低压废气再循环（LP_EGR）在汽油机上的应用

工作点都达到最佳状况，从而使燃烧过程始终处于最理想的情况，最终保证排放物中的污染成份最低。EGR分为高压EGR（HP_EGR）和低压EGR（LP_EGR）。

笔者讨论的发动机是进气道喷射增压汽油机。由于LP_EGR相对HP_EGR更能有效提高抗爆震性、降低氮氧化物以及在废气循环工作范围较大的优势而被采用。笔者主要从发动机的节油、抗爆震性、和NOx、HC排放三方面讨论LP_EGR对发动机的实际影响。

2    试验装置与试验方法

2.1 发动机参数与试验装置

笔者讨论的发动机是1.5L涡轮增压进气道喷射的进排气双连续可变气门正时系统（DVVT）汽油机。该发动机引入EGR前已经采用BOCH新开发的UD6平台完成台架匹配。发动机的具体参数如表1所示。

表1 发动机参数

试验设备包括AVL测功机，PUMA1.52台架测试系统、AVL735S 瞬态油耗仪、Kistler 6115BFD 缸压传感器、Indicom燃烧分析仪、Horiba MEXA-7500D 排放测试仪、空燃比计（ES630）、和Boch UD6平台电控单元。

2.2   LP_EGR系统

图1是笔者讨论的LP_EGR方案的工作原理图。废气经过EGR冷却器（EGR cooler）冷却后通过EGR阀进入到增压器压气机进气口前端，和新鲜空气混合后经过涡轮增壓再通过中冷器进入进气歧管，再在进气道与汽油混合后进入到气缸燃烧。c处的温度传感器提供温度信号控制d处EGR冷却器的工作，通过调节水流量的大小来调节进入EGR阀的废气温度。而EGR阀的开度主要根据b处的压差传感器信号来控制。a处的混合阀的主要作用是制造合适压气机前端的真空度，使得低压废气更容易通过EGR阀。EGR率=[CO2]intake/[CO2]exhaust，其中[CO2]intake是进气端的CO2浓度，[ CO2]exhaust是排气端的CO2浓度。

3    LP_EGR对发动机工况影响分析

图2是本款发动机的万有特性工况图（发动机处于开发阶段，最大扭矩不便列出）。为便于分析LP_EGR对发动机各工况燃烧的影响，整个工况图大致划分为A、B、C、D共4个区域，分别对应不同的转速和负荷。

3.1   LP_EGR对小负荷的影响

发动机工作在小负荷区域时（图2的A区域），节气门开度较小，泵气损失较大。引入LP_EGR后在同样节气门开度的情况下可减小进气时气缸内外的压力差，减小泵气损失。

3.2   LP_EGR对部分负荷的影响

LP_EGR主要从以下两个方面改善发动机部分负荷（大致对应于图2的B区域）的燃烧：1、主要通过降低燃烧温度来改善传热损失和降低混合气点燃温度来增加工质比热比实现理论热效率的提高;2、通过混合气的稀释降低气缸内外的压力差，起到减小的泵气损失的作用。

3.3   LP_EGR对低速中大负荷和中高速的中等负荷的影响

LP_EGR主要从以下3方面改善发动机低速中大负荷和中高速的中等负荷工况（大致对应于图2的C区域）的燃烧：1、通过稀释混合气来降低气缸内外的压力差，实现泵气损失的减小;2、主要通过降低燃烧温度来改善传热损失和降低混合气点燃温度来增加工质比热比实现理论热效率的提高;3、提高发动机的抗爆震性能来改善爆震、优化燃烧重心，使燃烧重心处于或接近于CA50，实现发动机工作等容度的提高。

3.4   LP_EGR对中高速大负荷的影响

LP_EGR改善发动机中高速大负荷工况（大致对应于图2的D区域）的燃烧主要有以下3个方面：1、该区域空燃比加浓保护部件在耐受的温度范围内造成的燃烧效率减弱，EGR可降低燃烧温度，减稀空燃比，提高燃烧效率;2、通过降低混合气点燃温度来增加工质比热比，实现理论热效率的提高。3、提高发动机的抗爆震性能来改善爆震、优化燃烧重心，使燃烧重心更为接近CA50，提高发动机工作的等容度。

