低壓廢氣再循環對阿特金森汽油機性能影響的試驗研究

張子慶 蔡霽蕾 平銀生

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 200438）

主題詞：低壓廢氣再循環 汽油機 阿特金森循環 燃燒 有效燃油消耗率 排放

1 前言

隨著車輛燃油經濟性和排放標準的日益嚴格，匹配混合動力車型的高熱效率、低排放發動機成為目前的研究重點。小型化發動機提升壓縮比可以有效改善燃油經濟性，但會隨之產生爆震傾向加劇和排氣溫度升高的問題[1-2]。阿特金森（Atkinson）循環發動機通過可變氣門正時（Variable Valve Timing，VVT）技術，匹配優化的凸輪型線，使得發動機膨脹比大于壓縮比，可以有效提升發動機熱效率，降低泵氣阻力，在混合動力汽油機中得到了廣泛應用[3-4]。

發動機廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技術能夠降低燃燒溫度，抑制爆震，提高燃油經濟性，同時減少NOx排放量。此外，再循環廢氣的引入使得進氣歧管真空度降低，從而加大了節氣門的開度，降低了泵氣損失[5-6]。對于自然吸氣發動機，EGR 取氣位置可以分為三元催化器前取氣和三元催化器后取氣。后者所取廢氣壓力較低，從此處取氣的EGR 方案為低壓廢氣再循環（Low-Pressure Exhaust Gas Recirculation，LP-EGR）方案，其對管路和EGR 閥的腐蝕更輕，排放也更友好，所取氣體溫度更低，EGR 冷卻器的冷卻效果更好。因此，一般采用LP-EGR 方案[7-8]。阿特金森（Atkinson）循環發動機匹配EGR 以及其他先進燃燒技術能更進一步改善發動機的燃油經濟性和排放水平。

本文通過一臺帶有LP-EGR 系統的2.0 L自然吸氣缸內直噴汽油發動機開展LP-EGR 對阿特金森循環汽油機性能影響的試驗研究。

2 試驗設備及控制系統

2.1 試驗設備

本文的發動機為某款自主研發的2.0 L四缸四沖程缸內直噴自然吸氣汽油發動機，噴油系統采用博世高壓燃油共軌系統，最大共軌壓力達35 MPa，采用LP-EGR方案，所取廢氣經EGR 冷卻器冷卻后引入發動機進氣歧管。試驗發動機特征參數如表1所示，發動機臺架試驗布局如圖1 所示，EGR 系統布置及EGR 數模如圖2、圖3所示。

圖1 發動機臺架試驗布局

圖2 EGR系統布置

圖3 EGR系統數模

表1 發動機特征參數

發動機臺架試驗所用試驗設備如表2所示，分別用于測量發動機轉速、發動機燃油消耗率、發動機缸內瞬態壓力，以及原始排放中CO、NOx、THC、O2等氣體的濃度，燃燒分析儀用于對采集的缸壓數據進行在線燃燒分析計算及儲存。

表2 試驗儀器設備

2.2 研究方案

本文對2 000 r∕min 和1 500 r∕min 的特征工況點及萬有特性最低油耗點進行LP-EGR 對阿特金森汽油機節油潛力的試驗研究，工況點的選取如圖4 所示，測試燃料為辛烷值為92 的汽油。試驗過程中，保持進氣溫度在25±2.5 ℃范圍內、發動機出水溫度在90±2 ℃范圍內、機油溫度在90±5 ℃范圍內。

圖4 試驗工況點的選取

通過CAE仿真及發動機硬件選型試驗，綜合考慮發動機油耗及性能，選定采用225°包角的進氣凸輪軸與210°包角的排氣凸輪軸，其最大氣門升程分別為10.3 mm和9.0 mm，進、排氣凸輪型線如圖5所示。通過CAE仿真對缸蓋進氣道進行優化，提升進氣道滾流比，對應缸內滾流比變化曲線如圖6所示，高滾流比氣道可以提升氣流的脈動速度，有利于提高缸內燃燒速度，進一步提升熱效率。

圖5 發動機進、排氣凸輪型線

圖6 發動機缸內滾流比變化曲線

試驗中，通過調節EGR 閥開度改變EGR 率，保持發動機過量空氣系數為1，通過調整點火時刻調節燃燒相位，使得50%放熱的曲軸轉角AI50 在壓縮上止點后8°CA 附近或爆震邊界。為保證試驗結果的可靠性和可重復性，待試驗工況穩定后，重復3 次性能測試。EGR率的定義為[9]：

