高低压废气再循环对直喷增压汽油机影响的实验研究

王莹杰， 张振东， 沈 凯， 尹丛勃

（上海理工大学 机械工程学院，上海 200093）

2017 年中国汽车销量已经接近3 000 万辆，连续9 年为世界汽车销量第一，其中，传统能源汽车仍占据95%以上。汽车在提高我国交通运输水平的同时，也成为了我国能源消耗和环境污染的主要源头。近年来，随着国家第六阶段机动车污染物排放标准的制定，我国对汽车的油耗和排放要求日趋严格，发动机小型化已经成为重要的技术选择。目前的研究表明，GDI（汽油机缸内直喷）增压汽油机是未来汽油机小型化发展的方向[1]。由于增压技术和缸内直喷技术在明显提高燃油经济性的同时，发动机燃烧爆震倾向也增大，尾气排放指标恶化。研究发现，将部分尾气与新鲜气体以一定的比例引入气缸内燃烧，发动机尾气中的CO2，H2O 等三原子分子比热容较高[2]，可以有效降低燃烧温度，提高有效效率，改善发动机燃油经济性和排放性能。GDI 汽油机在部分工况下应用EGR（废弃再循环）可以减小泵气损失，提高燃油经济性，减少NOx排放[2-6]。近年来，国内外开展了汽油机应用EGR 技术研究。国内天津大学、上海交通大学开展研究较早[2-3]。但是，在汽油机中低速部分负荷下，研究不同废气再循环形式对汽油机影响的工作还较少。为了研究在相同工况下不同EGR 布置形式对汽油机影响的差异，本文在一台1.5 L 的GDI 增压汽油机的部分工况内进行实验，对比研究高低压两种废气循环方式下，通入的废气量对GDI 增压汽油机在燃烧、油耗、排放等方面的影响趋势并分析原因。

1 实验装置及方案

1.1 实验设备

实验对象为某型1.5 L，4 缸水冷涡轮增压GDI汽油机，压缩比为10，其主要结构参数如表1 所示。发动机实验的主要测试设备如表2 所示。

表 1 实验发动机主要参数Tab.1 Main parameters of experimental engine

表 2 实验主要设备Tab.2 Main equipment of experiment

EGR 阀体的开闭由直流电机驱动，废气再循环率的计算式为

式中： REGR为 废气再循环率； RCO2,in为中冷器后CO2的浓度；RCO2,air为 空气中CO2的浓度；RCO2,exh为涡轮后废气中CO2的浓度。

为了实现废气再循环率的闭环控制，实验中分别在中冷器后、涡轮后测量CO2的浓度。

1.2 实验方案

根据废气引出与引入位置的不同，通常分为3 种不同的EGR 布置方案：高压废气循环方式（简称高压EGR）、低压废气循环方式（简称低压EGR）、混合废气循环方式（简称混合EGR），如表3 所示。

废气循环系统中废气的输送没有外置的动力源，完全依靠排气压力和进气压力之间的压力差[7]。高压和混合ERG 布置方式中，在低速高负荷下废气会由于负压差不能够注入气歧管内。低压EGR 布置方式中，在高速高负荷下引入废气会造成燃烧恶化。

表 3 EGR 布置方式Tab.3 Arrangements of EGR

汽油机在较多使用场景下运行于中低转速负荷下。按照表3 的高、低压方案对原发动机进行EGR 管路布置改造并进行实验。台架实验工况在两种布置方式下保持一致。2 000 r/min，平均有效压力为0.5 MPa 作为低转速部分负荷进行实验研究；3 000 r/min，平均有效压力为0.8 MPa 作为中转速部分负荷进行实验研究。

为了保证实验结果有效可信，在所有实验工况下只改变唯一自变量废气再循环率。保证过量空气系数为1，控制进气歧管温度一致，冷却液温度控制在88±2 °C，机油温度控制在90±1 °C，保持原有负荷的喷油脉宽、进气VVT（可变气门正时技术）角度。实验过程中保证200 次循环的循环变动率COV 在5%以内。

