EGR對可變壓縮比SI發動機動力性和經濟性的影響

郭玉彬 沈穎剛 衛海橋 馮登全 潘明章 高東志 李金印

(1－昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室 云南昆明 650500 2－天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室 3－重慶小康工業集團股份有限公司)

引言

隨著能源的日益枯竭和環境污染，節能減排已成為當今內燃機行業發展的必然趨勢。對于汽油機來說，節能減排的方式有很多，汽油機小型化是其中一項重要的研究課題。發動機小型化是發動機通過應用先進技術在不增加氣缸容積前提下，提高發動機的功率、扭矩和效率，降低油耗［1］，主要手段包括增大進氣壓力，提高壓縮比，廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation，簡稱 EGR)等。

增大壓縮比通過減小氣缸容積，增大壓縮沖程的最大缸內壓力從而提高發動機的功率和扭矩等，但同時會使發動機的燃燒溫度過高，爆震傾向嚴重，排氣溫度過高，造成三效催化轉換器的損壞。EGR則主要通過惰性氣體在燃燒室內對燃燒的抑制作用來對燃燒速率、燃燒溫度以及氧濃度產生影響［2，3］，進而對發動機的排放和各項性能產生作用。EGR是降低發動機NOx排放的主要途徑之一。除此之外，EGR在汽油機中還可以有效降低發動機的爆震傾向，低負荷情況下可以通過降低泵氣損失來降低燃油消耗率。但EGR率過大則會使燃燒惡化，大大降低發動機的動力性和經濟性。Michele Kaiser等人在PFI汽油機中進行了EGR在使用不同摻比的乙醇汽油燃料的性能對比研究［4］，其研究指出，冷卻EGR是小型化SI發動機的關鍵技術，包括提高汽油機的經濟性和高壓縮比下提高功率及熱效率，但并未對不同壓縮比下發動機的性能給出對比。

由于不同的EGR率下進入氣缸中廢氣多少的不同，會使發動機的動力性、燃油經濟性及其他性能表現有所變化，壓縮比的變化使壓縮終了時燃燒室的溫度壓力以及氣體流動產生很大變化從而對發動機的動力性、經濟性等產生影響［5］。本文則主要針對不同EGR率和壓縮比的協同作用來對發動機的動力性、經濟性進行對比分析。

1 試驗系統和試驗方案

1．1 試驗系統

本文中所用實驗發動機為一臺單缸水冷、可變壓縮比、排量為0．49L的Ricardo E6汽油機，該發動機缸徑為80mm，沖程為100mm。測功機為天津科達動力測控技術有限公司生產的DZDC－20型電力測功機;單缸機ECU采用MOTEC公司m400管理控制器，集成了可調點火提前角、可調噴油脈寬等全面的控制模塊;缸內壓力采集采用KISTLER 6041a水冷式缸內壓力傳感器，KISTLER 5018型電荷放大器，美國National Instrument公司的Wavebook512型數據采集系統和美國National Instrument公司的DASY Lab 7．0型數據處理軟件;空燃比測量采用美國ECM公司的LCAN－N6型空燃比分析儀;氣體排放測量采用日本HORIBA MEXA－7200DEGR排放測試儀。

EGR系統如圖1所示，排氣通過EGR閥回流到進氣道，通過穩壓箱進行充分混合后進入發動機燃燒室進行摻燒。

圖1 試驗主要設備連接示意圖

1．2 試驗方案

本文中實驗轉速為1200r/min，均采用全負荷，分別有 8∶1、9∶1、10∶1、11∶1 四種壓縮比，通過調節 EGR閥控制發動機在不同EGR率下進行試驗，并基于EGR對PFI汽油機在部分工況下燃燒過程、排放的影響規律進行研究。每個實驗工況下通過MOTEC點火模塊調節控制為最佳點火提前角(即最佳功率所對應的點火提前角)。在不同的工況下，通過ECU調節噴油器的噴油脈寬，保證空燃比為14．7，即化學計量空燃比;發動機冷卻水溫度保持在(80±3)℃左右，潤滑油溫度保持在(85±3)℃左右。

本文通過使用可變壓縮比點火式發動機結合不同EGR率對其動力性和經濟性的影響進行實驗分析研究。

2 試驗結果分析

2．1 EGR對有效熱效率的影響

圖2為汽油機在恒定轉速1200r/min時，在不同壓縮比下，發動機的有效熱效率隨EGR率變化曲線。圖2中，在EGR率較小(＜5%)時，發動機的有效熱效率變化比較平穩，甚至有輕微上升的趨勢。壓縮比為9∶1時，EGR率從0上升到5%，發動機熱效率增大0．27%;當 ＞5%時，隨著EGR率的增大，發動機的熱效率不斷降低。壓縮比為9∶1時，EGR率從10%上升到15%，發動機熱效率降低3．17%。同時，在相同的EGR率下，隨著壓縮比的升高，發動機的熱效率逐漸提高，但隨壓縮比的逐漸增高，熱效率增長幅度越來越小，且隨著EGR率的增大，壓縮比對發動機熱效率的影響逐漸降低。