4    发动机EGE率的匹配方法与结果

4.1 发动机EGR率的匹配方法如下：

1、发动机的VVT角度保持引入EGR前匹配好的VVT角度、喷油压力和喷油相位不变。

2、工况实现：PUMA设备控制发动机转速N和负荷为设定的目标值，INCA设置不同的EGR率来进行试验。

3、每个工况的试验要求：1）保证缸内燃烧循环变动系数COV<3%的条件下（COV是Indicom燃烧分析仪衡量发动机燃烧稳定性的重要参数，0<COV<3%时发动机的燃烧稳定性比较好），逐步开启EGR阀进行扫描;2）调整点火提前角使得AI50（Indicom燃烧分析仪计算出的发动机燃烧50%放热率的参数）保持在在7～9°或者爆震边界;3）中低负荷、无爆震、无排气温度过高的工况，空燃比等于1;中大负荷工况排温过高时适当加浓空燃比。

4.2   EGR率的匹配结果

图3是匹配完成后发动机万有特性工况对应的EGR率。从图3可看出：1400rpm～4400rpm转速范围内的中大负荷的EGR率都在2%以上，转速越高EGR率越大。在中等转速的中大负荷区域EGR率可以开得较大，均在10%以上。而小负荷工况、低速中大负荷工况和高速中大负荷工况的EGR率较小，EGR阀接近于关闭状态。这是因为中高转速的中大负荷区域可以通过增大EGR率来降低传热损失、提高等度和优化燃烧重心，从而实现油耗率与排放的优化。而小负荷工况、低速中大负荷工况和高速中大负荷工况，为了兼顾发动机的燃烧稳定性、动力性以及经济性，这些区域的EGR阀接近于关闭状态。

5    EGR对发动机油耗率影响

5.1   中大负荷节油空间

图4是该款发动机引入LP_EGR前的做完台架匹配后的空燃比万有特性图。由汽油机的特性可知，排气温度会随着工况的转速升高和负荷的加大越来越高，而在匹配时为了保护部件在合理的工作溫度内，只能适度加大喷油量，加浓空燃比来进行降排气温度的部件保护。从图4右上方区域也可看出中高转速和中高大负荷空燃比要进行适当加浓对部件进行保护，转速越高、负荷越大，空燃比的加浓程度越大，此时大致对应于图2的D区域和C区域的部分工况。而在中低速中大负荷工况（大致对应于图2的C区域），因抑制爆震而推迟点火角，从而使得等容度降低。由LP_EGR对发动机工况影响分析可知，引入EGR后，图2的C、D两个区域的工况的空燃比和爆震将会得到改善，等容度得到提升，点火角也可适当提前，因此油耗也将会得到改善。

5.2   LP_EGR单个转速工况的节油趋势

（a）油耗率与EGR率关系

（b）节油百分比与EGR率关系

图5是发动机2500rpm部分工况的油耗与EGR率的变化关系，其中（a）是2500rpm的中小负荷工况在不同EGR率下的油耗率表现，而（b）是2500rpm的中小负荷工况在不同EGR率下的节油百分比。由图5可以看出各负荷的油耗率先是随着EGR率的增加而下降，然后随着EGR率增加到一定程度再上升。在中等负荷时（约在12bar～14bar左右），由于引入EGR降低了燃烧温度和提高发动机的抗暴性，空燃比和点火角均可提升较多，故而油耗率对EGR率的大小比较敏感。显然引入LP_EGR后，可以改善传热损失、泵气损失和提高热效率，从而降低油耗率，而且每个工况都只有一个最佳油耗率的EGR率。但到了最佳油耗率的EGR率后，继续增大EGR率会导致缸内燃烧稳定性变差，燃烧效率下降，进而导致油耗上升。

5.3   LP_EGR总体节油情况

图6是引入LP_EGR后油耗率万有特性图，图7引入LP_EGR后节油百分比万有特性图数据来源于（原机油耗率-引入LP_EGR后油耗率）/原机油

耗率。可以看出引入EGR后，该款发动机的油耗率有了明显的改善，尤其是在中大负荷区域油耗率减少约减少7%～20%，而最低的油耗率约出现在2600rpm的77%全负荷的工况点，约为222.8g/kW·h。

