废气再循环在汽油机上的潜力

【德】 R.Dingelstadt S.Ewert M.Werz P.Tremble



废气再循环在汽油机上的潜力

【德】 R.Dingelstadt S.Ewert M.Werz P.Tremble

随着实际车辆行驶排放法规的推出，对废气排放具有重要意义的发动机特性曲线场范围明显扩大。与此同时，在小型化发动机上还涉及非化学计量比运行范围。Mahle公司在现代量产废气涡轮增压汽油机上，通过适当使用高压和低压废气再循环，以过量空气系数λ=1实现广泛且燃油耗优化的运行。

汽油机 废气再循环 过量空气系数 燃油耗 废气排放法规

1 超出废气排放限值的可能性

现代小型化涡轮增压直喷汽油机的特点是配备带三效催化转化器的简单排气后处理系统，并以过量空气系数λ=1运行。在目前生效的新欧洲行驶循环(NEDC)中，汽油机以化学计量比运行能完全满足废气排放法规要求。

在以全球统一的轻型载货车行驶试验循环替代NEDC的进程中[1]，必须同时满足实际车辆行驶排放(RDE)法规的要求。在对汽油机最不利的情况下，RDE意味着要在宽广的特性曲线场范围内满足严格的废气排放法规。现代汽油机具有2个临界运行范围，即为保护零件而加浓的运行范围，以及为提高扭矩的扫气燃烧过程运行范围。此时，三效催化转化器无法完全净化废气中的有害物，在宽广的特性曲线场范围内，或许会产生超出限值的废气排放。

2 化学计量比运行方式

为在临界运行范围内以λ=1运行，可以在设计废气涡轮增压器时采用更耐高温的材料，避免全负荷时加浓，但这存在成本问题。将排气歧管集成在气缸盖上也能减轻热负荷，但排气门的热负荷仍非常高。为此，Mahle公司提供了名为“Evotherm”或“Toptherm”(译注： 高耐热)的中空充钠冷却排气门[2]。通常，还将高压废气再循环(EGR)作为有效减少全负荷加浓的措施。

为了提高扭矩，在现代涡轮增压小型化汽油机上应用扫气燃烧过程，并借助于优化的配气正时，用吸入的新鲜空气进行扫气，增大涡轮前的热焓,这会直接导致催化转化器前的λ稀化,使以化学计量比工作的排气后处理系统不能有效发挥功效,并抵消三效催化转化器的短暂吸附能力。

在低转速高负荷运行范围内，可以采用电辅助曲轴旋转或辅助增压机组的方法实施λ=1的运行，即使在取消超化学计量比扫气的情况下，也能保持发动机扭矩。

此外，原则上也能应用总λ=1运行，即燃烧室中用浓混合气运行，而在气门重叠较大的情况下，催化转化器中的混合气处于化学计量比状态，此时燃油耗明显增大。因催化转化器直接转化易着火的空燃混合气，因而要防止其出现过热现象，以避免热损坏。该方法在燃油耗及催化转化器的热负荷方面存在缺陷，为此也提出一些替代方案，如采用外部EGR。

3 发动机试验

选择量产的1.0L 3缸增压直喷汽油机作为试验发动机，并采用近发动机的EGR管路布置方案，不仅可用于试验台架，而且能装配在试验汽车上。无论是装配式的高压EGR，还是低压EGR，都采用Mahle公司最佳的EGR冷却器和EGR调节阀。

仔细设计高压EGR管路引入口的位置。为了确保再循环废气能尽可能均匀地分布，借助一维和三维模拟，试验了多种方案，确保测量的准确性。同时，采用几何形状和尺寸优化的开口逆流引入方案，获得最佳的再循环废气分布状况，并将发动机试验结果转化到汽车上。下文介绍3种运行工况点的试验结果： (1)发动机转速1250r/min，平均有效压力1.82MPa；(2)发动机转速1350r/min，平均有效压力1.40MPa；(3)发动机转速1500r/min，全负荷工况。通过测量进气管中的CO2含量来决定所提供的EGR率。

4 低压EGR用于运行工况点1

图1示出了低压EGR用于运行工况点1(发动机转速1250r/min、平均有效压力1.82MPa)的测量值。其中，λ=1.11超越了目标窗口，因此通过改变喷油量实现λ=1，但这会使该负荷工况点的燃油耗增加约2g/(kW·h)。此时，废气放气阀完全关闭，只能通过加大气门重叠角来保持平均有效压力1.82MPa的负荷。如果同时应用EGR和较大的气门重叠角，会导致燃油耗明显增加，无法达到目标，因此，在该运行工况点因废气放气阀关闭而应用EGR是不明智的。

图1 低压EGR用于运行工况点1(发动机转速1250r/min,平均有效压力1.82MPa,全负荷不变)

