低壓廢氣再循環（LP_EGR）在汽油機上的應用

余光耀 李巖 曹春暉 黃榮輝

摘? 要：基于一臺1.5L的進氣道噴射增壓（PFI）汽油機，在保持原機匹配好的VVT角度、噴油壓力和噴油相位不變情況下，采用低壓廢氣再循環（LP_EGR）。通過優化發動機參數得到：發動機在EGR區域能起到較明顯的節油效果。在中低轉速的中大負荷區域節油7%～20%不等;發動機的抗爆震性明顯改善，點火角最多可提前13.75度曲軸轉角（CA）;大部分中低負荷工況的NOx排放減少約20%～60%，最大降幅約為100%。但約占工況18.4%的大負荷工況排放惡化，負荷越大惡化越嚴重;HC排放有明顯的改善。大部分工況的HC排放減少約15%～75%，最大降幅約為86%。綜上所述，LP_EGR可使該發動機的油耗、抗爆震性和HC排放有明顯的改善。而NOx排放在中低負荷工況改善較多，但大負荷工況惡化。

關鍵詞：低壓廢氣再循環;節油;抗爆震性;排放

中圖分類號：TK441+.7? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2019）02-0054-07

1? ? 概述

隨著燃油與排放法規的日益收緊，很多降油耗與排放的新技術應用到發動機上。而廢氣再循環系統（EGR）是一種行之有效的降發動機油耗和排放污染物的方法。EGR是將柴油機或汽油機產生的廢氣的一部分再送回氣缸參與燃燒。再循環廢氣的CO2等多原子氣體的比熱容更大，導致升溫比較慢，降低了燃燒溫度，起到減少NOx排放的作用。另外，提高廢氣再循環率會使總的廢氣流量減少，因此廢氣排放中總的污染物輸出量將會相對減少[1-6]。EGR系統的任務就是使廢氣的再循環量在每一個工作點都達到最佳狀況，從而使燃燒過程始終處于最理想的情況，最終保證排放物中的污染成份最低。EGR分為高壓EGR（HP_EGR）和低壓EGR（LP_EGR）。

筆者討論的發動機是進氣道噴射增壓汽油機。由于LP_EGR相對HP_EGR更能有效提高抗爆震性、降低氮氧化物以及在廢氣循環工作范圍較大的優勢而被采用。筆者主要從發動機的節油、抗爆震性、和NOx、HC排放三方面討論LP_EGR對發動機的實際影響。

2? ? 試驗裝置與試驗方法

2.1 發動機參數與試驗裝置

筆者討論的發動機是1.5L渦輪增壓進氣道噴射的進排氣雙連續可變氣門正時系統（DVVT）汽油機。該發動機引入EGR前已經采用BOCH新開發的UD6平臺完成臺架匹配。發動機的具體參數如表1所示。

表1 發動機參數

試驗設備包括AVL測功機，PUMA1.52臺架測試系統、AVL735S 瞬態油耗儀、Kistler 6115BFD 缸壓傳感器、Indicom燃燒分析儀、Horiba MEXA-7500D 排放測試儀、空燃比計（ES630）、和Boch UD6平臺電控單元。

2.2? ?LP_EGR系統

圖1是筆者討論的LP_EGR方案的工作原理圖。廢氣經過EGR冷卻器（EGR cooler）冷卻后通過EGR閥進入到增壓器壓氣機進氣口前端，和新鮮空氣混合后經過渦輪增壓再通過中冷器進入進氣歧管，再在進氣道與汽油混合后進入到氣缸燃燒。c處的溫度傳感器提供溫度信號控制d處EGR冷卻器的工作，通過調節水流量的大小來調節進入EGR閥的廢氣溫度。而EGR閥的開度主要根據b處的壓差傳感器信號來控制。a處的混合閥的主要作用是制造合適壓氣機前端的真空度，使得低壓廢氣更容易通過EGR閥。EGR率=[CO2]intake/[CO2]exhaust，其中[CO2]intake是進氣端的CO2濃度，[ CO2]exhaust是排氣端的CO2濃度。

