低壓冷卻EGR應用于增壓汽油機的試驗研究

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

汽車產業迅猛發展在給人們帶來便利、促進經濟發展的同時，也產生了相關環境和能源問題[1]。在汽油機研究領域，降低油耗和排放是熱點之一，增壓技術的應用可以顯著提高汽油機升功率，降低燃油消耗[2]。但增壓汽油機容易發生爆震且熱負荷較高，對汽油機節能減排產生不利影響[3]。較高的爆震傾向需要通過降低壓縮比或推遲點火提前角去抑制，但會降低發動機的熱效率和燃燒效率；汽油機熱負荷高導致在大負荷及高速區域需加濃混合氣，從而使油耗率升高排放和性能變差。合理引入廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation，EGR)是解決上述問題的重要技術手段。EGR就是將發動機廢氣引入氣缸內再次參與發動機循環，利用廢氣高熱比、稀釋新鮮空氣的作用減緩燃燒速率，達到降低缸內溫度的目的。從而降低氮氧化物(NOx)污染物排放，抑制早燃和爆震。此外，在部分負荷使用EGR后可以適當增大節氣門開度提高進氣壓力，由此降低泵氣損失提高燃油經濟性[4]。目前已有一些EGR技術運用于汽油機的理論研究和實踐應用[5-7]。EGR系統可分為內部EGR和外部EGR兩種方式來實現循環。內部EGR是通過擴大氣門重疊角來實現的。但它要犧牲功率和燃油消耗，其控制和調節沒有外部EGR方便靈活。外部EGR 即將排氣管中部分廢氣經外部管路引入進氣管參與再燃燒[8]。外部EGR又可分為高壓EGR和低壓EGR。高壓EGR廢氣從渦輪機前引出，在壓氣機前引入。其會導致通過渦輪機的排氣流量大幅度減少，從而不能給壓氣機提供足夠的能量。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，從壓氣機前引入。相對來說，低壓循環更適合于汽油機。利用EGR閥，使管路兩端有足夠的壓差，可以實現高比例的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]。

本試驗基于現有渦輪增壓發動機，對其進行低壓EGR系統改造。通過引入不同比例的EGR廢氣，對比研究了低壓EGR對發動機燃燒、動力性、經濟性和排放性的影響。同時針對現有文獻中低速低負荷區域EGR難以應用的問題，驗證了混合閥的作用。根據試驗結果，對低壓EGR系統在發動機整個運行工況中應用做了研究。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗用發動機及外部EGR裝置

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

表1 發動機主要參數

1.2 發動機試驗臺架布置

發動機試驗臺架系統布置如圖1所示。催化器后的廢氣經過冷卻器后與新鮮空氣混合，進入壓氣機，引入廢氣量由EGR閥控制。在進氣歧管和催化器后廢氣取氣點處設置測點，測量此兩處的二氧化碳(CO2)濃度。由于在低轉速及部分負荷時，取氣點壓力較小，為使此工況下EGR廢氣能被順利引入進氣系統，需要在空濾后、EGR閥前設置一個節流閥(下稱混合閥)，混合閥處于常開狀態?？赏ㄟ^調節混合閥開度，使管路中產生一定的真空度，將廢氣吸入進氣管路中。

圖1 發動機試驗臺架系統布置示意圖

EGR冷卻器進出氣口處設置溫度壓力測點，監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，太低則會產生冷凝水腐蝕EGR閥及下游管路，在冷卻器進出氣口處安裝溫度傳感器監測冷卻器的狀態。發動機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。

1.3 試驗主要設備及控制條件

發動機臺架試驗使用的主要設備見表2。試驗中控制環境溫度為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 ℃，發動機冷卻液溫度88±5 ℃,渦前排氣溫度不超930 ℃，進氣歧管壓力不高于240 kPa。

表2 主要試驗設備

1.4 相關計算公式

本文中采用公式(1)計算實測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。

缸內平均有效壓力(BMEP，MPa)通過公式(2)[11]計算

(2)

