壓縮比及EGR對直噴米勒循環汽油機性能影響的試驗研究

李云虹，杜家坤，秦博，陳泓，江梟梟，李艮坤

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

為應對全球能源危機及環境污染，節能減排已成為了汽車工業發展的必然趨勢。發動機小型化，是指通過提高平均有效壓力來降低氣缸容積而保持功率不變，或者提高功率和扭矩而不增加氣缸容積，同時提高發動機效率。發動機小型化是目前最有前途的用來改善油耗及滿足排放法規的方法之一[1]。為了保證小型化發動機正常的功率和扭矩輸出，增加壓縮比是最有效的手段之一[2-4]，但同時會增加缸內燃燒溫度，爆震傾向加劇，一定強度的爆震，會導致發動機各組件磨損嚴重，扭矩和功率迅速下降。對性能直接的影響是造成點火時刻的推遲，燃燒相位推遲，進而造成燃燒惡化，限制了壓縮比增加對汽油機中高負荷熱效率和油耗的改善效果。目前已有研究表明，通過提高空燃比和引入EGR等途徑可有效抑制爆震的發生[5]。Cairns等[6-7]的試驗證明，在有效抑制爆震的基礎上，部分負荷工況下發動機使用更高的壓縮比，能使發動機實現更大的熱效率。

廢氣再循環(EGR)技術作為降低NOx排放最有效的手段[8]，在柴油機國Ⅳ和國Ⅴ階段已經被大量應用。隨著汽油機小型化的發展，一些先進的柴油機技術已經被逐步應用到汽油機的發展上。引入EGR，可提高缸內工質的比熱容，進而降低缸內燃燒溫度，可大幅度降低NOx排放，同時可緩解爆震傾向，降低排氣溫度，從而燃燒相位提前，彌補了壓縮比增加導致點火推遲的不利影響，有效實現燃油經濟性的提升。Diana等[9]利用EGR的稀釋作用，將汽油機的壓縮比提高到了13.5。Grandin等[10]將渦輪增壓與EGR技術相結合，發現EGR技術可在提高平均有效壓力(BMEP)或壓縮比(CR)的情況下有效地抑制爆震。Shojaeefard等[11]基于GT-Power研究了EGR在渦輪增壓汽油機高負荷下對爆震和油耗的影響，結果表明，EGR能有效抑制爆震，并能大大降低燃油消耗及CO、NOx排放。

高壓縮比可有效提高汽油機的熱效率，但容易引發爆震，而EGR可在降低排放的同時有效地抑制爆震，兩種技術路線相耦合對燃油經濟性和排放的綜合影響目前研究較少，因此，本研究基于一臺1.5 L的汽油機，研究了壓縮比和EGR耦合對發動機燃燒性能和排放的影響。

1 試驗研究平臺和試驗條件

1.1 試驗裝置與測試設備

試驗用發動機為一臺排量1.5 L的缸內直噴汽油機，EGR系統采用催化器后取氣引入壓氣機前的低壓EGR方案，并對EGR進行冷卻，通過節流閥和EGR閥控制EGR率。試驗發動機的基本參數見表1。

表1 發動機主要參數

試驗中發動機壓縮比的提升是通過增加活塞頂高度，即縮小活塞上止點位置時活塞頂距缸蓋的距離實現的。同時，為實現米勒循環燃燒，對奧托循環發動機進氣凸輪軸進行重新設計，通過減小進氣凸輪包角并配合降低氣門升程實現進氣門提前關閉，形成米勒(EIVC)效應。試驗中所選凸輪軸方案見圖1。

圖1 試驗用發動機進氣凸輪軸對比

試驗臺架所用測功機為奧地利AVL電力測功機，采用AVL 735S油耗儀測量發動機燃油消耗量，配有753C油溫控制裝置,缸內壓力測量采用Kistler 6115B型缸壓傳感器，利用AVL INDICOM燃燒分析儀進行數據采集及處理分析，發動機原始排放(CO，HC，NOx，CO2，O2等)通過HORIBA MEXA-7100DEGR進行測量。EGR率基于進排氣CO2濃度進行計算：

(1)