3? ? LP_EGR對發動機工況影響分析

圖2是本款發動機的萬有特性工況圖（發動機處于開發階段，最大扭矩不便列出）。為便于分析LP_EGR對發動機各工況燃燒的影響，整個工況圖大致劃分為A、B、C、D共4個區域，分別對應不同的轉速和負荷。

3.1? ?LP_EGR對小負荷的影響

發動機工作在小負荷區域時（圖2的A區域），節氣門開度較小，泵氣損失較大。引入LP_EGR后在同樣節氣門開度的情況下可減小進氣時氣缸內外的壓力差，減小泵氣損失。

3.2? ?LP_EGR對部分負荷的影響

LP_EGR主要從以下兩個方面改善發動機部分負荷（大致對應于圖2的B區域）的燃燒：1、主要通過降低燃燒溫度來改善傳熱損失和降低混合氣點燃溫度來增加工質比熱比實現理論熱效率的提高;2、通過混合氣的稀釋降低氣缸內外的壓力差，起到減小的泵氣損失的作用。

3.3? ?LP_EGR對低速中大負荷和中高速的中等負荷的影響

LP_EGR主要從以下3方面改善發動機低速中大負荷和中高速的中等負荷工況（大致對應于圖2的C區域）的燃燒：1、通過稀釋混合氣來降低氣缸內外的壓力差，實現泵氣損失的減小;2、主要通過降低燃燒溫度來改善傳熱損失和降低混合氣點燃溫度來增加工質比熱比實現理論熱效率的提高;3、提高發動機的抗爆震性能來改善爆震、優化燃燒重心，使燃燒重心處于或接近于CA50，實現發動機工作等容度的提高。

3.4? ?LP_EGR對中高速大負荷的影響

LP_EGR改善發動機中高速大負荷工況（大致對應于圖2的D區域）的燃燒主要有以下3個方面：1、該區域空燃比加濃保護部件在耐受的溫度范圍內造成的燃燒效率減弱，EGR可降低燃燒溫度，減稀空燃比，提高燃燒效率;2、通過降低混合氣點燃溫度來增加工質比熱比，實現理論熱效率的提高。3、提高發動機的抗爆震性能來改善爆震、優化燃燒重心，使燃燒重心更為接近CA50，提高發動機工作的等容度。

4? ? 發動機EGE率的匹配方法與結果

4.1 發動機EGR率的匹配方法如下：

1、發動機的VVT角度保持引入EGR前匹配好的VVT角度、噴油壓力和噴油相位不變。

2、工況實現：PUMA設備控制發動機轉速N和負荷為設定的目標值，INCA設置不同的EGR率來進行試驗。

3、每個工況的試驗要求：1）保證缸內燃燒循環變動系數COV<3%的條件下（COV是Indicom燃燒分析儀衡量發動機燃燒穩定性的重要參數，0

4.2? ?EGR率的匹配結果

圖3是匹配完成后發動機萬有特性工況對應的EGR率。從圖3可看出：1400rpm～4400rpm轉速范圍內的中大負荷的EGR率都在2%以上，轉速越高EGR率越大。在中等轉速的中大負荷區域EGR率可以開得較大，均在10%以上。而小負荷工況、低速中大負荷工況和高速中大負荷工況的EGR率較小，EGR閥接近于關閉狀態。這是因為中高轉速的中大負荷區域可以通過增大EGR率來降低傳熱損失、提高等度和優化燃燒重心，從而實現油耗率與排放的優化。而小負荷工況、低速中大負荷工況和高速中大負荷工況，為了兼顧發動機的燃燒穩定性、動力性以及經濟性，這些區域的EGR閥接近于關閉狀態。