式中，REGR為EGR率；MEGR為再循環廢氣的質量流量；Mair為進氣質量流量。

3 試驗結果與分析

3.1 LP-EGR對燃油經濟性的影響

對于2 000 r∕min 轉速下平均有效壓力0.8 MPa 工況點，EGR 率對各性能的影響如圖7 所示。由圖7a可知：發動機有效燃油消耗率（Brake Specific Fuel Consumption，BSFC）隨著EGR 率的增大而逐漸減小，當EGR率達到25%后趨于平穩；當EGR閥全開時，EGR率可達到27%，有效燃油消耗率降低至205 g∕(kW·h)，較無EGR 改善約7.4%。隨著EGR 率的提高，節氣門開度逐漸增大，泵氣損失逐漸減小，平均指示壓力的循環變動系數（Coefficient of Variation of IMEP，COVIMEP）有增大趨勢，但未超過3%的限值。再循環廢氣的通入可降低燃燒室溫度，改善爆震傾向，由圖7b、圖7c可知：各缸燃燒重心AI50的平均值由壓縮上止點后17°CA逐漸提前到8°CA，而后繼續提高EGR率，點火角進一步提前，AI50仍可保持在最佳相位8°CA 附近；此外，隨著EGR 率的提高，各缸燃燒不均勻性加劇，各缸AI50由EGR 率為0時的相差2°CA增大到相差4.3°CA。

圖7 2 000 r∕min轉速0.8 MPa負荷工況下EGR率對燃油經濟性和各性能參數的影響

對于中等負荷1 500 r∕min 轉速下平均有效壓力0.6 MPa 工況點，EGR 率對各性能的影響如圖8 所示。由圖8 可知，隨著EGR 率的提高，發動機有效燃油消耗率先減小，而后在15% EGR 率時出現拐點，繼續增大EGR 率，有效燃油消耗率開始逐漸增大。這是由于再循環廢氣的通入最初可以使得點火角逐漸提前至最佳燃燒相位，從而使有效燃油消耗率下降；隨著EGR率的進一步提高，缸內燃燒不穩定性加劇，COVIMEP逐漸增大至超過3%限值，各缸燃燒一致性也逐漸變差，導致熱效率降低，燃油經濟性惡化。

圖8 1 500 r∕min轉速0.6 MPa負荷工況下EGR率對燃油經濟性和各性能參數的影響

保持節氣門全開，過量空氣系數為1，EGR 率對于2 000 r∕min 外特性工況點燃油經濟性及扭矩的影響如圖9 所示。相對于無EGR，當EGR 閥全開時，發動機有效燃油消耗率雖然顯著降低，但由于廢氣的通入使得發動機參與燃燒的新鮮空氣量減少，充氣效率降低，扭矩下降10 N·m以上。

圖9 2 000 r∕min外特性工況下EGR率對燃油經濟性及扭矩的影響

綜上，LP-EGR對阿特金森汽油機燃油經濟性的影響規律如下：在一般情況下，隨著EGR 閥開度的增加，缸內氧氣濃度及燃燒溫度逐漸降低，發動機的燃燒速率下降，爆震傾向減弱，可以使點火角逐漸提前，提高發動機熱效率，并且EGR率的增加使得節氣門開度增加，泵氣損失也在逐漸降低，可以進一步降低燃油消耗率；但EGR閥開度過大時，油氣混合均勻性變差，燃燒不穩定性加劇，從而出現油耗惡化現象；在外特性或其他負荷較大的狀況下，再循環廢氣的通入使得充氣效率下降，動力性下降。為保證發動機的動力性能，通常在全負荷工況不通入再循環廢氣。因此，綜合考慮阿特金森汽油機的經濟性、動力性和排放性能，應對不同運行工況引入的再循環廢氣量進行合理控制。

3.2 LP-EGR對排放性能的影響

NOx產生的條件為高溫富氧，通過引入再循環廢氣，可以稀釋混合氣體中的氧氣，降低燃燒溫度，有效減少NOx的排放[10-11]。如圖10 所示，對于2 000 r∕min 轉速下平均有效壓力0.8 MPa 工況點，隨著EGR 率的增大，NOx排放情況改善明顯，同時由于缸內O2濃度及燃燒溫度的降低，未燃HC 逐漸增多。此外，在試驗中，基于3個特征工況點，保持配氣相位、噴油策略等其他控制參數不變，保持EGR閥開度分別為全關及最佳油耗開度，通過調整點火角使燃燒處于最佳相位，對比三元催化器前的原排氣體濃度，再循環廢氣的通入對阿特金森循環汽油機NOx排放的改善效果顯著，未燃HC 有一定程度的增加，如圖10～圖12所示。

