殘余廢氣系數對缸內直噴發動機熱-功轉換過程影響研究

尹東升 代國勇 劉長峰 邵聰慧 馬喆

摘 要：為研究殘余廢氣系數對缸內直噴發動機熱-功轉換過程影響，基于一臺1.5L的缸內直噴發動機進行試驗。試驗工況為：n=1700r/min，BMEP=10bar、n=2200r/min，BMEP=10bar、n=3000r/min，BMEP=10bar;研究結果表明：適當的殘余廢氣系數可提前CA50位置、PCP位置，延長燃燒持續期，增加COVIMEP，但均可提高發動機的熱效率，與高轉速工況相比，低轉速工況熱效率改善效果更為明顯。

關鍵詞：殘余廢氣系數;缸內直噴型發動機;熱效率

中圖分類號：U464 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）20-109-03

Abstract： In order to study the influence of residual exhaust gas coefficient on the heat-to-work conversion process of a direct-injection cylinder engine， based on a 1.5L direct-injection cylinder engine Conduct the test. The test conditions are： n=1700r/min， BMEP=10bar， n=2200r/min. BMEP=10bar， n=3000r/min， BMEP=10bar; the results of the study showed that the appropriate The residual exhaust gas factor can advance the CA50， PCP position， increase the combustion duration， COVIMEP， but can enhance the Engine thermal efficiency， Compared with the high speed condition， the thermal efficiency improvement is more obvious in the low speed condition.

Keywords： Residual exhaust gas coefficient; Direct injection engine; Thermal efficiency

CLC NO.： U464 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-109-03

1 引言

廢氣再循環技術最早應用于柴油機，主要目的是為了降低排氣污染物中的NOx。現如今，國家號召節能減排。為響應國家號召，提升發動機熱效率，提高發動機燃油經濟性，廢氣再循環技術逐漸進入汽油機開發人員視野。

為研究殘余廢氣系數對汽油機性能的影響，研發人員已經做了大量準備工作。Konstantinos Siokos等人的研究表明：適當的殘余廢氣系數可降低汽油機的節流損失，且EGR冷卻器具有不可替代的作用[1]。Kumano等人的研究表明：隨著殘余廢氣系數的增加，發動機爆震傾向逐漸減弱，且發動機排氣溫度明顯降低[2]。Jinyoung Cha等人的研究表明：隨著殘余廢氣系數的增加，發動機燃燒穩定性降低，導致發動機性能降低和排放惡化[3]。Haiqiao Wei等人的研究結果表明：通過比較廢氣再循環技術在缸內直噴汽油機和傳統汽油機的性能影響，得出廢氣再循環技術和缸內直噴發動機相結合是汽油機的未來發展趨勢[4]。

基于上述研究成果和理論的分析，本試驗使用一臺排量為1.5L的缸內直噴汽油機，以探究殘余廢氣系數對缸內直噴汽油機熱-功轉換過程影響。

2 試驗

2.1 臺架試驗

為了探究殘余廢氣系數對高壓縮比缸內直噴發動機熱-功轉換過程的影響，基于一臺試制的高壓縮比缸內直噴發動機開展穩態臺架試驗。

在此次試驗中，使用Hoffman臺架采集臺架數據，試驗機帶有缸壓火花塞，通過AVL燃燒分析儀采集燃燒數據，以探究殘余廢氣系數對燃燒的影響，同時搭配HORIBA排放分析儀采集排放數據，以計算殘余廢氣系數。

2.2 試驗工況

在此試驗中，通過改變EGR閥門開度，以控制殘余廢氣系數。考慮到乘用車常用行駛工況，為了使試驗結果更具有現實意義，在此試驗中，選取以下工況為：n =1700r/min，BMEP =10bar;n=2200r/min，BMEP=10bar;n=3000r/min，BMEP=10bar。隨著閥值增加，殘余廢氣系數逐漸增加，直至循環變動系數COV>3%，或發動機出現扭矩波動時，認為此時殘余廢氣系數已經達到最大。