式中τ——發動機沖程數/4；

Ttq——發動機輸出扭矩/N·m；

i——缸數，該發動機為4；

V——為發動機氣缸工作容積/m3。

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

2 低壓EGR對燃燒的影響

選取發動機轉速2 000 r·min-1，進氣歧管壓力為175 kPa(絕對壓力，下同)、空燃比為14.7。保持進氣壓力、點火角、VVT角度及空燃比一致，開啟EGR閥使EGR率分別為0%、5%、10%和15%，記錄發動機各運行控制參數。

圖2顯示了EGR率對缸內燃燒壓力的影響，圖中曲線為四個缸的平均缸壓隨曲軸轉角的變化。從中可以看出引入燃燒室內EGR率的提升，缸壓峰值降低，同時缸壓峰值對應的曲軸相位有相應的延遲。這是因為一方面EGR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氧氣比重，減少了氧氣與燃料的接觸幾率，導致燃燒化學反應速率減緩，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、燃燒持續期增長，缸內燃燒溫度降低，缸內壓力峰值降低。

圖2 2 000 r·min-1不同EGR率時缸內壓力的變化

圖3和圖4是在上述2 000 r·min-1工況下，EGR率對燃燒相位、燃燒循環變動率和燃燒持續期的影響。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、燃燒終點和燃燒持續期隨EGR率的變動趨勢，即EGR率越大，進入氣缸的燃燒廢氣越多，燃燒起始點、終點有所滯后，燃燒持續期有所增加。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和燃燒持續期的變動幅度較大，AI90從40°CA延遲到71°CA，燃燒持續期從9.5°CA變長至20.8°CA。因為廢氣的引入既降低了氧氣的濃度，又使缸內工質的比熱容變大，降低了燃燒溫度，導致燃燒速度減慢，使燃燒持續期變長。

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。對于同一負荷，引入不同比例的EGR廢氣后調整點火提前角、空燃比、節氣門開度、VVT、增壓器控制閥占空比等參數，使BMEP達到目標值。同時，COV控制在3%以內，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 ℃，調整點火提前角使AI50在8～10°CA或發動機處于爆震邊界。

圖5和圖6是2 000 r·min-1不同負荷時EGR率對油耗率的影響?？傮w來看隨著EGR的增加，發動機油耗率呈現先下降，EGR率達到一定程度后又呈現上升的趨勢。引入EGR廢氣會導致泵氣損失和燃燒特性變化，兩個因素共同作用產生了如圖5所示的趨勢。

圖5 2 000 r·min-1不同負荷時EGR率對油耗的影響

圖6 2 000 r·min-1不同負荷時的油耗變化率

2 000 r·min-1各負荷時，EGR率越高，發動機泵氣損失PMEP不斷降低(圖7)。這是因為EGR 廢氣替代了一部分新鮮充量，若要保證相同的發動機負荷，需使缸內進入更多的新鮮充量，途徑即是增大節氣門開度，從而降低了泵氣損失，這有利于油耗率的降低。但在大負荷(1.8 MPa)時，節氣門已經全開，主要依靠增大增壓器轉速增加進氣量，在中低轉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對燃燒有一定的抑制作用，使燃燒持續期變長，燃燒重心后移，通過調整點火提前角可以優化點火重心，使燃燒相位更加提前。如負荷為0.8 MPa時，EGR率為0時AI50為11°CA，EGR率為20%時AI50可優化至8°CA。此外，在大負荷時，EGR降低了缸內溫度，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。在負荷為1.8 MPa時為達到同樣的排氣溫度，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。燃燒特性優化和泵氣損失降低的共同作用導致了發動機油耗的降低。但是EGR率提高到一定程度后，發動機燃燒穩定性變差，燃燒效率降低，此時發動機油耗率增加。