5 低压EGR用于运行工况点2

对运行工况点2(发动机转速1350r/min、平均有效压力1.40MPa)的试验结果进行分析后可知(图2)，部分打开废气涡轮增压器的放气阀显现出低压EGR的潜力。最初使用λ=1运行，使燃油耗增加9g/(kW·h)，而应用低压EGR使燃油耗只增加约3g/(kW·h)，原则上还能进一步提高EGR率，并且不受稳定性标准的限制。在结构设计上，所选择的EGR率是由相应的EGR阀开启横截面来限定的，以便用于汽车。

图2 低压EGR用于运行工况点2(发动机转速1350r/min,平均有效压力1.40MPa)

图3 低压EGR用于运行工况点3(发动机转速1500r/min,全负荷)

6 低压EGR用于运行工况点3

图3为运行工况点3(发动机转速1500r/min、

全负荷)的试验结果。在应用扫气燃烧过程的情况下，采用部分打开废气放气阀的方法来达到平均有效压力2.14MPa的目标扭矩，此时以λ=1运行的燃油耗增加26g/(kW·h)，而使用12%低压EGR率仅增加7g/(kW·h)。

图4示出了运行工况点3在压气机特性曲线场中的测量点。随着低压EGR质量流量的增大，通过增加压气机的总质量流量，测量点首先平行于压气机界限移动；在低压EGR率为14%时，气门重叠角增大到约20°CA，使最终测量运行点向更大的压气机质量流量移动。

图4 应用低压EGR的压气机特性曲线场(发动机转速1500r/min,全负荷)

如在运行工况点3用减小气门重叠角替代低压EGR,会减小通过涡轮和压气机的质量流量,进而增大热内部EGR，使燃烧变差,同时也提高对增压压力的需求,因此，这种方法会导致压气机特性曲线场中的运行点移向压气机界限。随着废气涡轮增压技术的发展，可期待未来压气机具有更宽广的特性曲线场，从而使压气机界限移向更小的质量流量，届时可重新评价减小气门重叠角的潜力。

7 用实际行驶数据进行调整

在分析发动机特性曲线场废气排放和燃油耗时，通常比较关注的是NEDC中具代表性的低转速低负荷范围。将小型化汽油机与低速化相结合，使这些运行工况点移向中等负荷范围。无论是低转速的高负荷范围，还是高转速的高负荷范围，都属于极端的行驶状态(例如带拖车在盘山公路上行驶)。

通过几千公里的行驶试验，已查明这种汽油机搭载于配装手动变速器的C级轿车时的运行工况点。在高度落差较小及限速的国家中，很少在应用扫气燃烧过程或全负荷加浓的特性曲线场范围内行驶。图5示出了在德国不限速且路况良好的高速公路上的行驶情况。与正常补充充气和顺畅的行驶方式一样，发动机特性曲线场中2种降低废气排放的临界运行范围对于真实的用户行驶性能是非常重要的。

图5 用负荷、转速和λ画出的运行点频率(C级轿车汽油机)

8 动态EGR在汽车上的应用

图6为传统动态标定(基本型)与试验用汽油机搭载于C级轿车时应用EGR标定的比较。运用试验台标定所获得的知识，在汽车从6档1250r/min全负荷加速情况下，能标定到λ=1，其余偏差处于相应配置的三效催化转化器吸附能力范围内。

图6 负荷突变时标准标定与应用低压EGR的比较(配装汽油机的C级轿车)

9 结语

到2017年，汽油机必须满足RDE法规的要求,在可能出现的最不利情况下,Mahle公司通过试验台和真实汽车试验确认,EGR是在宽广的特性曲线场范围内实行λ=1运行的最有效方法。在发动机特性曲线场的扫气运行范围内，在标准标定及增压器废气放气阀不完全关闭的情况下，低压EGR始终具有重要意义。采用非化学计量比混合气运行的方法能补偿燃油耗方面的多数缺陷。即使低压EGR在充气方面有所损失，但无论是稳态运行，还是动态运行，都能避免扭矩损失。

出于批量应用考虑，从成本-效益观点来看，应用低压EGR是很有意义的。与高压EGR系统相比，低压EGR系统的零部件承受的热负荷明显更低，再循环废气也更为清洁。在高转速高负荷运行工况下，为实现λ=1运行，高压EGR系统与其他可供选择的技术方案之间存在竞争，例如采用整体式水冷排气歧管，并与相应改进的排气门及优化的废气涡轮增压器相结合的方法。

此外，高压EGR或低压EGR都能借助消除节

流来降低部分负荷运行时的燃油耗。现代汽油机的定量调节需要EGR质量流量的精确调节，采用合适的EGR阀技术也能在动态运行时实现精确的调节。RDE法规将于2017年生效，为了在均质运行的废气涡轮增压汽油机上成功地批量应用EGR，将面临降低燃油耗，以及在用户实际使用中降低废气排放的艰巨任务。

Jean P. Warum WLTP? Was beinhaltet der WLTP-und wann kommt er?16. Technischer Kongress des VDA, Hann-over, 2014.

Luven C, Puck A. Optimiertes hohlventil zur verbesserten kühlung von einlass-und auslass-ventilen. VDI-Fachtagung, Ventiltrieb und zylinder-kopf, Würzburg, 2012.

2015-01-19)