外部EGR对增压直喷汽油机HCCI工况范围的影响*

陈歆叶　林富鹏　刘寅童　邓俊　李理光，2

（1.同济大学，上海　201804；2.同济大学中德学院，上海　201804）

外部EGR对增压直喷汽油机HCCI工况范围的影响*

陈歆叶1林富鹏1刘寅童1邓俊1李理光1，2

（1.同济大学，上海201804；2.同济大学中德学院，上海201804）

以某增压直喷汽油机为研究对象，对外部EGR率对该汽油机HCCI工况范围的影响及其拓展能力进行研究，同时结合GT-Power软件研究并预测EGR率对HCCI工况范围的拓展程度。结果表明，随着外部EGR率的增加，着火时刻推迟、峰值压力降低、峰值相位推迟，燃烧持续期增加，因此可降低爆震倾向，对HCCI发动机高负荷工况有拓展作用。当EGR率增加至13.3%时，可使HCCI燃烧模式的上边界拓展13.87%。

主题词：增压直喷汽油机HCCI外部EGR

1　前言

发动机均质压燃（HCCI）技术凭借其突出的节油性能和低排放性能成为近些年来国内外内燃机领域研究的热点［1～3］。但是HCCI燃烧过程主要受控于化学反应动力学，其对混合气的初始温度、压力和成分等边界条件极为敏感。因此，将其与缸内汽油直喷技术［4］相结合，不仅可以通过改变喷油时刻改变缸内局部混合气浓度和温度，也能解决缸内直喷在稀薄燃烧工况下的NOx排放问题；但是，HCCI发动机的运行范围仍受限于爆震和失火，加入外部EGR气体可有效拓展HCCI的高负荷工况。

谢辉等［5］通过将外部EGR引入到使用负阀重叠技术实现的HCCI燃烧中，发现外部EGR可有效抑制发动机高负荷的爆震现象；徐帆等［6］在一台4冲程缸内直喷汽油机上利用内外EGR结合的方式来研究其对HCCI高负荷拓展的作用，并通过调整内外EGR比例对HCCI燃烧进行了优化。

Alasdair Cairns等［7］发现经过冷却的EGR作为一种抑制剂比过量空气更能有效限制发动机的爆震，同时拓展发动机的工况范围。但上述研究鲜有涉及目前新一代发动机的代表机型，即有关增压直喷汽油机采用外部EGR对HCCI工况范围影响及其拓展能力的研究较少。本文基于此，开展相关探索和研究。

2　试验装置和试验步骤

2.1试验装置

试验用发动机是一台经过改造后的缸内直喷汽油机，改造后的试验用发动机参数如表1所列。

表1　试验用发动机主要技术参数

为了实现可靠压燃，将第4缸压缩比由原来的9.6改造为11.5；同时，为了能够灵活控制和调节发动机，将原发动机的配气系统全部更换为进、排气正时和升程连续可变的全可变配气机构（Dual UniValve），并重新设计和加装了外部EGR系统。UniValve系统是由德国KSPG公司开发的一套全可变配气机构，可整体集成在发动机缸盖之中，实现配气正时和气门升程连续调节，从而得到灵活多变的配气策略［8］。

2.2试验步骤

试验中，保持发动机转速为1 500 r/min，节气门开度90%，首次和二次喷油脉宽分别为0.4 ms和0.72 ms，在负阀重叠期进行首次喷油，在进气冲程进行二次喷油，试验中发动机控制参数设置见表2，其中IVS与EVS分别为进、排气门最大升程相位。

表2　试验参数表

使用“二氧化碳体积浓度型”［9］方法来计算EGR率：

式中，［CO2］int为进气管中CO2的体积浓度；［CO2］bkg为大气中CO2的体积浓度；［CO2］exh为排气管中CO2的体积浓度。

试验用EGR率如表3所列。

表3　不同CO2的体积百分数和EGR率

3　试验结果

在废气循环过程中加装中冷器，降低引入的废气温度，使其对进气混合气的加热效果减弱，仅保留废气中惰性气体成分以达到抑制燃烧效果；通过改变EGR阀门的开度来改变引入的外部EGR气体量，研究在不同外部EGR率下对HCCI燃烧的平均指示有效压力（IMEP）、累计放热率为10%时的曲轴转角、峰值压力、峰值相位等燃烧参数的影响规律。

