压缩比及EGR对直喷米勒循环汽油机性能影响的试验研究

李云虹，杜家坤，秦博，陈泓，江枭枭，李艮坤

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434)

为应对全球能源危机及环境污染，节能减排已成为了汽车工业发展的必然趋势。发动机小型化，是指通过提高平均有效压力来降低气缸容积而保持功率不变，或者提高功率和扭矩而不增加气缸容积，同时提高发动机效率。发动机小型化是目前最有前途的用来改善油耗及满足排放法规的方法之一[1]。为了保证小型化发动机正常的功率和扭矩输出，增加压缩比是最有效的手段之一[2-4]，但同时会增加缸内燃烧温度，爆震倾向加剧，一定强度的爆震，会导致发动机各组件磨损严重，扭矩和功率迅速下降。对性能直接的影响是造成点火时刻的推迟，燃烧相位推迟，进而造成燃烧恶化，限制了压缩比增加对汽油机中高负荷热效率和油耗的改善效果。目前已有研究表明，通过提高空燃比和引入EGR等途径可有效抑制爆震的发生[5]。Cairns等[6-7]的试验证明，在有效抑制爆震的基础上，部分负荷工况下发动机使用更高的压缩比，能使发动机实现更大的热效率。

废气再循环(EGR)技术作为降低NOx排放最有效的手段[8]，在柴油机国Ⅳ和国Ⅴ阶段已经被大量应用。随着汽油机小型化的发展，一些先进的柴油机技术已经被逐步应用到汽油机的发展上。引入EGR，可提高缸内工质的比热容，进而降低缸内燃烧温度，可大幅度降低NOx排放，同时可缓解爆震倾向，降低排气温度，从而燃烧相位提前，弥补了压缩比增加导致点火推迟的不利影响，有效实现燃油经济性的提升。Diana等[9]利用EGR的稀释作用，将汽油机的压缩比提高到了13.5。Grandin等[10]将涡轮增压与EGR技术相结合，发现EGR技术可在提高平均有效压力(BMEP)或压缩比(CR)的情况下有效地抑制爆震。Shojaeefard等[11]基于GT-Power研究了EGR在涡轮增压汽油机高负荷下对爆震和油耗的影响，结果表明，EGR能有效抑制爆震，并能大大降低燃油消耗及CO、NOx排放。

高压缩比可有效提高汽油机的热效率，但容易引发爆震，而EGR可在降低排放的同时有效地抑制爆震，两种技术路线相耦合对燃油经济性和排放的综合影响目前研究较少，因此，本研究基于一台1.5 L的汽油机，研究了压缩比和EGR耦合对发动机燃烧性能和排放的影响。

1 试验研究平台和试验条件

1.1 试验装置与测试设备

试验用发动机为一台排量1.5 L的缸内直喷汽油机，EGR系统采用催化器后取气引入压气机前的低压EGR方案，并对EGR进行冷却，通过节流阀和EGR阀控制EGR率。试验发动机的基本参数见表1。

表1 发动机主要参数

试验中发动机压缩比的提升是通过增加活塞顶高度，即缩小活塞上止点位置时活塞顶距缸盖的距离实现的。同时，为实现米勒循环燃烧，对奥托循环发动机进气凸轮轴进行重新设计，通过减小进气凸轮包角并配合降低气门升程实现进气门提前关闭，形成米勒(EIVC)效应。试验中所选凸轮轴方案见图1。

图1 试验用发动机进气凸轮轴对比

试验台架所用测功机为奥地利AVL电力测功机，采用AVL 735S油耗仪测量发动机燃油消耗量，配有753C油温控制装置,缸内压力测量采用Kistler 6115B型缸压传感器，利用AVL INDICOM燃烧分析仪进行数据采集及处理分析，发动机原始排放(CO，HC，NOx，CO2，O2等)通过HORIBA MEXA-7100DEGR进行测量。EGR率基于进排气CO2浓度进行计算：

(1)

