高能点火耦合EGR 对汽油机性能的影响

韩 松 张 晴 吴春玲 吴涛阳 许博雅 黄海营

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司 天津 300300）

引言

随着排放法规和燃油经济性要求的日益严苛，促使多种节能减排技术与装置应用于现代轿车并逐步发展成熟。发动机废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技术能够降低燃烧温度，抑制爆燃，提高燃油经济性，同时减少NOx排放量[1]。此外，再循环废气的引入使得进气歧管真空度降低，从而加大了节气门的开度，降低中低负荷泵气损失。但随着引入缸内的EGR 率增加，缸内燃烧情况会恶化，燃烧稳定性变差，油耗降低到一定程度后会再增加[2]。

高能点火是通过大幅度提高点火能量、磁场、电场来提高燃烧速率和完善度，从而达到综合改善内燃机性能的目的。实现高能点火，要加大点火能量，建立高温强电磁场[3]。提高点火能量、加大火花塞间隙、延长火花持续时间有利于火焰核的形成。强大的点火能量，可以保证火核生长快，不失火。高能点火弥补了采用较高EGR 率时点燃困难，燃烧恶化的缺点，可以有效提高EGR 率，进一步降低燃油消耗[4]。

1 高能点火及低压EGR 方案介绍

本实验采用了两款高能点火线圈与原机点火线圈（single ignition）进行对比。两款高能点火线圈分别是博格华纳贝鲁系统的多次点火线圈（multiple ignition）以及Diamond 的双线圈高能点火线圈（DCO）。博格华纳贝鲁系统的多次点火线圈能够在一段时间内连续充放电，实现火花塞多次跳火，提高点火能量，增强和改善发动机点火稳定性。DCO 同样能够实现多次点火，并且由于其Coil1 放电还没有结束，Coil2 就开始放电，两个线圈能量叠加，会使次级电流突升[5]。下图为不同点火线圈次级电流对比。

图1 点火线圈次级电流对比

低压冷却EGR 系统安装在测试发动机上如图2所示。该系统由一个EGR 冷却器、阀门和管路组成，废气由三元催化转化器后部引出，经冷却器和阀门后引入压气机前。冷却器将EGR 温度降低到95～120 ℃。

图2 低压冷却EGR 系统安装方案图

2 工况点选取

本文的研究对象是一台四气门缸内直喷涡轮增压汽油机，其主要参数如表1 所示。喷油系统采用博世高压燃油共轨系统，最大共轨压力达35 MPa。其进气凸轮轴与排气凸轮轴包角分别为220°CA 和205°CA，凸轮轴包角定义为从气门开启1 mm 至关闭1 mm 所对应的曲轴转角。其最大气门升程分别为10.8 mm 和9.2 mm。

表1 发动机参数

本文对小负荷工况点2 000 r/min，0.2 MPa 和中等负荷工况点2 400 r/min，1.2 MPa 进行高能点火试验研究，测试燃料为辛烷值为92 的汽油。试验过程中，保持进气温度在（25±2）℃范围内、发动机出水温度在（88±2）℃范围内、机油温度在（90±5）℃范围内。试验中，在小负荷工况点，通过调节进排气VVT，改变气门重叠角，从而获得不同的内部EGR 率，无需引入外部EGR。中等负荷需要引入外部EGR，通过调节EGR 阀开度来改变EGR 率。保持发动机过量空气系数为1，通过调整点火提前角调节燃烧相位，使得50%放热的曲轴转角AI50 在压缩上止点后8°CA 附近或爆燃边界。

3 试验结果分析

3.1 小负荷工况点

图3 为2 000 r/min、0.2 MPa 工况点不同内部EGR 率时，三种点火模式下缸内燃烧稳定性对比。在EGR 率较低时，混合气易于点燃，燃烧稳定性都很好。随着EGR 率的增加，single 点火模式下，缸内燃烧情况最先恶化。当EGR 率达到14%，multiple 点火模式下，缸内燃烧也开始恶化，而single 模式发动机已不能稳定运转。DCO 点火模式的点火能量最高，显著地改善了高EGR 率时的燃烧稳定性。

