低壓冷卻EGR 系統對汽油發動機燃油經濟性及排放影響的研究

張 鵬 曹思雨 鄭洪磊 常進才 屈 偉 高定偉

（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）

引言

隨著世界經濟的快速發展，乘用車保有量持續攀升，能源消耗和環境污染問題日趨凸顯，各國紛紛加快乘用車燃油消耗量限值和污染物排放限值法規升級進行應對，隨著油耗法規的持續加嚴，乘用車汽油發動機面臨前所未有的挑戰，技術升級刻不容緩。

根據相關研究表明，LP-EGR 系統可以降低汽油發動機缸內混合氣燃燒溫度，抑制發動機爆震[1-5]，提前燃燒相位[4-6]，提高燃燒效率[5,7]，提升混合氣比熱比[4]，同時解決發動機高負荷因排氣溫度高而采取噴油加濃問題[4,6]，從而降低發動機燃油消耗[1]。

本文主要通過在某款小型缸內直噴汽油發動機上匹配LP-EGR 系統，研究其對發動機燃油消耗的改善效果及發動機燃燒過程的影響，為汽油發動機技術升級提供借鑒。

1 試驗裝置及試驗工況

1.1 發動機主要參數及LP-EGR 布置

發動機及EGR 主要參數如表1 所示。首先對基礎發動機進行改制，LP-EGR 系統改制布置示意圖如圖1 所示，LP-EGR 系統從一級催化器后（渦輪下游）取出EGR 氣體，EGR 氣體經冷卻后進入進氣管路（壓輪上游），經進氣歧管最終進入發動機缸內[1，2，4]。

表1 發動機及EGR 主要參數

圖1 LP-EGR 系統布置示意圖

1.2 試驗工況確定及測試方法

發動機試驗室需具備開展發動機性能試驗條件，同時進行燃燒分析和排放測量，發動機試驗過程參照《GB18297-2001 汽車發動機性能試驗方法》執行。

為研究LP-EGR 系統對發動機平均有效燃油消耗率改善效果，根據基礎發動機試驗結果，選定2 個特征油耗工況點進行研究，即2 500 r/min@1.2 MPa和2 000 r/min@1.0 MPa。

基于基礎發動機固化標定參數，通過逐步增加外部EGR 率，采集試驗數據，步長5%，當COV＞5%時，則回到前一個EGR 率重新開始采集，將步長調整為1%，繼續掃點，直至COV＞5%[1]（掃點過程保持過量空氣系數λ 固定不變），詳見表2 所示。

外部EGR 率計算公式采用式（1）[6，8]：

表2 試驗工況及外部EGR 率范圍

式中：VCO2in為進氣與廢氣混合后氣體中CO2的體積分數；VCO2ex為廢氣中CO2的體積分數；VCO2air為空氣中CO2的體積分數。

2 試驗結果分析

2.1 平均有效燃油消耗率對比

如圖2 所示，隨著EGR 率增加，試驗工況點平均有效燃油消耗率呈現先下降后上升的趨勢[6,9]，EGR 率為22%時，2 500 r/min@1.2MPa 工況平均有效燃油消耗率為217.8 g/（kW·h），降幅達6.1%；EGR率23%時，2 000 r/min@1.0 MPa 平均有效燃油消耗率為218.6 g/（kW·h），降幅達8.1%。

圖2 不同EGR 率與平均有效燃油消耗率變化規律

2.2 發動機控制及燃燒參數對比分析

如圖3 所示，隨著EGR 率增大，缸內冷卻后廢氣增多，混合氣氣體溫度降低，極大程度上抑制發動機爆震[10]，將發動機點火提前角提前[6,7,10,11]，有利于燃燒中值向著更加優化的方向靠近，改善發動機燃燒過程。在EGR 率超過20%時，AI50 處于8～10 的最佳油耗表現區域范圍內[1]，燃燒平穩[11]，如圖4 所示。