式中：CO2in为经过再循环废气稀释后进气中的CO2体积分数；CO2exh为排气中的CO2体积分数；CO2amb为大气环境中的CO2体积分数。

1.2 试验研究方案

选取发动机典型的特征工况点，针对EGR及压缩比对发动机燃烧及排放的影响开展试验研究，试验工况点选取见图2。试验过程中点火角均设定在MBT位置，同时对于不同负荷工况，均通过调节配气相位以达到对应最优油耗水平。对于涡轮增压汽油机，EGR的引入必然会带来增压器工作效率的变化，针对EGR进行对比时，EGR阀处于全开状态，结合进排气管压差、管路压损、增压器工作状态及混合气加浓等发动机实际运转因素的影响，综合评价EGR对增压直喷汽油机整体性能的影响程度。

图2 试验工况的选取

2 试验结果及分析

2.1 压缩比对发动机燃烧特性的影响

图3示出发动机在中等转速(3 000 r/min)不同负荷工况条件下，压缩比对发动机燃烧特征参数的影响规律。从图3中可以看出，发动机中等转速条件下，压缩比对发动机不同负荷工况燃烧过程的影响存在显著差异。主要原因在于，压缩比的提升可有效提高压缩冲程末期缸内温度及压力，燃料与空气所形成的可燃混合气热力状态得到改善，化学反应速率加快，缸内最高燃烧压力升高，可燃工质做功能力增强，燃油消耗率有所降低。受限于发动机的爆震特性，中高负荷工况下，提高压缩比会导致燃烧相位(AI50)有所推迟。对于低负荷工况，压缩比的提升对燃烧相位影响不明显，但燃烧持续期(AI10-90)有所延长，燃烧等容度降低。主要原因在于，对于缸内直喷汽油机，燃烧速度不仅受缸内混合气浓度场分布的影响，而且对燃烧过程缸内湍动能分布更为敏感。试验中增加压缩比后，缸内活化氛围及热氛围改善，滞燃期缩短。为保证燃烧相位处于适宜位置，需适当推迟点火时刻，由于湍动能耗散的影响，推迟点火时刻会使燃烧过程缸内湍动能分布出现差异，进而导致燃烧持续期有所缩短。

图3 发动机压缩比对燃烧特征参数的影响

图4示出不同压缩比下燃油消耗率及泵气损失特性对比。由图可知，增大压缩比有助于改善中、低负荷工况下的燃油消耗率，但对于高负荷工况改善效果有所减弱。中等以下负荷工况，通过提高压缩比，泵气损失均有不同程度改善，且平均有效压力0.8 MPa附近改善效果更为明显，但随负荷继续升高，泵气损失有所增加。综合缸内燃烧压力、燃烧相位及泵气损失等多方面影响因素，在中、低负荷工况下提高压缩比可使燃油消耗率进一步降低。

图4 不同压缩比下燃油消耗率及泵气损失特性

为进一步揭示压缩比对发动机燃油经济性的影响规律，针对发动机不同转速外特性工况燃油消耗率进行对比分析(见图5)。由图5可见，不同压缩比条件下，随转速升高，发动机燃油消耗率均呈现先减小后升高的趋势，主要原因在于随转速升高，活塞运动速度增加，进气冲程中新鲜工质流过气门流速增大，缸内滚流强度升高，更高的滚流强度有助于压缩冲程末期缸内高强度湍流的形成，改善湍流燃烧速率，一定程度上抑制爆震倾向。但转速过高易导致发动机运动件摩擦副摩擦功增大，摩擦损失增加，燃油消耗率有所升高。对比不同压缩比情况可以发现，在外特性工况，与中等负荷工况不同，高压缩比限制了油耗的进一步改善。主要原因在于，由于爆震的限制，过高的压缩比会导致燃烧相位进一步推迟，燃烧过程更多地在排气冲程进行，此时活塞下行，做功能力减弱，热功转化效率降低，燃油消耗率有所升高。