2 实验结果与讨论

2.1 不同废气再循环率对发动机燃烧的影响

在2 000 r/min，平均有效压力为0.5 MPa 和3 000 r/min，平均有效压力为0.8 MPa 条件下，缸压曲线如图1 所示。在高压EGR 和低压EGR 下，随着废气再循环率的增加，两者的缸内压力出现不同程度的下降，且缸压峰值降低，相位出现滞后。这是由于引入的废气的热容效应和稀释作用降低了燃烧温度，缸内升高的残余废气系数对GDI 汽油机缸内燃烧产生抑制，燃烧放热减缓。EGR 率为10%时，低压EGR 下2 000 r/min，平均有效压力为0.5 MPa 下出现最高24.3%的下降。但EGR 率为15%时，低压EGR 下3 000 r/min，平均有效压力为0.8 MPa 下出现最高29.7%的下降。在高压EGR 中，缸压下降趋势远小于5%。这是由两者不同的布置方式造成的。高压EGR 直接从较高温度的涡轮前取气，且引气管路行程较短，不经过中冷器，与低压EGR 相比较，只经过与低压EGR 相同的EGR 冷却器，最终引入的废气温度必定较高，这对降低燃烧温度、抑制燃烧的作用是消极的。在图1（b）中，随着废气再循环率的增加，在高压废气再循环率小于10%之前，缸压曲线基本一致，缸内压力下降趋势与图1（a）相比更加缓慢。这是由于在3 000 r/min，平均有效压力为0.8 MPa 下，废气的热容效应和抑制燃烧作用受限，爆燃裕度降低，为了保证COV 在5%以内，点火角提前量减小。

图 1 不同工况下高低压EGR 率对缸压的影响Fig.1 Effect of EGR ratio of high and low pressure on cylinder pressure under different conditions

燃烧持续期定义为燃料燃烧10%～90%对应的曲轴转角间隔期。AI50 定义为燃料燃烧50%对应的曲轴转角间隔期。如图2 所示，在两种工况不同EGR 布置方式下随着废气再循环率的增加，废气稀释作用对缸内燃烧作用起到了一定的抑制，且缸内工质的热容效应增强，燃烧持续期都延长。3 000 r/min，平均有效压力为0.8 MPa 下，高低压EGR 燃烧持续期增加趋势基本一致，随着废气再循环率上升至17%，燃烧持续期最多增加30%，但与低转速时相比，增加趋势减缓。这是由于3 000 r/min 通入的废气温度较高，提高热容效应的优势在此时变小。2 000 r/min，平均有效压力为0.5 MPa 时，高压EGR 的燃烧持续期略低于同工况低压EGR 的，可见较低的尾气引入温度会延缓燃烧速度。两种工况下高低压EGR 燃烧的AI50变化趋势基本一致，随着EGR 的增加，低压EGR下AI50 呈基本后移趋势，但高压EGR 在较高废气再循环率时才会发生后移。这是由于低压EGR 通入的废气经过涡轮焓值降低，又继而通过EGR 冷却器和中冷器的降温，因此，通入气缸内即可延迟燃料燃烧速率。

图 2 不同工况下高低压废气再循环率对燃烧持续期和AI50 的影响Fig.2 Effects of high and low pressure EGR ratio on combustion duration and AI50 under different conditions

如图3 所示，在两种工况不同EGR 布置方式下，随着废气再循环率的增加，点火提前角都提前，且最高能提前至上止点前40 °CA（曲轴转角）以上。这是由于废气的引入，使缸内燃烧温度和最高压力爆发点都后移，燃烧持续期得到延长，爆燃裕度相应得到提高。但是，低压EGR 方式下比高压EGR 方式下点火提前角能提前5 °CA 左右，且趋势上升更加明显。这是因为将涡轮前废气引入燃烧，更高的废气温度和更高的NOx含量都会引起爆燃的发生，文献[7]得出同样的结论。如图3（a）所示，随着废气再循环率的提高和点火提前角的不断提前，COV 在增加。但是，在两种工况高压EGR 方式下，通入较高EGR 率后，循环变动率会发生突变。说明单一地提前点火提前角，不利于燃烧的稳定性，且高压EGR 方式下燃烧更容易产生恶化，这与文献[5]的结论相似。

图 3 不同工况下高低压废气再循环率对点火提前角和COV 的影响Fig.3 Effects of high and low pressure EGR ratio on ignition advance angle and COV ratio under different conditions

