單缸EGR發動機壓縮比優化及渦輪增壓器匹配研究

馬興興， 馬志剛， 于書海， 孫劍， 喬靜波， 崔亞彬， 宋東先

(1. 長城汽車股份有限公司技術中心， 河北 保定 071000； 2. 河北省汽車工程技術研究中心， 河北 保定 071000)

單缸EGR發動機壓縮比優化及渦輪增壓器匹配研究

馬興興1,2， 馬志剛1,2， 于書海1,2， 孫劍1,2， 喬靜波1,2， 崔亞彬1,2， 宋東先1,2

(1. 長城汽車股份有限公司技術中心， 河北 保定 071000； 2. 河北省汽車工程技術研究中心， 河北 保定 071000)

在1臺氣道噴射單缸EGR發動機上，獨立控制EGR缸噴油及點火，實現燃料改質，研究了不同壓縮比對發動機性能的影響，此外還匹配了不同渦輪增壓器，用于改善外特性扭矩。試驗結果表明：單缸EGR能有效改善發動機的燃油經濟性，NOx和CO排放性能均所改善，但THC排放惡化，動力性能下降；提高壓縮比能有效提高發動機的熱效率，降低燃油消耗，但過高壓縮比使發動機爆震傾向嚴重，限制發動機外特性扭矩；通過匹配小渦輪增壓器低速扭矩有所改善。

汽油機； 廢氣再循環； 壓縮比； 熱效率

在日益嚴格的汽車油耗和排放法規驅動下，汽車行業都在積極探索解決方案，提高傳統發動機熱效率是一種有效的方案[1-4]。研究表明，汽油機采用高EGR率能有效提高燃油經濟性，降低污染物排放，提高發動機熱效率。但采用高EGR率的發動機面臨燃燒穩定性等限制，會降低發動機熱效率的改善效果[5-6]。

美國西南研究院在汽油機上提出了D-EGR(Dedicated EGR, D-EGR)概念，將發動機某一缸排氣全部引入到進氣系統中，實現廢氣再循環。對該缸單獨控制，通過加濃策略對燃油組分進行重組，生成H2和CO等成分，從而加快燃燒速度，優化燃燒相位[2,7]。

美國西南研究院把2.4 L自然吸氣發動機改造成1個缸單獨提供25%EGR率的發動機，試驗結果表明，EGR缸加濃后產生充足的H2和CO，能有效改善發動機的EGR容忍度和燃燒穩定性，從而提高發動機燃油經濟性[2,7]。

本研究在1臺直列四缸增壓氣道噴射汽油機上，通過改動排氣歧管，加裝EGR中冷器，實現單缸EGR。通過獨立控制EGR缸噴油、點火，實現EGR缸噴油加濃，燃料改質。對比分析了不同壓縮比對單缸EGR汽油機性能的影響。此外，還對比分析了不同渦輪增壓器對發動機動力性的影響。

1 試驗

1.1 發動機及試驗設備

本研究采用某1.5 L氣道噴射汽油機，該機采用渦輪增壓、電子節氣門、DOHC輕量化設計、進氣VVT正時鏈傳動等技術，其主要技術參數見表1。

表1 試驗發動機主要參數

試驗使用的主要設備見表2。冷卻水溫控制在(88±5) ℃，機油溫度控制在(90±5) ℃，燃油溫度為25 ℃。試驗室內環境大氣溫度為298 K，壓力為100 kPa，相對濕度約為40%。

表2 發動機測試設備

1.2 試驗臺架布置

如圖1所示，以發動機的第1缸作為EGR缸，其廢氣經過EGR冷卻器全部引至發動機中冷器前，在EGR混合器中與新鮮空氣混合。此外，分別在一級催化轉化器前、EGR缸排氣管上安裝了寬域氧傳感器，用于測量發動機的整體過量空氣系數(φa)和EGR缸的過量空氣系數。

圖1 臺架布置

1.3 試驗方法及工況

為了探尋不同壓縮比及渦輪增壓器對單缸EGR發動機燃油經濟性、排放特性及動力性能的影響，試驗研究了轉速為2 000r/min的負荷特性及發動機外特性。轉速2 000r/min的負荷特性試驗過程中保持發動機過量空氣系數φa為1±0.003。具體試驗方法：對總體過量空氣系數、EGR缸過量空氣系數、點火提前角進行優化掃點，在保證燃燒穩定性Cov，IMEP≤5%及爆震平均推角≤1.5°曲軸轉角前提下，以最低燃油消耗為參考點選取最優過量空氣系數、EGR缸過量空氣系數及點火角。

