不同工况下EGR率对发动机性能的影响

韩立伟，史明杰，徐金辉，旷云龙

比亚迪汽车工业有限公司，广东 深圳 130022

0 引言

为实现我国提出的“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”[1]目标，需要进一步提高发动机的热效率以降低油耗,废气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)技术是广泛应用的技术之一。EGR技术从排气管引出部分废气，经进气管重新进入燃烧室参与燃烧。相同工况点下引入废气可以使节气门开度增加，降低了泵气损失从而降低发动机油耗[2-4]。引入废气可以使燃烧温度降低，降低NOx排放，同时抑制爆震，使点火角提前，降低比油耗[5-8]。但是，引入废气的同时使燃烧速度降低，增加燃烧持续期，从而影响发动机的指示功[9-10]。EGR率为废气与进气量之比，是评判EGR对发动机性能影响的重要量化指标，EGR率增加，降低泵气损失和爆震趋势，降低油耗，增加燃烧持续期，降低动力性，导致发动机不能兼顾油耗和动力性[11-13]。研究EGR率对发动机的泵气损失、爆震趋势、燃烧持续期的影响以及它们之间的相互关系，对优化发动机性能具有重要意义。

本文中基于某台1.5 L自吸发动机，通过发动机台架试验研究不同EGR率对泵气损失、爆震趋势、燃烧持续期的影响，找出各参数之间的平衡关系，为发动机性能优化提供理论支持，为EGR标定提供参考。

1 试验设备与方法

1.1 试验设备

试验采用某1.5 L直列4缸、自然吸气、气道喷射汽油机，主要技术参数如表1所示。

表1 发动机主要技术参数

试验台架示意如图1所示。EGR采用催化器后取气方式，通过EGR冷却器降温后流经EGR阀进入发动机进气管。采用AVL台架及测功机控制目标工况点，使用AVL油耗仪测量比油耗，采用AVL燃烧分析仪测量稳态工况点100个循环的平均值，计算燃烧始点、燃烧中心、燃烧终点、泵气损失和平均指示压力波动率等参数，分析燃烧过程，采用HORIBA废气分析仪测量进气与排气中CO2的体积分数，计算EGR率。

图1 发动机台架示意图

1.2 试验方法

试验室环境温度为21 ℃，发动机冷却液温度保持恒定为90 ℃，发动机转速为2400 r/min, 平均有效压力分别为350、700和965 kPa，EGR率在0～20%按一定间隔选取。部分负荷工况点试验时，控制EGR阀开度、节气门开度和点火角，保证稳定在同一工况点，同时保证燃烧过程中燃烧中心在上止点后对应的曲轴转角为8°附近或在爆震边界内，从而实现最低油耗；在外特性工况点试验时，控制EGR阀开度、节气门开度(全开)和点火角，保证稳定在同一工况点，同时保证在爆震边界内燃烧。

2 数据分析

由燃烧始点和终点可得到燃烧持续期，燃烧分析仪根据缸压计算得到泵气损失，根据平均指示压力计算得到循环波动率，表征该工况点的燃烧稳定性。

2.1 低负荷工况下EGR率对发动机性能的影响

发动机转速为2400 r/min、平均有效压力为350 kPa时EGR率对发动机性能的影响如图2所示。

图2 转速为2400 r/min、平均有效压力为350 kPa时EGR率对发动机性能的影响

由图2a)可知：EGR率由0增加到17%，泵气损失从约50 kPa降低到44 kPa，这是因为随着EGR率增加，节气门开度逐渐增大，导致泵气损失逐渐降低。由图2b)、c)可知：随着EGR率从0到17%逐渐增加，燃烧持续期逐渐增大，为了保证燃烧中心在上止点后对应的曲轴转角约为8°，控制点火角逐渐提前，此外从燃烧持续期和燃烧中心变化趋势可推算出点火角和燃烧始点逐渐提前；EGR率从0增加到17%，燃烧持续期对应的曲轴转角从22°增加到31°，EGR率大于10%后，EGR率对燃烧持续期的影响更加明显。由图2d)可知：随着EGR率增加，循环变动逐渐增大，但EGR率超过10%后，燃烧持续期显著增加。由图2e)可知：EGR率从0增加到17%，比油耗随EGR率增加先降低后升高，EGR率为10%时比油耗最低；表明该工况下EGR率大于10%后，随着EGR率的增加，燃烧稳定性逐渐恶化。