2.2 不同废气再循环率对发动机油耗的影响

如图4 所示，在两种工况不同EGR 布置方式下，燃油消耗率都是呈现先下降再上升的趋势，最高可提高3%的燃油经济性。在2 000 r/min，平均有效压力为0.5 MPa 工况下，通入废气再循环率为7%左右的废气时，由于废气对缸内高温的抑制作用开始降低，燃烧温度上升，燃油消耗率开始恶化。虽然在3 000 r/min，平均有效压力为0.8 MPa工况下，通入废气再循环率为15%左右的废气时，才会出现这种情况，但引入更高浓度的废气，从整体油耗变化趋势来看，并没有对油耗的降低有更大程度的帮助。这是因为通入的废气量较多，爆震裕度减小，此时需要推迟点火以降低缸内温度。高压EGR 的油耗高于低压EGR 的也是相同的原因。从有效效率也可以看出，低压EGR 普遍比高压EGR 有更好的节油效果。这是因为低压EGR系统引入的废气温度明显低于高压EGR 系统。汽油机EGR 系统产生节油效果的原因是发动机爆燃裕度和燃烧相位都得到了优化，且泵气损失降低。过分追求点火角提前造成燃烧恶化，会抵消这种趋势。

图 4 不同工况下高低压废气再循环率对燃油消耗率和有效效率的影响Fig.4 Effects of high and low pressure EGR ratio on fuel consumption and efficiency under different conditions

2.3 不同废气再循环率对发动机排放的影响

CO 的排放结果如图5 所示，随着废气再循环率的增加，排放量基本保持不变，这是因为保持过量空气系数不变的情况下，虽然随着废气再循环率的增加，燃烧持续期延长为CO 的生成争取了一定的时间，但缸内燃烧温度的下降也抑制了CO 的产生，两者相互抵消。这与文献[5，8]的结论不一致。这是由于缸内燃烧温度下降，燃烧持续期延长能促进碳氢化合物生成[9]，如图5 所示，碳氢化合物的生成随着EGR 的增加大幅上升，但随着转速的提高，上升趋势减缓。

图 5 不同工况下高低压废气再循环率对CO 和碳氢化合物的影响Fig.5 Effects of high and low pressure EGR ratio on CO and THC under different conditions

NOx的生成是高温、富氧条件下的N2的氧化作用[9]。汽油机的过量空气系数控制为1，所以，富氧作用对本实验NOx影响可忽略不计。在EGR系统实验中，影响NOx排放的效果最为明显，如图6 所示。因为，通入废气中的气体分子比热容较大，在相同的燃烧放热量下降低燃烧温度；同时延长燃烧持续期，降低缸内温度上升速率。这些因素降低NOx最高达到70%。

图 6 不同工况下高低压废气再循环率对NOx 生成的影响Fig. 6 Effects of high and low pressure EGR ratio on NOx formation under different conditions

3 结 论

通过在汽油机中低转速部分负荷下进行实验，对比研究高低压两种EGR 布置方式对发动机燃烧、油耗和排放的影响，得到结论：

a. 不同EGR 布置方式会造成引入的废气温度、成分有明显的差别。燃烧时引入废气后，缸压峰值会下降，缸压相位会滞后且爆燃裕度增加。低压EGR 对汽油机的影响效果要优于高压EGR，但要注意在低压EGR 布置方式下，废气通过冷却器会产生冷凝水，冷凝水对EGR 系统稳定性会产生较大的影响。

b. 在部分工况不同转速下，EGR 系统引入的废气具有较好的热容效应和减缓燃烧的作用，从而实现燃烧持续期延长、AI50 后移、点火角提前。但过高的废气再循环率引起高压EGR 的COV急剧上升，燃烧恶化。

c. 随着废气再循环率的增加，燃油消耗率先下降再上升。在3 000 r/min，0.8 MPa 工况下，汽油机对废气再循环率的包容性更大，有利于废气的注入。有效效率随废气再循环率的变化也说明了这一规律。中低转速部分负荷下，低压EGR 的燃油经济性明显好于高压EGR 的。

d. 不同EGR 布置方式对排放结果影响差别不大。注入废气时NOx的排放量明显下降，在中等转速时最多可下降70%。由于燃烧环境的变化，碳氢化合物的排放出现恶化，但CO 生成量基本无明显变化。