笕紵磻?yīng)鏈中斷，提高了未燃HC的含量。另外，排氣溫度降低也減弱了未燃HC在管路中的氧化反應(yīng)，導(dǎo)致排氣中HC濃度升高。

6 結(jié)論

隨EGR率的增加，使燃燒速率減緩、燃燒重心推遲、燃燒持續(xù)期增長，缸內(nèi)燃燒溫度降低，缸內(nèi)壓力峰值降低。

低壓EGR的應(yīng)用對降低油耗有著積極作用。2 000 r·min-1和4 400 r·min-1各負(fù)荷下隨著EGR率的增加，油耗率先降低后上升。低壓EGR對降低油耗率的作用，在小負(fù)荷時較小，在中大負(fù)荷較大。低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速EGR率對發(fā)動機(jī)泵氣損失的影響作用也有所不同。

混合閥的介入，在低速中小負(fù)荷(1 000～1 600 r·min-1，0.6 MPa)工況，對降低油耗有所益處。在上述工況下，相比于不采用混合閥時的最優(yōu)油耗，使用混合閥后的最優(yōu)油耗有最大5.3%降幅。

研究工況下，隨EGR率的提高，NOx排放降低，而HC排放升高。NOx排放降低幅度大(最大降低73%)，HC排放升高幅度較小(最大升高38%)。此時EGR廢氣的引入對NOx和HC排放產(chǎn)生相反的影響作用，需要在實(shí)際中權(quán)衡。