2 結果和討論

2.1 壓縮比的優化

根據前述優化方法，選取轉速為2 000r/min的負荷特性及外特性， 就壓縮比(CompressionRatio,CR)的影響進行了研究。

2.1.1 對指示熱效率及燃油經濟性的影響

圖2示出不同壓縮比下優化后的指示熱效率及有效燃油消耗率的試驗結果。

在2 000r/min工況，不同壓縮比下單缸EGR發動機的指示熱效率均高于原機水平，隨壓縮比增大呈增大趨勢。壓縮比11.5的單缸EGR發動機的最大指示熱效率為41.92%(見圖2a)。

單缸EGR發動機在2 000r/min的油耗水平低于原機，隨著壓縮比增加，燃油消耗率降低(見圖2b)。其中，壓縮比11.5樣機的有效燃油消耗率最低，為222.8g/(kW·h)，較原機節油12.42%。但在小負荷區間壓縮比10.5和11.5的發動機油耗水平無明顯差異。

圖2 指示熱效率及有效燃油效率對比

2.1.2 對排放性能的影響

圖3示出不同壓縮比下單缸EGR發動機與原機排放的對比。與原機相比，應用單缸EGR技術后THC的排放增大，NOx排放有明顯下降，CO排放有小幅下降。

如圖3a所示，不同壓縮比下單缸EGR發動機NOx比排放無明顯差異，均隨著負荷增大呈增大趨勢，但較原機有大幅降低，降低幅度為80%～90%，這是因為混合氣的比熱容提高，燃燒溫度降低，抑制了NOx生成。

圖3b示出CO的排放結果，單缸EGR發動機的CO排放較原機降低幅度為20%～40%，主要原因有兩方面：一方面是因為EGR引入后比熱容增大及廢氣稀釋作用導致了化學反應速度的降低，燃燒持續增長，化學反應時間較長，使部分CO氧化成CO2[8]；另一方面是由于單缸EGR發動機總體過量空氣系數φa為1，EGR缸加濃噴射燃油，EGR缸的φa<1，而其他缸(2～4缸)φa>1，有足夠的氧氣使EGR缸產生的未完全燃燒產物，如CO，H2，CH4及未燃HC等通過EGR系統進入其他缸進行二次燃燒，使CO氧化成CO2。

圖3c示出THC的排放結果，單缸EGR發動機的THC排放比原機增多，且壓縮比11.5樣機的THC排放量最高。這主要是由于引入EGR后，燃燒溫度降低，加厚了壁面淬熄層，導致該區域內的未燃HC增多，且引入EGR后燃燒不穩定，部分燃料燃燒不完善，會使THC排放增加。隨著壓縮比的增大，燃燒室的罅隙效應增強，THC比排放量增大。

圖3 壓縮比對排放性能的影響

2.1.3 對外特性的影響

圖4示出不同壓縮比的單缸EGR發動機與原機外特性扭矩對比結果。在中低速段(<3 000r/min)外特性扭矩大幅降低，其中2 000r/min降低幅度最大，達到40%。在大于等于3 000r/min轉速段，壓縮比11.5發動機扭矩降幅最大，最大達到20.5%。單缸EGR發動機在中低轉速和中高轉速扭矩降低原因有所不同：在中低轉速段受排氣能量限制，外特性扭矩比原機有大幅降低；在中高速段，缸內殘余廢氣量大，單缸EGR發動機EGR率高，氣體流速較大不利于火焰的發展和傳播，造成滯燃期長，循環波動大，且高壓縮比導致爆震嚴重，限制扭矩提升。

圖4 壓縮比對發動機外特性扭矩的影響

2.2 渦輪增壓器匹配優化

圖5示出采用不同渦輪增壓器的外特性扭矩結果，單缸EGR發動機的壓縮比為10.5。采用原機匹配的增壓器后，低速外特性扭矩大幅降低，其中2 000r/min時扭矩降幅最大，達到78N·m。主要是因為單缸EGR發動機引入EGR后排氣溫度大幅降低，沒有足夠的排氣能量驅使渦輪增壓器提供足夠的進氣增壓壓力；另一方面是因為EGR的引入使進氣流量增大，如果要達到原機外特性扭矩水平，需求的增壓壓力比原機更高；此外，單缸EGR發動機1個缸排氣全部作為EGR氣體引入進氣系統，造成渦輪增壓器渦輪入口的脈沖壓力不均，影響渦輪增壓器轉速及增壓壓力的穩定性。

