EGR對汽油機排放和性能影響的研究

陳郭雷

摘要：為了更好的探究廢氣再循環對汽油機排放與性能產生的影響，在一款渦輪增壓發動機中展開性能試驗研究。經研究得知，當EGR率升高時，汽油機燃油消耗率會不斷降低，但是EGR如果過高，汽油機的燃燒穩定性會下降，油耗反而會上升。通過對汽油機系統模塊的分析，了解廢氣再循環的分類情況，經過試驗研究闡述EGR對汽油機排放和性能的實際作用與影響。

關鍵詞：EGR;汽油機;節能減排;設備性能

中圖分類號：U464.171? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0067-02

0? 引言

隨著能源危機的加劇，生態環境問題受到人們的普遍關注，各國紛紛制定了嚴苛的汽車油耗與汽油機排放標準，促使行業朝著節能環保的方向發展。以往汽油機通過節氣門控制負荷，部分發動機負荷泵氣損失大，不利于燃油經濟性提升。作為企業的動力源，內燃機二氧化碳排放是影響環境的重要因素，為達到節能減排目標，有必要發揮EGR技術在汽油機中的實踐應用，從而實現對氮氧化物排放的有效控制。

1? 汽油機熱力學模型分析

1.1 進排氣系統模塊

研究一款1.5L4缸水冷渦輪增壓GDI汽油機，壓縮比為10，噴油方式為缸內直噴;進氣方式為渦輪增壓;氣缸布置為直列4缸;氣門數共16個;缸徑為75mm。利用GT-Power軟件創建熱力學模型，模型中主要包含三個部分，其中最主要的就是進排氣系統模塊。該模塊中包含以下部分：①進排氣管道。進排氣管道模塊需要將管道的直徑和長度，同時做好對流邊界的設置，要求空氣濾清器標準壓差是0.03MPa，軟件按照氣體流量和溫度情況計算壓差即可。②增壓器模塊。輸入Map表示工況狀態，設置中冷器標準壓差是0.02MPa，溫度大概是55℃。③進排氣門應輸入升程曲線，進排氣道輸入氣道流量系數，并根據當前工況設置氣道溫度和傳熱系數。④EGR模塊中需要輸入EGR率，將EGR冷卻器出口溫度設置在100℃[1]。

1.2 氣缸模塊

汽油機中氣缸模塊內包含眾多模型，主要如下：

①噴油器模型，該模型關系到燃油噴射量情況，按照汽車發動機進氣量、當量比1：1完成燃油噴射即可。

②燃燒模型，應用Wiebe模型做好燃燒起始點、持續期、形狀參數的設定，并擬和發動機放熱率曲線。使用修正模型對氣缸模塊的燃燒持續期做出修正，保證相關參數準確無誤。

③傳熱模型，應用Woschmi模型，對缸蓋、缸套等部分的溫度進行定義分析。

1.3 控制模塊

該模塊主要分為放氣閥開度控制、爆震控制兩方面內容。前者的控制因素就是目標轉矩，按照提前設定的轉矩做好放氣閥開度的調節，確保控制模塊運行滿足轉矩需求值。爆震控制模塊就是在對燃燒時起始點做出條件，從而避免爆震現象發生。

2? 廢氣再循環分類研究

廢氣再循環簡稱EGR，即將發動機排除的廢氣送入進氣歧管，將廢氣和新鮮混合氣融合送入氣缸。重新進入氣缸的廢氣會讓混合器稀釋，導致燃燒溫度下降，氮氧化物的排放因此而降低。EGR主要針對氮氧化物進行排氣凈化裝置的設置，廢氣中二氧化碳無法燃燒，且可以吸收熱，讓氣缸內混合氣燃燒溫度下降，使氮氧化物生成量降低。當前汽車發動機應用的廢氣再循環方式就是在進氣管內導入燃燒過的廢氣，將其與新鮮空氣混合后再燃燒，以此降低混合氣含氧濃度，減緩燃燒速度，降低燃燒溫度，從而有效減少氮氧化物生成量。