3 殘余廢氣系數對發動機熱-功轉換過程影響分析

3.1 放熱量50%對應的曲軸轉角（CA50）

圖1顯示了殘余廢氣系數對放熱量50%對應的曲軸轉角（CA50）的影響。CA50是衡量缸內混合氣燃燒時刻早晚的關鍵參數。根據經驗值，通常CA50處于上止點后6～8°之間，可認為混合氣燃燒時刻較為合適。若混合氣提早或滯后燃燒，均會降低發動機熱效率。

從圖中可以看出，對于n=1700r/min，BMEP=10bar;n=2200r/min，BMEP=10bar工況點，隨著殘余廢氣系數的增加，CA50其更為靠近上止點。這可歸因于發動機排放氣體中存在惰性燃燒反應產物，當與汽油混合氣混合時，降低了燃燒室內O2的濃度，這將降低燃燒反應速率。燃燒后氣體熱容較高，在燃燒反應中可以吸收大量的熱量。隨著殘余廢氣系數的增加，抑制了發動機爆震的產生，使發動機最佳點火角（MBT）提前。

但對于n=3000r/min，BMEP=10bar工況點，從圖中可以看出，隨著殘余廢氣系數的增加，CA50基本無變化。這可歸因于缸內著火延遲期僅與燃料本身物理性質有關，不會隨發動機轉速變化而改變。因此，MBT更為提前，通過增加MBT以減少燃燒生成物對燃燒的影響，因此，對于此工況點，隨著殘余廢氣系數的增加，CA50基本無變化。

3.2 燃燒持續期（CA10-CA90）

圖2顯示了殘余廢氣系數對燃燒持續期的影響。通常，將CA10～CA90經歷的曲軸轉角定義為燃燒持續期。燃燒持續期是表征發動機缸內燃燒快慢的關鍵參數。

從圖中可以看出，對于高轉速工況點，隨著殘余廢氣系數的增加，燃燒持續期增加，這可歸因于隨著殘余廢氣系數的增加，惰性氣體成分降低了缸內火焰傳播速度。因此導致燃燒持續期延長。

但對于n=1700r/min，BMEP=10bar工況點，隨著殘余廢氣系數的增加，燃燒持續期基本無變化。這可歸因于雖然廢氣中的惰性成分會降低缸內火焰傳播速度，但通過增加MBT或增加缸內氣體密度等措施，提高發動機火焰傳播速度。因此燃燒持續期基本沒有變化。

3.3 最大爆發壓力對應的曲軸轉角（PCP）

圖3顯示了殘余廢氣系數對缸內最大爆發壓力對應的曲軸轉角（PCP）的影響。缸內最大爆發壓力對應的曲軸轉角是對燃燒時刻和燃燒速度的一種側面表征。大量試驗數據表明，當PCP位置處于上止點后12～15°時，此時發動機的能量轉換效率最高。

從圖中可以看出，對于n=1700r/min，BMEP=10bar;n= 2200r/min，BMEP=10bar工況點，隨著殘余廢氣系數的增加，PCP位置從上止點后19°左右降低到14°左右。這可歸因于通過增加MBT或缸內氣體密度等措施，較為明顯的改善其燃燒過程，使PCP位置更為靠近上止點。

但對于n=3000r/min，BMEP=10bar工況點，隨著殘余廢氣系數的增加，PCP位置不變，且處在上止點后12～15°之間，這可歸因于其通過增加MBT或缸內氣體密度等措施改善缸內燃燒過程較為有限，無法進一步優化。因此，PCP位置基本不變。

3.4 指示平均有效壓力對應的循環變動系數（COVIMEP）

圖5顯示了殘余廢氣系數對指示平均有效壓力對應的循環變動系數（COVIMEP）的影響。循環變動系數是衡量數據離散程度的重要指標。理論上，COVIMEP越低，意味著發動機轉矩波動性越小，發動機運轉越平穩。