笔者认为LP_EGR主要从以下三方面来改善油耗率：1、中大负荷区域引入EGR前，为了保护零部件，只能通过加浓空燃比来保证排气温度不能超过部件的耐受温度。引入EGR后，燃烧温度降低使得过量空气系数等于1或接近1。如图8所示，引入LP_EGR的过量空气系数相比引入前，增大约5%-20%不等。2、该区域的点火提前角由于爆震限制导致推迟较多，不能充分发挥出发动机有效功的潜力。引入LP_EGR后，改善了发动机的抗爆震能力，点火角可以提前很多。如图9所示，点火角可提前5～13度曲轴转角（CA），进而使得点火时刻处于或尽量接近AI50，提升有效热效率。3、LP_EGR泵气损失和传热损失的减小能提高发动机的有效功输出。以上表明增压汽油机应用低压EGR能够有效提高发动机热效率，具有较大的节油潜力。

6    LP_EGR对发动机抗爆震能力的影响

图9是引入LP_EGR后的点火角相比原机点火角提前角度的万有特性图。据图4可知，引入LP_EGR后点火角得到较大的提升，在引入EGR区域的工况点火角普遍能提前5～13度CA不等，最大点火角可提前13.75度CA。笔者认为这是因为：引入LP_EGR前，在发动机的中大负荷区域发动机的爆震倾向较强，只能通过推迟点火角来抑制爆震。引入EGR后：1） EGR废气属于惰性气体且起到稀释缸内混合气、减缓混合气燃烧速率的作用，可改善发动机的抗爆震性。2）EGR废气比热容高可吸走燃烧室部分热量，降低燃烧温度，改善发动机的抗爆震性。表现为图9中不同负荷下，点火角可以可提前得幅度不一样。故而引入LP_EGR可以有效抑制EGR区域的爆震，各工况均可不同程度地增加点火提前角。

7    EGR对发动机排放的影响

7.1   EGR对NOx排放的影响

图10是原机减去引入LP_EGR的NOx排放百分比万有特性图，数据来源于（原机NOx排放值-引入LP_EGR的NOx排放值）/原机NOx排放值。对本款发动机的而言，发动机中小负荷区域的空燃比

控制在理想空燃比1或避免加浓。据图10可看出引入LP_EGR后，在发动机的中小负荷工况下的NOx排放有了明显的降低，大部分降幅均在20%-60%之间，最大降幅约为100%。笔者认为导致该区域NOx排放改善的主要原因有以下两点：1、EGR废气的CO2、H2O的比热容较高，与新鲜空气混合后，混合气的比热容相应增大，吸走部分燃烧室内的能量，导致燃烧速度减缓、燃烧室温度的降低，抑制了NOx生成的高温边界条件;2、循环的废气和新鲜空气混合后，对新混合气起到稀释作用，降低了混合气中O2 浓度，也能在一定程度上抑制NOx的生成。对于大负荷区域来说，EGR的引入使得空燃比适当偏稀和提前较多的点火提前角，在一定程度上改善了燃烧。但该区域的空燃比相对未引入EGR前偏稀约5%～20%不等，相当于该区域在原来高温的情况下多了约5%～20%的氧含量。由NOx产生的高温富氧条件可知大负荷区域的NOx排放有恶化倾向，而图10的匹配结果也证实了这一点。大部分的大负荷区域NOx排放增加了20%～150%不等，最多约增加了215%（约在4000rpm的93%全负荷工况点），且在该区域NOx排放增加的幅度随负荷增大而急剧增大。具体来看，1400rpm～1600rpm左右的大负荷区域， NOx排放增加的区域面积约占相应转速全部工况的10%左右。1600rpm～2400rpm的大负荷区域的NOx排放增加的工况约占相应转速全部工况的5%左右。而中高速大负荷的NOx排放增加工况占到相应转速发动机工况区域百分比随转速的升高逐步增大，且NOx排放增加的幅度也是随转速的升高逐步变大。但也要看到大负荷NOx排放增加区域实约占全部工况的18.4%，且这些工况在实际驾驶中不常用，实际排放影响不大。整体而言，引入EGR后通过优化EGR率、进气温度、空燃比和点火角等影響发动机发动机燃烧的主要参数，NOx排放在发动机中小负荷区域有明显改善，大负荷区域恶化。