圖5 渦輪增壓器對外特性扭矩的影響

為了提高低速段外特性扭矩水平，單缸EGR發動機更換了小尺寸渦輪增壓器。原機渦輪直徑為43mm，更換后的渦輪增壓器渦輪直徑分別為34mm和37mm。由圖5可見，兩種增壓器外特性扭矩均未達到原機水平。采用渦輪直徑34mm增壓器的發動機在2 200r/min達到最大扭矩，比原機低7N·m。采用渦輪直徑37mm增壓器的發動機在3 000r/min達到最大扭矩。采用渦輪直徑34mm增壓器的發動機低速外特性表現較好，其聯合運行線見圖6，距喘振線與堵塞線均有一定余量，且通過了增壓器的高效區間。但采用渦輪直徑為34mm增壓器的發動機高速扭矩下降較多，4 800r/min時外特性扭矩下降42N·m，主要是因為渦輪直徑小，流通能力降低，在高速高負荷工況渦輪機前壓力過高(見圖7)，且增壓壓力不穩定，最終導致發動機無法安全穩定運行。

圖6 單缸EGR發動機與渦輪直徑34 mm增壓器聯合運行線

圖7 渦輪機前壓力對比

3 結論

a) 單缸EGR發動機與原機相比，發動機熱效率提高，燃油消耗率明顯降低，壓縮比11.5的發動機在2 000r/min的最高指示熱效率為41.92%，最低有效燃油消耗率僅為222.8g/(kW·h)；單缸ERG發動機動力性低于原機，NOx排放有明顯改善，CO排放有小幅改善，THC排放惡化；

b) 提高壓縮比能有效提高熱效率，降低燃油消耗，對NOx和CO排放無明顯影響，但會使THC排放增加；綜合考慮節油效果、排放性能及動力性能，幾何壓縮比為10.5的燃燒室是較優方案；

c) 通過匹配小渦輪增壓器，低速扭矩有所改善，但仍無法達到原機動力水平，且會導致渦輪機前壓力過高，單缸EGR發動機的渦輪增壓器需要進一步優化匹配。

[1] Alger T,Chauvet T，Dimitrova Z.Synergies be-tween High EGR Operation and GDI Systems[J].SAE Int. J. Engines,2008,1(1):101-114.

[2] Alger T,Gingrich J，Mangold B.The Effect of Hydrogen Enrichment on EGR Tolerancein Spark Ig-nited Engines[C].SAE Paper 2007-01-0475.

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[8] 周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，2010.

[編輯: 李建新]

Compression Ratio Optimization and Turbocharger Matching for Single Cylinder EGR Engine

MA Xingxing1,2, MA Zhigang1,2, YU Shuhai1,2, SUN Jian1,2， QIAO Jingbo1,2， CUI Yabin1,2， SONG Dongxian1,2

(1. R&D Center of Great Wall Motor Company， Baoding 071000, China； 2. Automobile Engineering Technology Center of Hebei, Baoding 071000, China)

The effects of different compression ratios on engine performance were investigated on a single cylinder EGR engine by controlling the injection and ignition separately. Different turbochargers were matched to improve the full torque of each speed. The results show that the single cylinder EGR improves the fuel economy and NOxand CO emissions, but leads to the deterioration of THC emission and total power. Higher compression ratio can improve the engine thermal efficiency efficiently and reduce the fuel consumption, but too high compression ratio will increase the probability of engine knock and limit the torque of external characteristic. In the end, the torque at low speed improves by designing the turbocharger with a small turbine.

gasoline engine； exhaust gas recirculation (EGR); compression ratio; thermal efficiency

2017-02-16;

2017-07-17

馬興興(1987—)，女，工程師，主要研究方向為發動機燃燒系統開發；maxingxing117@163.com。

宋東先(1982—)，男，博士，主要研究方向為內燃機燃燒過程測量與分析；songdongxian@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.012

TK411.5

B

1001-2222(2017)04-0059-04