5? ? EGR對發動機油耗率影響

5.1? ?中大負荷節油空間

圖4是該款發動機引入LP_EGR前的做完臺架匹配后的空燃比萬有特性圖。由汽油機的特性可知，排氣溫度會隨著工況的轉速升高和負荷的加大越來越高，而在匹配時為了保護部件在合理的工作溫度內，只能適度加大噴油量，加濃空燃比來進行降排氣溫度的部件保護。從圖4右上方區域也可看出中高轉速和中高大負荷空燃比要進行適當加濃對部件進行保護，轉速越高、負荷越大，空燃比的加濃程度越大，此時大致對應于圖2的D區域和C區域的部分工況。而在中低速中大負荷工況（大致對應于圖2的C區域），因抑制爆震而推遲點火角，從而使得等容度降低。由LP_EGR對發動機工況影響分析可知，引入EGR后，圖2的C、D兩個區域的工況的空燃比和爆震將會得到改善，等容度得到提升，點火角也可適當提前，因此油耗也將會得到改善。

5.2? ?LP_EGR單個轉速工況的節油趨勢

（a）油耗率與EGR率關系

（b）節油百分比與EGR率關系

圖5是發動機2500rpm部分工況的油耗與EGR率的變化關系，其中（a）是2500rpm的中小負荷工況在不同EGR率下的油耗率表現，而（b）是2500rpm的中小負荷工況在不同EGR率下的節油百分比。由圖5可以看出各負荷的油耗率先是隨著EGR率的增加而下降，然后隨著EGR率增加到一定程度再上升。在中等負荷時（約在12bar～14bar左右），由于引入EGR降低了燃燒溫度和提高發動機的抗暴性，空燃比和點火角均可提升較多，故而油耗率對EGR率的大小比較敏感。顯然引入LP_EGR后，可以改善傳熱損失、泵氣損失和提高熱效率，從而降低油耗率，而且每個工況都只有一個最佳油耗率的EGR率。但到了最佳油耗率的EGR率后，繼續增大EGR率會導致缸內燃燒穩定性變差，燃燒效率下降，進而導致油耗上升。

5.3? ?LP_EGR總體節油情況

圖6是引入LP_EGR后油耗率萬有特性圖，圖7引入LP_EGR后節油百分比萬有特性圖數據來源于（原機油耗率-引入LP_EGR后油耗率）/原機油

耗率。可以看出引入EGR后，該款發動機的油耗率有了明顯的改善，尤其是在中大負荷區域油耗率減少約減少7%～20%，而最低的油耗率約出現在2600rpm的77%全負荷的工況點，約為222.8g/kW·h。

筆者認為LP_EGR主要從以下三方面來改善油耗率：1、中大負荷區域引入EGR前，為了保護零部件，只能通過加濃空燃比來保證排氣溫度不能超過部件的耐受溫度。引入EGR后，燃燒溫度降低使得過量空氣系數等于1或接近1。如圖8所示，引入LP_EGR的過量空氣系數相比引入前，增大約5%-20%不等。2、該區域的點火提前角由于爆震限制導致推遲較多，不能充分發揮出發動機有效功的潛力。引入LP_EGR后，改善了發動機的抗爆震能力，點火角可以提前很多。如圖9所示，點火角可提前5～13度曲軸轉角（CA），進而使得點火時刻處于或盡量接近AI50，提升有效熱效率。3、LP_EGR泵氣損失和傳熱損失的減小能提高發動機的有效功輸出。以上表明增壓汽油機應用低壓EGR能夠有效提高發動機熱效率，具有較大的節油潛力。

6? ? LP_EGR對發動機抗爆震能力的影響

圖9是引入LP_EGR后的點火角相比原機點火角提前角度的萬有特性圖。據圖4可知，引入LP_EGR后點火角得到較大的提升，在引入EGR區域的工況點火角普遍能提前5～13度CA不等，最大點火角可提前13.75度CA。筆者認為這是因為：引入LP_EGR前，在發動機的中大負荷區域發動機的爆震傾向較強，只能通過推遲點火角來抑制爆震。引入EGR后：1） EGR廢氣屬于惰性氣體且起到稀釋缸內混合氣、減緩混合氣燃燒速率的作用，可改善發動機的抗爆震性。2）EGR廢氣比熱容高可吸走燃燒室部分熱量，降低燃燒溫度，改善發動機的抗爆震性。表現為圖9中不同負荷下，點火角可以可提前得幅度不一樣。故而引入LP_EGR可以有效抑制EGR區域的爆震，各工況均可不同程度地增加點火提前角。