7.2   EGR对HC排放的影响

图11是引入EGR后的碳氢排放比未引入EGR之前的下降的百分比。通常情况下，缸内混合气的空燃比是影响发动机HC排放物的重要因素，HC随空燃比的减小而增加。然而并不是混合气越稀，HC排放物越低，当混合气稀到发动机失火边界时，HC排放会急剧增加。此外，因EGR延长滞燃期，更容易出现容积淬熄，且燃烧室内温度的降低也减小了未燃HC排放物的氧化作用，这些都会使得HC排放水平上升。但是通过优化发动机循环废气的温度和EGR率、空燃比和点火提前角等影响发动机燃烧参数，可改善发动机的燃烧，实现HC排放的改善。

从图11中可以看出，引入LP_EGR后通过优化影响发动机燃烧的参数，几乎在发动机整个工作范围内的碳氢排放物的浓度均有了大幅度的降低。大部分工况的降低幅度约在15%～75%，最大降幅约为86%。在EGR区域的相同转速下，中高负荷的HC排放物的降低幅度比小负荷的更为明显。小负荷时，合理的EGR率和合适废气温度可使废气回流率增大，起到加热进气缩短滞燃期的作用，有利于HC排放物的改善。而在中高负荷区域，一方面是由于引入EGR使得空燃比有较大幅度的偏稀（见图7），大部分工况的点火提前角都有不同程度的大幅提前（见图8），发动机的燃烧得到较好的改善。另一方面，适当提高通过EGR阀的废气温度，在一定程度上提高了缸内温度，可以促进未燃HC的氧化。

此外，在图11中的HC排放减少的75%等高线的区域：该区域引入EGR前，发动机为了追求低速大扭矩气门重叠角选的比较大，是低速早燃的易发区。为了控制早燃，大幅加浓空燃比和延迟点火角，发动机燃烧稳定性相对较差，是HC排放最为恶劣的区域。引入EGR后，提高了发动机的抗爆震能力，早燃得到很好的抑制，空燃比也得以减稀至1，而点火角也提前了5～8度CA，发动机燃烧得到很好的改善，因而HC排放降低幅度也最大。

总体来说，引入EGR后，通过优化EGR率、进气温度、空燃比和点火角等影响发动机发动机燃烧的主要参数，可以在很大程度上降低发动机的HC排放水平。

8    结语

该PFI发动机引入LP_EGR后，通过匹配合理的EGR率，可以使发动机有以下改善：

1、减少泵气损失、减稀空燃比和提高发动机的等容度，能起到较明显的节油效果。在中低转速的中大负荷区域节油7%～20%不等。

2、EGR区域的工况点火角普遍能提前5～13度，最大点火角可提前13.75度，可以有效抑制EGR区域的爆震，提高发动机的效率。

3、大部分中低负荷工况的NOx排放减少约20%～60%，最大降幅约为100%。但约占工况18.4%的大负荷工况排放恶化，负荷越大恶化越严重;

4、HC排放有明显的改善。大部分工况的HC排放减少约15%～75%，最大降幅约为86%。

参考文献：

[1]王凤滨，邱君，高俊华，乔维高等.EGR在内燃机上的应用.汽车工程师.2009（8）：50页～53页.

[2]朱棣，侯圣智，刘斌，尹君等.直喷汽油机EGR与稀薄燃烧的协同作用.汽车工程. 2017（ Vol.39）No.6：615页～620页.

[3]贾宁，高定伟，郭向阳等.EGR对增压进气道喷射汽油机的影响研究.内燃机工程. Aprial， 2016， Vol.37No.2：44页～53页.

[4]晁岳栋，陆海峰，李理光等.基于理论循环的汽油机EGR 技术节油机理.内燃机学报.Vol.35（2017）No.3：208页～214页

[5]马帅营，刘方杰，王鑫等.冷、热EGR对柴油机性能、燃烧及排放特性的影响.内燃机工程. August， 2017， Vol.38No.4：33页～40页.

[6]王凤滨，邱君，高俊华等.EGR 在内燃机上的应用.汽车工程师.2009（8）：50页～53页.

推荐访问:废气 机上 低压 汽油 再循环