與中高負荷相比，在小負荷應用EGR時，所產生的節省油耗的效果不太明顯。BMEP為0.4 MPa和0.8 MPa時，最大節油率在3%左右，1.2～1.6 MPa卻能達到10%左右。這可能是因為小負荷時進氣量少，引入EGR廢氣后節氣門開度變化不大，導致泵氣損失的減小不明顯，同時燃燒相位的優化空間也較小。

3.2 高轉速時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，試驗方法及條件如3.1所述。

圖8和圖9是4 400 r·min-1不同負荷時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，發動機油耗率呈現先下降，EGR率達到一定程度后又上升的趨勢。其原因是隨EGR率的升高，發動機燃燒特性和泵氣損失發生變化，兩者共同作用導致油耗率的變化。當EGR率提高到一定程度，燃燒變差導致油耗率反而上升。

圖8 4 400 r·min-1不同負荷時EGR率對油耗的影響

圖9 4 400 r·min-1不同負荷時的油耗變化率

圖10是4 400 r·min-1各負荷時泵氣損失隨EGR率的變化趨勢。4 400 r·min-1中小負荷時(0.4～1 MPa)，隨EGR率的增大，泵氣損失基本無變化。因廢氣進入氣缸后需要增加進氣量，增大節氣門開度。雖然減小了進氣節流損失，但進氣量增加導致排氣背壓增大，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。這是用于大負荷時節氣門已經全開，進氣量的增加完全是增壓器轉速上升的結果，排氣背壓明顯升高與2 000 r·min-1時的規律相同，4 400 r·min-1時小負荷工況下EGR率升高對降低油耗的作用不如中高負荷時顯著。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時能達到18.8%。因為在中高負荷引入廢氣后，不僅可以優化燃燒相位，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，起到優化油耗的作用。而低轉速中小負荷工況下，發動機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氣歧管。需在空濾后、EGR廢氣匯入點前設置一個混合閥。

試驗第一步，在發動機1 000～4 000 r·min-1時先保持混合閥處于全開狀態(即混合閥不起節流作用)，只通過EGR閥不斷增大EGR率，調整各項參數至最優后記錄各工況下EGR率及最優油耗數據。第二步，記錄混合閥起作用時的最優油耗數據。重復第一步工作，但當EGR閥開度到100%時，若EGR率還有進一步加大的空間(COV不超過3%)，則通過調節混合閥繼續增大EGR率，優化各項參數后記錄EGR率及最優油耗率。

圖11是混合閥應用前后最優油耗變化率，圖中數值為正表明使用混合閥后油耗率降低。混合閥在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%，因為該工況下混合閥的關閉使管路中形成負壓，可以吸入排放廢氣，進一步提高EGR率，從而降低油耗率。在各轉速小負荷(0.2～0.4 MPa)工況下，其進氣量少且燃燒穩定性較差。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。在更大負荷或更高轉速時(1 600 r·min-1以上)，排氣背壓較高，不借助混合閥就足以實現所需的EGR率。綜上，在本研究中混合閥的介入，在低速中小負荷(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 混合閥應用前后最優油耗變化率

5 EGR對排放性的影響

本文在發動機轉速2 000 r·min-1，負荷1.4 MPa的工況下研究了EGR對發動機NOx和HC排放影響，引入不同比例的EGR廢氣后調整點火提前角、空燃比、節氣門開度、VVT等參數，使BMEP達到目標值。試驗結果如圖12，隨著EGR率的提高，發動機排氣溫度隨之降低，排放物中NOx大幅降低，降幅達到73%；而HC濃度有所升高，升高率可達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廢氣進入混合氣后燃燒受到抑制，最高燃燒溫度相應降低的結果。汽油機排放的NOx中占大多數的是NO，NO2濃度甚至可以忽略不計。高溫、富氧是產生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，火焰傳播到壁面后燃燒反應鏈中斷，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，導致排氣中HC濃度升高。

6 結論

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

低壓EGR的應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，在小負荷時較小，在中大負荷較大。低轉速和高轉速EGR率對發動機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油耗，使用混合閥后的最優油耗有最大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排放產生相反的影響作用，需要在實際中權衡。