圖10 2 000 r∕min轉速0.8 MPa負荷工況下EGR率對NOx及HC排放量的影響

圖11 EGR對NOx排放量的影響

圖12 EGR對HC排放量的影響

3.3 LP-EGR與VVT耦合影響的試驗研究

在目前汽油機臺架性能開發及標定過程中，通常將EGR 閥開度設為0，通過對進、排氣VVT 的掃描，綜合燃油經濟性、動力性、排放性能、燃燒穩定性及平順性等得到最佳VVT 相位，之后固定該相位進一步選擇合適的EGR 閥開度。然而，基于該方法得到的VVT 相位并非一定是通入再循環廢氣后的最佳VVT 相位，存在其他VVT 相位使得通入再循環廢氣后對燃燒穩定性的容忍度更高或進排氣壓差更大，進而可通入更多的再循環廢氣。為進一步分析VVT 結合EGR 對發動機燃燒和燃油經濟性的影響，對不同EGR 率條件下VVT 對燃燒、泵氣損失及燃油消耗率的影響進行對比分析。

對于2 000 r∕min轉速下平均有效壓力0.8 MPa工況點，分別保持EGR閥全關和全開進行VVT相位的掃描，調整點火角使得發動機處于最佳燃燒相位，其他控制參數保持不變。如圖13、圖14所示，EGR閥全關時燃油消耗率最低的VVT相位為進氣門開啟（Intake Valve Open，IVO）時刻30° CA，排氣門關閉（Exhaust Valve Close，EVC）時刻-10°CA，記為(30,-10)，EGR閥全開時燃油消耗率最低的VVT相位為(-10,-20)，兩者不同。

圖13 EGR閥全關時燃油消耗率隨VVT相位的變化

圖14 EGR閥全開時燃油消耗率隨VVT相位的變化

該2 000 r∕min轉速0.8 MPa負荷工況下，EGR閥全關時進、排氣壓差隨VVT的變化情況如圖15所示，當VVT處于(-10,-20)時進、排氣壓差較(30,-10)相位高12 kPa，這意味著進氣門早開使得進氣歧管壓力變小，可以通入更多的循環廢氣，EGR率變大，使得油耗改善更明顯。

圖15 EGR閥全關時進排氣壓差隨VVT相位的變化

EGR閥全關和全開時AI50隨VVT相位的變化如圖16 所示，由于(-10,-20)相位可以通入更多的再循環廢氣，使得燃燒重心AI50可以提前至壓縮上止點后8°CA位置，而在(30,-10)相位，由于進排氣壓差小，通入的再循環廢氣量少，點火角無法進一步提前，AI50較無EGR僅提前3°CA，為10.5°CA，因而油耗改善不顯著。對于該工況點，EGR率較VVT相位對爆震的影響更明顯，從而影響最優AI50的分布區域，進而對油耗的影響更大。

圖16 EGR閥全關和全開時AI50隨VVT相位的變化

VVT 與外部EGR 對油耗的影響存在耦合效應，具體取決于起主導作用的因素：通常，不帶EGR時油耗最低的VVT 相位通入再循環廢氣后油耗仍是最低的；燃燒相位占主導作用時，外部冷卻EGR 較VVT 對爆震的改善更明顯，進而對油耗的影響更大；泵氣損失占主導作用時，存在與不通再循環廢氣時的最優VVT 相位不同的其他位置，使得在該相位進排氣壓差更大，可引入的EGR率更高，進而對油耗的改善更明顯。

4 結論

a.引入再循環廢氣可以有效抑制爆震，降低泵氣損失，從而降低阿特金森汽油機的燃油消耗率，并減少NOx等有害氣體的排放。

b.針對該發動機最小油耗點，EGR閥全開時可使該點有效燃油消耗率改善7.2%。對于中負荷工況點，隨著EGR率的提高，燃燒逐漸變得不穩定，有效燃油消耗率先減小后上升。對于外特性工況點，再循環廢氣的通入會導致充氣效率下降，性能降低。

c.VVT 與EGR 對阿特金森汽油機油耗的影響存在耦合效應。存在與無EGR時的油耗最低VVT相位不同的其他配氣相位，使得該位置可引入的再循環廢氣更多或對爆震的改善更明顯，使得該位置的油耗更低。