對廢氣再循環分類分析，主要有以下幾種：

①內部排氣再循環，該模式下的發動機進氣門和排氣門由兩根凸輪軸單獨操作，再根據工況條件進排氣凸輪相位，從氣門疊開時產生排氣再循環。

②外部排氣再循環，發動機需要從排氣管引出部分廢氣，將其通過進氣門混入空氣送回氣缸，這一過程中混入系統的廢氣是冷卻的。廢氣再循環對汽油機的油耗與排放情況有著重要影響，過量空氣系數恒定時，EGR不斷增加，油耗先下降再上升，HC排放加大，二氧化氮排放降低。整體來看，EGR率對汽油機油耗與排放的影響和過量空氣系數發展趨勢類似，這是因為返回氣缸的廢氣讓沒有氧化的可燃物反應幾率降低，強化了火焰激冷效應，所以HC與C0排放不斷增加[2]。

3? EGR對汽油機排放與性能影響研究

3.1 EGR對汽油機排放的影響研究

了解汽油機CO、HC、HOX排放隨著EGR率產生的變化規律，如圖1所示。EGR率在升高的過程中，NOX排放會呈現出減少的趨勢，大概可減少70%以上，一氧化碳的排放減少，而HC排放出現增加。溫度與混合氣體中的氧濃度是影響NOX生成的兩方面因素，其空燃比皆為1。由于混合器未加濃處理，氧的濃度不會對NOX的排放產生過多影響。EGR率在升高的同時，汽油機缸中溫度開始降低，所以NOX的排放也會下降。一氧化碳在生成的過程中受到氧濃度、燃燒時溫度、壓力等因素影響，汽油機大負荷運載時發生爆燃，此時點火角出現推遲現象，設備會對混合氣加濃處理，從而保護硬件設施安全，這時燃料存在不完全燃燒的現象，導致CO一時間排放很高。引入廢氣再循環系統后，EGR可有效抑制爆燃，盡可能的降低混合氣的加濃程度，使CO排放降低。當汽油機處于中小程度負荷時，一氧化碳的排放情況與動力學相關，燃料的完全燃燒會產生二氧化碳，二氧化碳在高溫環境下分解為一氧化碳，EGR應用后汽油機缸中燃燒溫度下降，從而有效抑制二氧化碳進一步分解，所以CO排放降低。HC排放和汽油機發動機的燃燒室粹熄有關，也與潤滑油膜吸附作用有關，有時燃燒室內的沉淀物也會影響排放程度。

針對廢氣再循環的發動機來說，影響HC排放程度的主要因素是燃燒室粹熄問題，EGR在升高的同時缸內溫度下降，粹熄距離拉開，有未燃燒材料不斷出現，HC因此而加大排放。當EGR增加到一定程度時可能會存在失火現象，這時HC排放會短時間內迅速升高。隨著EGR率增加，當排放量保持不變時，過量空氣系數也會不變，燃燒持續期的延長給一氧化碳的生產提供了時間，但是缸中燃燒溫度降低對一氧化碳的生成起到抑制性效果，二者可以相互抵消。由于缸中燃燒溫度下降，碳氫化合物因為燃燒持續期延長而不斷產生，隨著EGR增加，碳氫化合物出現的越來越多，但轉速提高后，碳氫化合物上升開始放緩[3]。

3.2 EGR對汽油機性能的影響研究

低壓中冷EGR在一定程度上可以抑制爆燃，所以EGR對汽油機的動力性有一定的影響。每分鐘1900r全負荷狀態下，EGR率不斷增加，轉矩增加5Nm左右，隨著EGR的持續性增加，轉矩開始減少，這對汽油機動力性的提升不利，此時燃燒穩定性也會變差。與其他負荷相同，EGR率的提升使缸中燃燒溫度下降，爆燃現象得到有效抑制，所以點火角與CA50間的角度差可以突出燃燒放緩現象，這就是燃燒穩定性變差的主要原因。在全負荷優化過程中，應充分考慮燃燒穩定性和動力性兩方面影響因素，確保EGR率達到最佳。