比油耗是机械效率和指示热效率综合影响的结果，泵气损失和燃烧持续期分别影响机械效率和指示热效率，二者随EGR率变化的趋势相反，当二者变化率达到平衡即EGR率为10%时，比油耗最低。

2.2 中负荷工况下EGR率对发动机性能的影响

发动机转速为2400 r/min、平均有效压力为700 kPa时EGR率对发动机性能的影响如图3所示。

图3 转速为2400 r/min、平均有效压力为700 kPa时EGR率对发动机性能的影响

由图3可知：EGR率由0增加到20%，泵气损失从24 kPa降低到15 kPa，这是因为随着EGR率的增加，节气门开度逐渐增加，泵气损失逐渐降低[14]，当EGR率增加到18%时，节气门开度接近全开，所以继续增加EGR率到20%时，泵气损失降低幅度很小；EGR率从0增加到20%，燃烧中心对应的曲轴转角由15°降低到8°附近，因为此时为中等负荷，存在爆震趋势(一般通过燃烧中心是否在8°附近可以判断是否有爆震)，EGR率增加可以降低燃烧速度、燃烧温度，抑制爆震，增加点火角，所以燃烧中心逐渐提前[15]；随着EGR率从0增加到20%，燃烧持续期对应的曲轴转角从21°增加到25.5°，原因与低负荷时相同；因为燃烧中心提前，燃烧循环变动略有下降；EGR率从0增加到18%，比油耗显著降低，EGR率由18%增加到20%，比油耗增加了2 g/(kW·h)，表明EGR率从18%增至20%时，泵气损失下降对机械效率的改善幅度较小，无法弥补燃烧持续期增加以及工质多变指数下降对指示热效率的影响。

2.3 外特性工况下EGR率对发动机性能的影响

因为本发动机为自然吸气发动机，外特性节气门全开，增加EGR率会降低进入缸内新鲜空气的质量，导致动力性降低。

发动机转速为2400 r/min、平均有效压力为965 kPa(外特性负荷)时EGR率对发动机性能的影响如图4所示。

由图4可知：EGR率由0增加到4%，泵气损失基本不变，约为7.5 kPa，这是因为外特性节气门全开，增加EGR率会降低进入缸内新鲜空气的质量，进气压力保持不变，所以泵气损失几乎不变；EGR率由0增加到4%，燃烧中心对应的曲轴转角由25.0°降低到21.7°，EGR率增加很小，燃烧中心提前较为显著，因为此时为外特性工况，爆震趋势较严重，EGR率增加可以降低燃烧速度和燃烧温度，抑制爆震，从而使点火角提前，燃烧中心也随之提前且较为明显；EGR率由0增加到4%，燃烧持续期不但没有恶化，反而轻微降低，这是由于EGR率的增加抑制爆震且使点火角提前的综合结果；EGR率由0增加到4%，燃烧稳定性相对改善但趋势不明显，这同样是抑制爆震且使点火角提前的综合作用结果；EGR率由0逐渐增加到4%，比油耗降低8 g/(kW·h)，EGR率增加幅度很小，但比油耗降低幅度较大，因为在外特性工况点EGR率增加可以显著抑制爆震，提前点火角，从而显著降低油耗。因此，针对自然吸气发动机，在外特性工况如果轻微增加EGR率，不但不会降低动力性，而且可使油耗显著降低。发动机在该工况点的EGR率可以增加到4%，如果是增压发动机，提高进气压力，可以进一步增加EGR率，油耗降低将更为显著。

图4 转速为2400 r/min、平均有效压力为965 kPa时EGR率对发动机性能的影响

3 结论

1)低负荷工况下，无爆震趋势，随着EGR率的增加，泵气损失显著降低，燃烧持续期显著增加，二者达到平衡，EGR率为10%时的油耗率最低。

2)中负荷工况下，存在爆震趋势，随着EGR率的增加，燃烧持续期显著增加；当EGR增加到18%时，节气门接近全开，此时油耗最低；若继续增加EGR率，泵气损失降低幅度很小，不能弥补燃烧持续期增加带来的热效率损失，导致油耗增加。

3)外特性工况下，爆震趋势较为严重，EGR率小幅度增加(4%)，抑制爆震趋势明显，燃烧中心显著提前，油耗率显著降低。