图3 小负荷工况点循环变动系数对比

图4 为2 000 r/min、0.2 MPa 工况点不同内部EGR 率时，三种点火模式下初始内核形成持续期（0～2%MFB）对比。由图4 可知，使用DCO 模式，发动机的初始内核形成周期比其他两种模式短，特别是E GR 率较高时，效果更为明显。发动机燃烧稳定性的改善来源于高能点火对于火核形成的改善[6]。

图4 小负荷工况点0～2%MFB 对比

图5 为2 000 r/min、0.2 MPa 工况点不同内部EGR 率时，三种点火模式下燃油消耗率对比。增大气门重叠角，缸内EGR 率增加，同时泵气损失降低，显著降低燃油消耗率。但由于EGR 率增加，使缸内燃烧恶化，燃油燃烧不完全，燃油消耗率再次增加。采用高能点火后，拓展了EGR 率极限，在高EGR 率下改善了燃烧。Multiple 点火模式可将EGR 率拓展到11%，保证循环变动率低于5%，油耗降低4.87%。DCO 点火模式下，在EGR 率为14%时仍然具有较好的燃烧稳定性，内部EGR 耦合DCO 高能点火方案使2 000 r/min、0.2 MPa 工况点油耗降低7.34%。

图5 小负荷工况点燃油消耗率对比

3.2 中等负荷工况点

图6 为2 400 r/min、1.2 MPa 工况点不同外部EGR 率时，三种点火模式下缸内燃烧稳定性对比。Single 点火模式下，EGR 率20%时，燃烧稳定性恶化，循环变动率大于5%。采用高能点火模式，都有效拓展了该工况点所容忍的最高EGR 率。尤其是DCO点火模式，EGR 率达到25%时，燃烧循环变动系数为3.6%，发动机仍能稳定燃烧。

图6 中负荷工况点循环变动系数对比

图7 为2 400 r/min、1.2 MPa 工况点不同内部EGR 率时，三种点火模式下初始内核形成持续期（0～2%MFB）对比。在中等负荷高能点火模式对初始内核形成的影响规律与小负荷时基本相同。DCO 点火模式耦合EGR 技术，在EGR 率为25%时，初始内核形成持续期只增加8.0°CA。

图7 中负荷工况点0～2%MFB 对比

图8 为2 400 r/min、1.2 MPa 工况点不同外部EGR 率时，三种点火模式下燃油消耗率对比。中高负荷时，泵气损失较小，引入低压冷却EGR 对降低泵气损失影响很小。但其能够有效改善发动机中高负荷爆燃情况，从而使点火角大大提前，这样使更多的燃料在发动机上止点附近燃烧，改善发动机燃烧等容度。采用DCO 点火模式耦合低压EGR，在EGR 率为25%时，能够将AI50 提前到上止点后8°CA，使油耗降低到211.8g/（kW·h），相对于原机single 点火模式无外部EGR 时，油耗降低6.1%。

图8 中负荷工况点燃油消耗率对比

4 结论

1）采用高能点火模式，使发动机在较高EGR 率时仍能稳定燃烧，有效拓展了发动机所容忍的最高EGR 率。在燃烧不恶化的情况下，DCO 点火模式，使2 000 r/min、0.2 MPa 和2 400 r/min、1.2 MPa 工况点最高EGR 率分别提高了6%和10%。

2）高能点火模式对低EGR 率时发动机初始内核形成周期影响较小，但能有效降低高EGR 率时初始内核形成周期，利于火核形成，提高发动机燃烧稳定性。

3）DCO 高能点火耦合EGR，2 000 r/min、0.2 MPa工况点在EGR 率为14%时仍能稳定燃烧，有效降低泵气损失，油耗降低7.3%。2 400 r/min、1.2 MPa 工况点在EGR 率为25%时，有效改善爆燃，将AI50 提前到上止点后8°CA，使油耗降低到211.8 g/（kW·h），相对于原机single 点火模式无外部EGR 时，油耗降低6.1%。