图1为4种不同外部EGR率下的直喷汽油机HCCI燃烧缸压曲线。可以发现，随着外部EGR率从0增加到13.33%，峰值压力由4.2 MPa下降到3.3 MPa，降幅为21.42%；同时峰值相位从9.5°ATDC推迟到15°ATDC，幅度为57.9%。由此可见，引入EGR气体可显著降低峰值压力，推迟峰值相位。图2为不同EGR率下的发动机累积放热率变化曲线以及燃烧持续期，定义发动机的着火时刻为累积放热率为10%的曲轴转角，燃烧持续期为累积放热率从10%到90%的曲轴转角［5］。

图1　不同外部EGR率下的试验缸压曲线

图2　EGR率与放热率及燃烧持续期的关系

从图2可以发现，随着外部EGR率的增加，燃烧的着火时刻推迟，从1.73°ATDC增加到7.54°ATDC；同时，燃烧重心从6.62°ATDC推迟到13.72°ATDC；燃烧持续期从4.64°ATDC增加到8.72°ATDC。由于废气中包含的组分主要是N2、CO2等惰性气体，在相同的进气量和喷油量下，混合气中氧气的含量相对减少，自燃反应速度降低，燃烧放热率减缓［10］，火焰传播速度变慢，燃烧持续期变长；此外，加入经过冷却的外部废气也增加了缸内混合气的比热容，使得缸内整体温度变低。而温度是分子活动频繁度的表征，温度的下降说明各组分分子之间的碰撞频率降低，这就导致整体反应速度下降，着火时刻推后。

图3为不同EGR率下循环波动率的变化曲线。可以看出，随着外部EGR率的增加，循环波动率从最初的3%增加到5%，这是由于加入的外部EGR气体使燃烧变得不稳定。

图3　外部EGR率对循环波动率的影响

图4为不同EGR率所对应的IMEP值。可以看出，随着EGR率的增加，IMEP值呈现先增加后减少的趋势。这是因为，随着外部EGR的增加，着火点推后，靠近上止点，等容度增加，IMEP增大。从缸压曲线上来看，IMEP也由于膨胀做功的增加而提高，如图5所示；而随着外部EGR率的进一步增大，着火点过于推迟，有效功减小。

图4　IMEP随外部EGR率的变化曲线

4　基于GT-Power的单缸机模型搭建及预测

为了进一步研究外部EGR对HCCI发动机工况范围的拓展影响，使用GT-Power搭建HCCI单缸机燃烧仿真模型，预测不同外部EGR率下HCCI发动机的爆震上限。仿真模型如图6所示。

图5　膨胀功增加的P-V示意图

HCCI燃烧模型是单区预测模型，其燃烧速率完全取决于外部调用或者用户自行输入的化学动力学文件及热力学文件。用户可自定义整个燃烧过程开始和结束时的曲轴转角，一般取进气门刚关闭至排气门快打开之前。

为了验证GT-Power模型预测HCCI发动机工况拓展的准确性，将在不引入外部EGR气体下的模拟缸压曲线与实际试验所得到的缸压曲线进行对比，如图7所示。可以看出，试验和仿真缸压曲线大致吻合。其中，试验峰值压力为3.80 MPa，仿真峰值压力为3.79 MPa，误差仅为3%，试验峰值相位为13.6°ATDC，仿真峰值相位为12.5°ATDC，误差为8.8%。由于GT-Power中采用HCCI燃烧模型，该模型计算未考虑到火焰传播过程，因此着火后压力迅速达到最大值。但是作为预测外部EGR率对燃烧特性的影响，该模型能够满足研究要求。

在预测过程中，控制外部EGR率不变，灵活控制两次喷油量的增加直到发动机出现爆震现象；增加外部EGR率至发动机出现失火现象，继续增加喷油量直到发动机出现爆震；再增加外部EGR率重新使发动机到失火，周而复始。最后得到不同外部EGR率下的最高IMEP值，拓展边界如图8所示。

图8　GT-Power对HCCI燃烧工况范围的拓展预测

在无外部EGR时，发动机的IMEP最高值为0.375 MPa；此时增加外部EGR率到6.25%，使HCCI发动机的最高IMEP达到0.421 MPa；增加外部EGR率至10%，使发动机的最高IMEP值达到0.424 MPa；进一步增加外部EGR率至13.33%，此时的发动机最高IMEP值达到0.427 MPa。在此期间，发动机保持着较高的燃烧热效率。图10中各工况点所对应的IMEP值及燃烧热效率见表4。

表4　仿真模型不同EGR率下的最高IMEP和指示热效率

由于EGR中的H2O、N2和CO2等大热容气体使整体混合气的比热容升高，因此混合气在压缩终了之后的温度较低；EGR本身也会使原缸内混合气的温度、组分和浓度发生变化［11］，从分子层面影响整个燃烧过程；因此，外部EGR气体能减缓反应速率，抑制爆震，同时结合不同喷油量能有效拓展HCCI发动机高负荷工况范围。