式中：CO2in為經過再循環廢氣稀釋后進氣中的CO2體積分數；CO2exh為排氣中的CO2體積分數；CO2amb為大氣環境中的CO2體積分數。

1.2 試驗研究方案

選取發動機典型的特征工況點，針對EGR及壓縮比對發動機燃燒及排放的影響開展試驗研究，試驗工況點選取見圖2。試驗過程中點火角均設定在MBT位置，同時對于不同負荷工況，均通過調節配氣相位以達到對應最優油耗水平。對于渦輪增壓汽油機，EGR的引入必然會帶來增壓器工作效率的變化，針對EGR進行對比時，EGR閥處于全開狀態，結合進排氣管壓差、管路壓損、增壓器工作狀態及混合氣加濃等發動機實際運轉因素的影響，綜合評價EGR對增壓直噴汽油機整體性能的影響程度。

圖2 試驗工況的選取

2 試驗結果及分析

2.1 壓縮比對發動機燃燒特性的影響

圖3示出發動機在中等轉速(3 000 r/min)不同負荷工況條件下，壓縮比對發動機燃燒特征參數的影響規律。從圖3中可以看出，發動機中等轉速條件下，壓縮比對發動機不同負荷工況燃燒過程的影響存在顯著差異。主要原因在于，壓縮比的提升可有效提高壓縮沖程末期缸內溫度及壓力，燃料與空氣所形成的可燃混合氣熱力狀態得到改善，化學反應速率加快，缸內最高燃燒壓力升高，可燃工質做功能力增強，燃油消耗率有所降低。受限于發動機的爆震特性，中高負荷工況下，提高壓縮比會導致燃燒相位(AI50)有所推遲。對于低負荷工況，壓縮比的提升對燃燒相位影響不明顯，但燃燒持續期(AI10-90)有所延長，燃燒等容度降低。主要原因在于，對于缸內直噴汽油機，燃燒速度不僅受缸內混合氣濃度場分布的影響，而且對燃燒過程缸內湍動能分布更為敏感。試驗中增加壓縮比后，缸內活化氛圍及熱氛圍改善，滯燃期縮短。為保證燃燒相位處于適宜位置，需適當推遲點火時刻，由于湍動能耗散的影響，推遲點火時刻會使燃燒過程缸內湍動能分布出現差異，進而導致燃燒持續期有所縮短。

圖3 發動機壓縮比對燃燒特征參數的影響

圖4示出不同壓縮比下燃油消耗率及泵氣損失特性對比。由圖可知，增大壓縮比有助于改善中、低負荷工況下的燃油消耗率，但對于高負荷工況改善效果有所減弱。中等以下負荷工況，通過提高壓縮比，泵氣損失均有不同程度改善，且平均有效壓力0.8 MPa附近改善效果更為明顯，但隨負荷繼續升高，泵氣損失有所增加。綜合缸內燃燒壓力、燃燒相位及泵氣損失等多方面影響因素，在中、低負荷工況下提高壓縮比可使燃油消耗率進一步降低。

圖4 不同壓縮比下燃油消耗率及泵氣損失特性

為進一步揭示壓縮比對發動機燃油經濟性的影響規律，針對發動機不同轉速外特性工況燃油消耗率進行對比分析(見圖5)。由圖5可見，不同壓縮比條件下，隨轉速升高，發動機燃油消耗率均呈現先減小后升高的趨勢，主要原因在于隨轉速升高，活塞運動速度增加，進氣沖程中新鮮工質流過氣門流速增大，缸內滾流強度升高，更高的滾流強度有助于壓縮沖程末期缸內高強度湍流的形成，改善湍流燃燒速率，一定程度上抑制爆震傾向。但轉速過高易導致發動機運動件摩擦副摩擦功增大，摩擦損失增加，燃油消耗率有所升高。對比不同壓縮比情況可以發現，在外特性工況，與中等負荷工況不同，高壓縮比限制了油耗的進一步改善。主要原因在于，由于爆震的限制，過高的壓縮比會導致燃燒相位進一步推遲，燃燒過程更多地在排氣沖程進行，此時活塞下行，做功能力減弱，熱功轉化效率降低，燃油消耗率有所升高。