圖2 不同壓縮比下EGR率對發動機有效熱效率的影響

這主要是因為廢氣的加入使缸內混合氣溫度升高，更有利于燃料的蒸發霧化，從而對混合氣的燃燒起到了一定的促進作用，缸內的燃燒得到優化。另一方面，由于廢氣的加入，其中不參與燃燒的惰性氣體占據一定的空間，從而使缸內混合氣的氧濃度降低，也使缸內混合氣的總體熱容隨之變大。當EGR率較小時，由于進入氣缸內廢氣量較少，EGR的稀釋作用和熱容效應能起到的作用較小，廢氣對于缸內混合氣燃燒的促進作用占據主導地位，從而使缸內燃燒溫度升高，傳熱損失減小，發動機的熱效率得到了一定的提升。當EGR率較大時，由于有更多的廢氣進入氣缸，EGR的稀釋作用和熱容效應逐漸增強，使燃燒室內層流火焰速度降低。同時由于EGR的稀釋作用和熱容作用，混合氣燃燒溫度降低，燃燒室壁面溫度因此下降，傳熱損失增加。在理論空燃比下，發動機燃燒的不可逆損失大幅度增加，從而使發動機的有效熱效率下降。過多的廢氣進入氣缸，則會導致火焰燃燒不穩定，進而導致燃燒惡化，有效熱效率大幅降低。而在相同的EGR率下，壓縮比越大，發動機的放熱率曲線峰值越高，缸內壓力峰值越高，在壓縮終了溫度越高，發動機運行的傳熱損失減少，壓縮比的增加降低了燃燒過程中產生的不可逆損失，使卡諾循環的熱效率提高。隨著EGR率的增大，EGR對于燃燒的抑制作用隨著EGR率的增大而增大，提高壓縮比對于發動機的熱效率的提高幅度相對來說則越來越小。所以在不合適的EGR率下，通過提高壓縮比來提高發動機的熱效率的效果也是十分有限的。

2．2 EGR對發動機動力性的影響

IMEP定義為在壓縮和膨脹行程中缸內氣體所做功與氣缸工作容積的比值。反映了缸內混合氣實際做功的大小。

圖3為汽油機在恒定轉速為1200r/min時，不同壓縮比下，發動機的IMEP(指示平均缸內壓力)隨EGR率的變化規律。如圖所示，隨著EGR率的增加，單缸機的IMEP整體呈下降的趨勢，EGR率較小時，IMEP變化不明顯;當EGR率相對較大時(大于5%)，單缸機IMEP迅速下降。在相同的EGR率下，IMEP隨壓縮比的增大而升高。壓縮比為8∶1、EGR率為0時，與壓縮比為11∶1、EGR率為10%時的IMEP基本處于同一水平。而當EGR率從0變為10%，發動機的NOx排放變化很大，因此在EGR率較大的情況下，可以通過提高壓縮比來恢復發動機的性能損失，同時又能夠保持較低的NOx排放。

圖3 不同壓縮比下EGR率對發動機IMEP的影響

這主要是在EGR率較小時，混合氣的形成條件改善和燃油蒸發逐漸增強的結果。隨著EGR率的增加，發動機的缸內混合氣著火時刻逐漸推遲，從而導致IMEP快速下降。但是當EGR率過大時，會使缸內工質的燃燒惡化，有可能導致發動機失火，此時IMEP會變得很小，發動機做功能力迅速下降。IMEP下降會導致循環凈功下降，實際上就是使發動機的功率和扭矩下降，從而降低了發動機的總體性能。在相同的EGR率下，隨著壓縮比的增大，發動機的缸內壓力峰值升高，有效熱效率增大，從而使IMEP升高，進而影響發動機整體的動力性。

圖4為汽油機在恒定轉速1200r/min時，不同壓縮比下功率隨EGR率的變化曲線。如圖所示，在同一壓縮比下，隨著EGR率的增大，發動機的功率逐漸降低。壓縮比為8∶1時，在20%EGR率情況下，相對于未加EGR時，功率下降了將近41%。目前，在節能減排的基礎上提高發動機的輸出功率是發動機研究的重點，其中增大壓縮比是較好的選擇之一。圖4中，在相同EGR率下，隨著壓縮比的增大，發動機功率不斷提高，從而彌補了EGR的引入所導致的功率部分下降。如圖所示，壓縮比為8∶1時、EGR率從0逐漸變為10%，發動機功率降低了6%，此時，如果壓縮比提高到11∶1，功率在10%EGR率時的提高量占壓縮比為8∶1、EGR率為0時功率的7．7%;EGR率從0升高到15%，發動機的功率降低了18%，此時如果壓縮比升高到為11∶1，功率在15%EGR率時的提高量占壓縮比為8∶1、EGR率為0時功率的9．7%。從圖中也可注意到，隨著EGR率的增大，壓縮比對發動機功率的提升作用逐漸減弱。