此外，HCCI燃烧的指示热效率较高，达到了40%。指示热效率的提高不仅降低油耗，也可获得较低的碳排放，有助于满足日益严峻的排放法规。

5　结束语

a.随着外部EGR率从0增加到13.33%，燃烧着火点从1.73°ATDC增加到7.54°ATDC；燃烧重心也从6.62°ATDC推迟到13.72°ATDC；峰值压力从4.2 MPa下降到3.3 MPa，降幅为21.42%；峰值相位从9.5°ATDC推迟到15°ATDC，幅度为57.9%。

b.增加外部EGR率可拓展HCCI发动机高负荷工况范围。无外部EGR率时，发动机可达到的最高IMEP为0.375 MPa；在外部EGR率为6.25%时，HCCI发动机的最高IMEP为0.421 MPa；增加外部EGR率至10%时，发动机的最高IMEP值达到0.424 MPa；进一步增加外部EGR率至13.33%，发动机最高IMEP值达到0.427 MPa。与无EGR时相比较，HCCI燃烧模式的IMEP上边界拓展了13.87%，同时HCCI发动机的热效率较高，可达40%。

1Zheng Z，Yao M.Numerical study on the chemical reaction kinetics of n-heptane for HCCI combustion process.Fuel，2006，85（17）：2605～2615.

2Stanglmaier R H，Roberts C E.Homogeneous charge compression ignition（HCCI）：benefits，compromises，and future engine applications.SAE Technical Paper，1999.

3Andrae J C G，Brinck T，Kalghatgi G T.HCCI experiments with toluene reference fuels modeled by a semidetailed chemical kinetic model.Combustion and Flame，2008，155 （4）：696～712.

4Yang D，Xu F，Wang Z，et al.Limitation of Charge Stratification for High Load Extension of HCCI Combustion in a GDI Engine with NVO.SAE World Congress&Exhibition，2009.

5谢辉，陈韬，张岩，等.外部EGR对HCCI汽油机拓展运行范围的影响.燃烧科学与技术，2008（6）：491～495.

6徐帆，王志，阳冬波，等.内外EGR拓展汽油HCCI发动机高负荷的试验研究.内燃机工程，2010，31：6～10.

7Cairns A，Blaxill H，Irlam G.Exhaust gas recirculation for improved part and full load fuel economy in a turbocharged gasoline engine.SAE Technical Paper，2006.

8Liu Y，Schmitt S，Grimm K，et al.Development and Application of Dual UniValve System Based on a GDI Engine with SI/HCCI Dual Combustion Modes.Springer Singapore，2016：183～193.

9Shi L，Cui Y，Deng K，et al.Study of low emission homogeneous charge compression ignition（HCCI）engine using combined internal and external exhaust gas recirculation （EGR）.Energy，2006，31（14）：2665～2676.

10郑朝蕾，张博，刘春.EGR对汽油机HCCI燃烧过程的影响机理.燃烧科学与技术，2013（2）：169～174.

11张志永，董光宇，邓俊，等.内部EGR对HCCI燃烧及自由离子生成影响的数值研究.汽车工程，2009（10）：905～910.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2016年7月25日。

Effects of External EGR on HCCI Operating Range of Turbocharged Direct Injection Gasoline Engine

Chen Xinye1，Lin Fupeng1，Liu Yintong1，Deng Jun1，Li Liguang1，2
（1.Tongji University，Shanghai 201804；2.CDHK，Tongji University，Shanghai 201804）

Based on a turbocharged direct-injection gasoline engine，the influence of external EGR rate on HCCI operating range and extension ability was studied.Furthermore，combined with GT-Power，the influences of EGR rates on the HCCI operating range extension ability were investigated and predicated.The results show that：with the increase of external EGR rate，ignition timing is delayed，the peak combustion pressure is reduced and the moment reaching the maximum combustion pressure is postponed，burning duration is also prolonged，which can decrease the tendency of detonation and expand the operating range of HCCI.When EGR rate is increased to 13.3%，the upper boundary of HCCI combustion mode is extended by 13.87%.

Turbocharged direct-injection gasoline engine,HCCI,External EGR

U464.11+4

A

1000-3703（2016）09-0027-04

国家自然科学基金项目（51376139）；高等学校博士学科点专项科研基金（20120072110015）；同济大学KSPG-Tongji Fahrzeug-Motorentechnik教席基金。