圖5 不同轉速外特性工況下壓縮比對燃油消耗率的影響

2.2 EGR技術對發動機燃燒和排放的影響

前期研究表明，提高壓縮比有助于改善熱效率，但會導致發動機爆震傾向增大。為進一步改善發動機爆震特性，采用冷卻EGR技術改變進氣工質屬性，研究EGR率對發動機燃燒及排放的影響規律。圖6示出EGR率對發動機典型特征工況燃燒相位(AI50)、燃燒持續期(AI10-90)的影響規律。從圖中可以看出，引入EGR后，燃燒相位均有不同程度的提前，燃燒持續期有所延長，且不同運轉條件下引入EGR后對燃燒特征參數的影響程度存在一定差異。在中等轉速中等負荷工況下，燃燒相位變動幅度可達8°，而在低速低負荷工況，燃燒相位變化不大。主要原因在于再循環的廢氣中含有大量的CO2、N2、NO、H2O等[12-13]，將其引入缸內會導致混合氣比熱容的增加，缸內燃燒溫度降低，同時混合氣中的O2濃度降低，燃料分子與氧分子微觀碰撞速率降低，燃燒化學反應速率變慢，進一步抑制末端混合氣的自燃傾向，從而對爆震有一定的改善效果，使得AI50可進一步提前，但燃燒反應速率變慢導致了燃燒持續期延長。

圖6 AI50和AI10-90隨負荷的變化規律

圖7示出發動機不同負荷下EGR對燃油消耗率和NOx排放的影響對比。小負荷工況下EGR的引入比較困難，通過增加EGR來減少泵氣損失的效果非常有限，同時小負荷工況沒有爆震問題，通過增加EGR優化燃燒相位抑制爆震的效果不明顯，因此EGR在小負荷工況下對油耗的改善效果較小。但在中等負荷及大負荷工況，EGR的稀釋效應一方面降低了缸內平均溫度，發動機傳熱損失減少，另一方面通過抑制爆震，使得燃燒過程整體提前，有利于熱功轉化，燃油經濟性得到明顯改善。其中，2 000 r/min，平均有效壓力為0.2 MPa時燃油消耗率較無EGR狀態降低約0.6%，而對于3 000 r/min，平均有效壓力為1.4 MPa及5 500 r/min外特性工況點，較無EGR狀態分別改善約6.9%及5.4%。

圖7 燃油消耗率和NOx排放隨負荷的變化規律

由圖7還可以看出，引入EGR后，由于燃燒溫度的降低，NOx排放明顯下降。對比圖8 THC及CO的變化規律可以發現，由于缸內氧濃度及燃燒溫度的降低，中低負荷工況EGR的引入均會導致未燃HC及CO排放的增加，但在高速外特性工況，由于引入EGR后能夠降低排氣溫度，有助于避免由于排溫過高而采取的混合氣加濃，對燃油經濟性及未完全燃燒產物排放均有益處。

圖8 THC和CO排放隨負荷的變化規律

2.3 EGR耦合高壓縮比對燃燒和排放的影響

為進一步分析高壓縮比結合EGR對發動機性能的影響，針對不同壓縮比條件下EGR對燃油消耗率的改善率進行對比分析。由圖9可以看出，高壓縮比情況下，由于發動機爆震區間增大，EGR對爆震抑制的作用范圍有所擴展，中低轉速條件下，平均有效壓力為0.5 MPa時，通過引入EGR，可使燃油消耗率改善約1%。同時，EGR對燃燒過程的強作用區逐漸向高速高負荷方向遷移，并最終使發動機在3 250 r/min，平均有效壓力為1.4 MPa時燃油消耗率由215 g/(kW·h)降低至213 g/(kW·h)。此時，綜合高壓縮比時的油耗潛力和EGR對爆震的抑制能力，使得燃燒過程得到進一步優化，燃油經濟性得到改善。

圖9 不同壓縮比下EGR對燃油消耗率的改善率分布

3 結論

a) 提高壓縮比有助于改善中低負荷工況燃油經濟性，對于3 000 r/min，平均有效壓力為0.2 MPa的典型特征工況點，壓縮比提升一個單位后，燃油消耗率降低達5.7%；

b) 提高壓縮比對于大負荷工況的燃油消耗率改善效果不明顯，尤其對于外特性工況，由于爆震的限制，提高壓縮比會導致油耗明顯惡化；

c) 通過引入再循環廢氣，可優化燃燒過程，降低NOx排放，并抑制爆震的發生；中等轉速中等負荷工況下，引入20%EGR后可使燃油消耗率降低達6.9%，但對于2 000 r/min，平均有效壓力為0.2 MPa的特征工況，油耗改善不明顯；

d) 提高壓縮比并結合EGR，可擴大EGR的作用負荷工況范圍，進一步改善燃油經濟性，并維持低的NOx排放。