從圖中可以看出，對于n=1700r/min，BMEP=10bar;n= 2200r/min，BMEP=10bar工況點，隨著殘余廢氣系數的增加，COVIMEP略有增加。這可歸因于此時發動機轉速較低，通過增加MBT或缸內氣體密度等措施，對發動機缸內燃燒過程優化較為明顯，CA50、CA10～CA90、PCP處于較佳位置，因此COVIMEP略有增加，發動機運轉較為穩定。

但對于n=3000r/min，BMEP=10bar工況點，隨著殘余廢氣系數的增加，COVIMEP呈現增長趨勢。這可歸因于此時發動機轉速較高，爆震傾向較低，通過增加MBT或缸內氣體密度等措施對改善缸內燃燒過程的作用較為有限，火焰傳播速度降低，燃燒持續期增加，因此COVIMEP呈現增長趨勢，發動機運轉波動性較大。

3.5 發動機的熱-功轉換效率（η）

圖5顯示了殘余廢氣系數對發動機的熱-功轉換效率（η）的影響。發動機的熱-功轉換效率又稱熱效率，是衡量發動機經濟性的重要指標。提升發動機熱效率是發動機開發人員的最終目標。一方面，提升熱-功轉換效率可以降低對石油等不可再生能源的依賴，另一方面，降低碳排放對于改善地球溫室效應具有重要意義。

從圖中可以看出，對于n=1700r/min，BMEP=10bar;n= 2200r/min，BMEP=10bar;n=3000r/min，BMEP=10bar工況點，隨著殘余廢氣系數的增加，熱效率均有改善。其中，n=1700r/min，BMEP=10bar工況點熱效率的改善最為明顯。這可歸因于通過對發動機運行因素的干預，對CA50、CA10～CA90、PCP等參數改善較大，從而優化缸內燃燒過程，提升發動機熱效率。

對于n=3000r/min，BMEP=10bar工況點，隨著殘余廢氣系數的增加，熱效率改善較小，這可歸因于雖然殘余廢氣系數系數的增加，延長了燃燒持續期和COVIMEP，給燃燒帶來了不利的影響。但與此同時降低了缸內燃燒溫度，降低了發動機冷卻損失和排氣損失，因此，發動機熱效率略有改善。

4 結論

（1）隨著殘余廢氣系數的增加，對于低轉速工況點，CA50%位置、PCP位置更為靠近上止點，燃燒持續期略有增加;對于高轉速工況點，CA50%位置、PCP位置變化并不明顯，燃燒持續期明顯增加。

（2）隨著殘余廢氣系數的增加，不同工況點的指示平均有效壓力對應的循環變動系數均有所增加。對于低轉速工況點，增加趨勢較低。

（3）隨著殘余廢氣系數的增加，不同工況點的熱-功轉換效率均有所改善。對于低轉速工況點，熱效率的改善更為明顯。

參考文獻

[1] Konstantinos Siokos， Rohit Koli， Robert Prucka， Jason Schwanke and Julia Miersch. Assessment of Cooled Low Pressure EGR in a Turbocharged Direct Injection Gasoline Engine. SAE International Journal of Engines， Vol. 8， No. 4 （September 2015）， pp. 1535-1543.

[2] Kumano， K.and Yamaoka， S. Analysis of Knocking Suppression Effect of Cooled EGR in Turbo-Charged Gasoline Engine. SAE Technical Paper 2014-01-1217，2014.

[3] Jinyoung Cha， Junhong Kwon， Youngjin Cho & Simsoo Park. The effect of exhaust gas recirculation （EGR） on combustion stability， engine performance and exhaust emissions in a gasoline engine. KSME International Journal volume 15， pages 1442-1450（2001）.

[4] Haiqiao Wei， Tianyu Zhu， Gequn Shu， Linlin Tan， Yuesen Wang. Gasoline engine exhaust gas recirculation-A review. Applied Energy， Volume 99， November 2012， Pages 534-544.