圖4 不同壓縮比下EGR率對發動機功率的影響

這主要是因為廢氣進入氣缸，使缸內混合氣密度減小，從而使進入缸內的混合氣總量減少，制約了功率的增加。另一方面，廢氣的稀釋作用使缸內氧濃度降低，使火焰前鋒速度降低，燃燒速度變緩，缸內有效混合氣量變少，降低發動機功率的輸出［6］。如圖所示，當EGR率過大時，發動機的功率將會迅速降低，發動機的動力性變差。在同一EGR率下，隨著壓縮比的提高，在壓縮沖程終了時燃燒室容積變小，這就使燃燒變得更加劇烈，從而在燃燒過程中混合氣的放熱過程變得更快，缸內壓力升高，缸內燃燒溫度升高，發動機的不可逆熱損失減少。在P－V圖上，發動機所做的有用功增加，最終使發動機對外輸出功率扭矩增大。然而，廢氣的加入對混合氣的燃燒具有有效的抑制作用，在EGR率較小時，這種抑制效果并不明顯。隨著EGR率的增大，對于燃燒的抑制效果逐漸增大，這就使壓縮比對發動機功率的影響相對變小，如果EGR率過大，將會導致燃燒惡化，功率扭矩急劇降低［7］。

增大壓縮比在EGR率越小的情況下對于功率的提升越有效果，但EGR率越小，對于降低發動機NOx排放的效果就越不明顯［8］。結合以上所述，提高壓縮比的時候要同樣有合適的EGR率匹配，這樣才能在發動機保證動力性的同時具有良好的排放特性。

2．3 EGR對經濟性的影響

在汽油機中，隨著節氣門開度的增大，泵氣損失減小，可以減少發動機的吸氣負功，從而發動機的燃油消耗率隨著節氣門開度的增大而逐漸減小。在目前電控發動機的EGR系統設計中，隨著EGR率的增大，同時控制節氣門開度也增大，從而可以有效降低發動機的燃油消耗率［9，10］。本文的試驗設計為定負荷，圖5顯示發動機在恒定轉速為1200r/min時，在不同的壓縮比下，發動機的燃油消耗率隨EGR率的變化關系。

圖5 不同壓縮比下EGR率對發動機有效燃油消耗率的影響

圖5中，在同一壓縮比下，當ηEGR＜5%時，燃油消耗率變化得較為平緩;但當ηEGR＞5%時，隨著EGR率的增大，燃油消耗率則逐漸增加。而在相同的EGR率下，壓縮比越大，燃油消耗率越小。

這是因為當廢氣較少時，廢氣在一定程度上促進了混合氣的燃燒，使燃料的能量得到了有效的利用，提高了熱效率。但此時，由于EGR的稀釋作用和熱容效應，缸內燃燒溫度和氧濃度有所下降，發動機混合氣的燃燒和放熱受到了一定的限制，燃料能量的利用率下降。所以在EGR率較小的時候，隨著EGR率的增大，有效燃油消耗率增加較為平緩。當EGR率較大，隨著EGR率的增大，廢氣的稀釋作用和熱容效應逐漸成為主導，使發動機的燃料能量利用能力迅速下降，有效燃油消耗率增大。當過多的廢氣進入氣缸，則會造成燃燒惡化，燃油消耗率急劇增大。如圖所示，壓縮比越大，燃料燃燒越充分，發動機的熱效率越高，在相同的EGR率和進氣的情況下，發動機的做功能力越強，進而發動機的燃油消耗率就會越小。壓縮比為9∶1，EGR率為5%時發動機的燃油消耗率同壓縮比為10∶1，EGR率為10%的時候基本相同，此時EGR率10%時要比5%有更好的排放。所以在增大壓縮比時，可以通過采用適當的EGR，在降低發動機的燃油消耗率的同時又保持較低的NOx排放。

3 結論

1)隨著EGR率的增大，發動機的有效熱效率首先會有輕微的提高，后逐漸減小，壓縮比為9∶1時，EGR率從0上升到5%，發動機熱效率增大0．27%，EGR率從10%上升到15%，發動機熱效率降低3．17%。隨著壓縮比的增大，發動機燃燒的不可逆損失降低，有效熱效率隨之提高。

2)發動機的IMEP在EGR率較小的情況下變化不明顯，甚至有所增加。隨著EGR的繼續增大，IMEP迅速下降;在相同的EGR率下，壓縮比越大，IMEP越高，但隨著EGR率的增大，壓縮比對IMEP的影響逐漸變小。發動機的功率隨著EGR率的增加而不斷降低，但增大壓縮比有助于功率在一定程度上得到提升。

3)在全負荷或者定負荷情況下，發動機的燃油消耗率隨著EGR率的增大而逐漸增加。在電控發動機中，ECU控制汽油機的節氣門開度隨EGR率的變化而變化，燃油消耗率會隨著EGR率的增大而降低。隨著壓縮比的不斷提高，燃燒更為充分，燃油消耗率逐漸降低。

4)發動機的動力性隨EGR率的增大而降低，隨壓縮比的增大而增強;而經濟性在EGR和壓縮比變化條件下的表現也不同。為了兼顧發動機的各項排放指標，應在一定的EGR率和壓縮比范圍內來協調發動機動力性、經濟性及其他性能。

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