图5 不同转速外特性工况下压缩比对燃油消耗率的影响

2.2 EGR技术对发动机燃烧和排放的影响

前期研究表明，提高压缩比有助于改善热效率，但会导致发动机爆震倾向增大。为进一步改善发动机爆震特性，采用冷却EGR技术改变进气工质属性，研究EGR率对发动机燃烧及排放的影响规律。图6示出EGR率对发动机典型特征工况燃烧相位(AI50)、燃烧持续期(AI10-90)的影响规律。从图中可以看出，引入EGR后，燃烧相位均有不同程度的提前，燃烧持续期有所延长，且不同运转条件下引入EGR后对燃烧特征参数的影响程度存在一定差异。在中等转速中等负荷工况下，燃烧相位变动幅度可达8°，而在低速低负荷工况，燃烧相位变化不大。主要原因在于再循环的废气中含有大量的CO2、N2、NO、H2O等[12-13]，将其引入缸内会导致混合气比热容的增加，缸内燃烧温度降低，同时混合气中的O2浓度降低，燃料分子与氧分子微观碰撞速率降低，燃烧化学反应速率变慢，进一步抑制末端混合气的自燃倾向，从而对爆震有一定的改善效果，使得AI50可进一步提前，但燃烧反应速率变慢导致了燃烧持续期延长。

图6 AI50和AI10-90随负荷的变化规律

图7示出发动机不同负荷下EGR对燃油消耗率和NOx排放的影响对比。小负荷工况下EGR的引入比较困难，通过增加EGR来减少泵气损失的效果非常有限，同时小负荷工况没有爆震问题，通过增加EGR优化燃烧相位抑制爆震的效果不明显，因此EGR在小负荷工况下对油耗的改善效果较小。但在中等负荷及大负荷工况，EGR的稀释效应一方面降低了缸内平均温度，发动机传热损失减少，另一方面通过抑制爆震，使得燃烧过程整体提前，有利于热功转化，燃油经济性得到明显改善。其中，2 000 r/min，平均有效压力为0.2 MPa时燃油消耗率较无EGR状态降低约0.6%，而对于3 000 r/min，平均有效压力为1.4 MPa及5 500 r/min外特性工况点，较无EGR状态分别改善约6.9%及5.4%。

图7 燃油消耗率和NOx排放随负荷的变化规律

由图7还可以看出，引入EGR后，由于燃烧温度的降低，NOx排放明显下降。对比图8 THC及CO的变化规律可以发现，由于缸内氧浓度及燃烧温度的降低，中低负荷工况EGR的引入均会导致未燃HC及CO排放的增加，但在高速外特性工况，由于引入EGR后能够降低排气温度，有助于避免由于排温过高而采取的混合气加浓，对燃油经济性及未完全燃烧产物排放均有益处。

图8 THC和CO排放随负荷的变化规律

2.3 EGR耦合高压缩比对燃烧和排放的影响

为进一步分析高压缩比结合EGR对发动机性能的影响，针对不同压缩比条件下EGR对燃油消耗率的改善率进行对比分析。由图9可以看出，高压缩比情况下，由于发动机爆震区间增大，EGR对爆震抑制的作用范围有所扩展，中低转速条件下，平均有效压力为0.5 MPa时，通过引入EGR，可使燃油消耗率改善约1%。同时，EGR对燃烧过程的强作用区逐渐向高速高负荷方向迁移，并最终使发动机在3 250 r/min，平均有效压力为1.4 MPa时燃油消耗率由215 g/(kW·h)降低至213 g/(kW·h)。此时，综合高压缩比时的油耗潜力和EGR对爆震的抑制能力，使得燃烧过程得到进一步优化，燃油经济性得到改善。

图9 不同压缩比下EGR对燃油消耗率的改善率分布

3 结论

a) 提高压缩比有助于改善中低负荷工况燃油经济性，对于3 000 r/min，平均有效压力为0.2 MPa的典型特征工况点，压缩比提升一个单位后，燃油消耗率降低达5.7%；

b) 提高压缩比对于大负荷工况的燃油消耗率改善效果不明显，尤其对于外特性工况，由于爆震的限制，提高压缩比会导致油耗明显恶化；

c) 通过引入再循环废气，可优化燃烧过程，降低NOx排放，并抑制爆震的发生；中等转速中等负荷工况下，引入20%EGR后可使燃油消耗率降低达6.9%，但对于2 000 r/min，平均有效压力为0.2 MPa的特征工况，油耗改善不明显；

d) 提高压缩比并结合EGR，可扩大EGR的作用负荷工况范围，进一步改善燃油经济性，并维持低的NOx排放。