分析低壓EGR對外特性性能產生的影響情況。應用低壓EGR技術提高汽油機運行的經濟性效益，并有效降低氮氧化物排放。沒有經過標定的排放模型在精度方面存在不足，且汽油機燃燒時對排放進行控制的壓力較小，本次實驗研究不考慮低壓EGR對汽油機排放產生的影響。應用低壓廢氣再循環的時候，為了確保動力性維持在一定水平，應提高增加壓力，讓新鮮空氣進氣量保持不變，通過短米勒循環計算外特性不同轉速下EGR率時，汽油機發動機性能變化。EGR率在增加的過程中，汽油機缸中溫度出現明顯降低，這與EGR廢氣比熱容大有關，或者為了維持功率穩定，提升增壓壓力保證新鮮空氣流量不變，所以EGR和新鮮空氣總量增加，方便缸內溫度的下降。

汽油機缸中最高溫度會隨著EGR率的增加而下降，此時爆震傾向也會降低，所以可以對CA50適當提前，提高汽油機運行的經濟效果，但是燃燒持續期會增加，所以在運行中應做好燃燒持續期的控制。EGR與新鮮空氣總量增加時，氣缸做功氣體的質量和燃燒壓力隨之增加，對汽油機經濟性有益處。在允許范圍內，EGR上升會突出汽油機運動的經濟性，使渦前排溫降低。當轉速不同時，應用廢氣再循環可以對渦前排溫有效改善。比如EGR率為16%的時候，與沒有EGR對比而言，每分鐘1000r時油耗下降6.7%，渦前排溫降低120K;每分鐘2000r時油耗降低2.7%，渦前排溫降低90K;每分鐘2800r時油耗降低4.7%，渦前排溫降低110K;每分鐘4000r時油耗出現上升的發展趨勢，而渦前排溫依然下降，從110K降低到114K。出現油耗上升的原因與增強器不能再提供充足的增壓壓力有關，所以功率不能維持到達目標值。由此得知，低壓EGR雖然可以提升汽油機運行的經濟效果，但也會引發部分負面影響，比如外特性引入廢氣再循環后會增加冷卻系統散熱壓力，不利于系統散熱，當廢氣再循環率達到16%的時候，4000r/min的廢氣再循環冷卻器散熱功率為9.6kE，評估后發現冷卻系統運行存在一定風險。廢氣再循環率過高后，中冷后冷凝水增加，因此，將EGR率保持在8%即可。

4? 總結

總而言之，經過實驗研究發現，隨著EGR率的不斷升高，汽油機油耗率得到改善，但是EGR率過高會影響燃燒的穩定性。小負荷的EGR可以讓泵氣損失減少，中等負荷的EGR能夠改善油耗，使氮氧化物排放減少，一氧化碳排放減少，而HC的排放有小幅度的增加。與此同時，EGR率升高時，全負荷轉矩經歷著先增加后減小的變化趨勢，此時汽油機燃燒穩定性受到影響。

參考文獻：

[1]葉華國，劉軍.基于PSO和EGR的汽油機尾氣排放研究[J].常州工學院學報，2021，34（01）：6-11.

[2]江梟梟，李艮坤.壓縮比及EGR對直噴米勒循環汽油機性能影響的試驗研究[J].車用發動機，2020（06）：19-23.

[3]黃德永，張振東.高壓EGR率和溫度對汽油機性能和排放的影響[J].農業裝備與車輛工程，2020，58（05）：119-122.

[4]付玉生，運紅麗.中低轉速下不同EGR率對氫燃料發動機性能的影響[J].汽車實用技術，2020（01）：15-17.