但隨著EGR 率的增大，燃燒持續期變長[8,10]，燃燒過程呈現先快后慢的趨勢，燃燒過程趨于緩和，如圖5 所示。

圖3 不同EGR 率與點火提前角變化規律

圖4 不同EGR 率與AI50 變化規律

圖5 不同EGR 率與燃燒持續期變化規律

隨著LP-EGR 引入缸內，使得缸內混合氣中CO2、H2O 等高比熱容的成分比例增加，混合氣的比熱容增高，發動機燃燒溫度降低[8,9]，排氣溫度也隨之降低[1,11]，隨著EGR 率的增大，排氣溫度呈現降低的趨勢，如圖6 所示，達到降低燃燒傳熱損失的效果[1，7]，從而提高發動機燃燒熱效率，起到降低發動機燃油消耗的目的[1]，同時抑制發動機爆震。例如，2 000 r/min@1.0 MPa 工況，EGR 率為23%時，排氣溫降最大降幅達121℃，降幅達18.3%。同理，在大負荷工況下，通過引入LP-EGR 達到降低排氣溫度，減少甚至消除燃油加濃區域[7]，達到降低發動機燃油消耗的目的。

圖6 不同EGR 率與排氣溫度變化規律

隨著EGR 率增大，爆震傾向得到抑制，點火提前角得到改善，上止點附近放熱量增大。因此，發動機缸內最大爆發壓力逐漸變大[3，6]。不同EGR 率與最大爆發壓力變化規律如圖7 所示。

圖7 不同EGR 率與最大爆發壓力變化規律

隨著EGR 率增大，利用排氣能量及進排氣側壓力差將EGR 氣體從進氣管路進入發動機缸內，降低了發動機進氣的能量損失，發動機泵氣損失呈現下降趨勢[1-3，5，6，8-10]，如圖8 所示。

圖8 不同EGR 率與泵氣損失變化規律

2.3 THC、NOx排放物對比

在研究LP-EGR 對發動機燃燒過程影響的同時，對發動機THC、NOx排放物進行了對比分析。

如圖9 所示，隨著EGR 率的增大，缸內新鮮空氣減少，缸內混合氣燃燒變慢，發動機燃燒持續期延長，未燃碳氫化合物增多[1，6，8，9，11]，EGR 率為23%，2 500 r/min@1.2 MPa 工況下，THC 排放惡化達56%。EGR 率為24%，2 000 r/min@1.0 MPa 工況下，THC排放惡化達65.8%。

圖9 不同EGR 率與NOx變化規律

同時因為EGR 率的增加，缸內燃燒溫度降低[9]，缸內新鮮空氣較少，含氧量降低，產生NOx需要的高溫富氧環境被破壞[6]，EGR 率為23%，2 500 r/min@1.2 MPa 工況下，NOx排放下降[1，3，8，9，11]，降幅達88.4%。EGR 率為24%，2 000 r/min@1.0 MPa 工況下，NOx排放下降，降幅達89.6%，如圖10 所示。

圖10 不同EGR 率與THC 變化規律

3 結論

本次研究表明，采用LP-EGR 系統可以改善發動機燃燒過程，提高發動機燃燒效率，從而大幅降低發動機平均有效燃油消耗率。

發動機平均燃油油耗隨著EGR 率的增大，呈現出先降低后升高的趨勢。根據選定的2 個特征工況點試驗結果顯示，平均有效燃油消耗率最大降低幅度達到8.1%。

隨著EGR 率的增加，缸內新鮮空氣減少，缸內混合氣燃燒變慢，發動機燃燒持續期延長，未燃碳氫化合物增多，THC 排放物惡化，可通過提升三元催化器能力進行應對。同時，由于EGR 的加入，缸內混合氣燃燒溫度降低，缸內新鮮空氣較少，產生NOx需要的高溫富氧環境被破壞，NOx排放得到極大改善。

綜上所述，LP-EGR 系統對汽油發動機油耗改善效果明顯，且在排放方面有一定優勢，LP-EGR 系統是增壓汽油發動機未來技術升級的重要手段。