7? ? EGR對發動機排放的影響

7.1? ?EGR對NOx排放的影響

圖10是原機減去引入LP_EGR的NOx排放百分比萬有特性圖，數據來源于（原機NOx排放值-引入LP_EGR的NOx排放值）/原機NOx排放值。對本款發動機的而言，發動機中小負荷區域的空燃比

控制在理想空燃比1或避免加濃。據圖10可看出引入LP_EGR后，在發動機的中小負荷工況下的NOx排放有了明顯的降低，大部分降幅均在20%-60%之間，最大降幅約為100%。筆者認為導致該區域NOx排放改善的主要原因有以下兩點：1、EGR廢氣的CO2、H2O的比熱容較高，與新鮮空氣混合后，混合氣的比熱容相應增大，吸走部分燃燒室內的能量，導致燃燒速度減緩、燃燒室溫度的降低，抑制了NOx生成的高溫邊界條件;2、循環的廢氣和新鮮空氣混合后，對新混合氣起到稀釋作用，降低了混合氣中O2 濃度，也能在一定程度上抑制NOx的生成。對于大負荷區域來說，EGR的引入使得空燃比適當偏稀和提前較多的點火提前角，在一定程度上改善了燃燒。但該區域的空燃比相對未引入EGR前偏稀約5%～20%不等，相當于該區域在原來高溫的情況下多了約5%～20%的氧含量。由NOx產生的高溫富氧條件可知大負荷區域的NOx排放有惡化傾向，而圖10的匹配結果也證實了這一點。大部分的大負荷區域NOx排放增加了20%～150%不等，最多約增加了215%（約在4000rpm的93%全負荷工況點），且在該區域NOx排放增加的幅度隨負荷增大而急劇增大。具體來看，1400rpm～1600rpm左右的大負荷區域， NOx排放增加的區域面積約占相應轉速全部工況的10%左右。1600rpm～2400rpm的大負荷區域的NOx排放增加的工況約占相應轉速全部工況的5%左右。而中高速大負荷的NOx排放增加工況占到相應轉速發動機工況區域百分比隨轉速的升高逐步增大，且NOx排放增加的幅度也是隨轉速的升高逐步變大。但也要看到大負荷NOx排放增加區域實約占全部工況的18.4%，且這些工況在實際駕駛中不常用，實際排放影響不大。整體而言，引入EGR后通過優化EGR率、進氣溫度、空燃比和點火角等影響發動機發動機燃燒的主要參數，NOx排放在發動機中小負荷區域有明顯改善，大負荷區域惡化。

7.2? ?EGR對HC排放的影響

圖11是引入EGR后的碳氫排放比未引入EGR之前的下降的百分比。通常情況下，缸內混合氣的空燃比是影響發動機HC排放物的重要因素，HC隨空燃比的減小而增加。然而并不是混合氣越稀，HC排放物越低，當混合氣稀到發動機失火邊界時，HC排放會急劇增加。此外，因EGR延長滯燃期，更容易出現容積淬熄，且燃燒室內溫度的降低也減小了未燃HC排放物的氧化作用，這些都會使得HC排放水平上升。但是通過優化發動機循環廢氣的溫度和EGR率、空燃比和點火提前角等影響發動機燃燒參數，可改善發動機的燃燒，實現HC排放的改善。

從圖11中可以看出，引入LP_EGR后通過優化影響發動機燃燒的參數，幾乎在發動機整個工作范圍內的碳氫排放物的濃度均有了大幅度的降低。大部分工況的降低幅度約在15%～75%，最大降幅約為86%。在EGR區域的相同轉速下，中高負荷的HC排放物的降低幅度比小負荷的更為明顯。小負荷時，合理的EGR率和合適廢氣溫度可使廢氣回流率增大，起到加熱進氣縮短滯燃期的作用，有利于HC排放物的改善。而在中高負荷區域，一方面是由于引入EGR使得空燃比有較大幅度的偏稀（見圖7），大部分工況的點火提前角都有不同程度的大幅提前（見圖8），發動機的燃燒得到較好的改善。另一方面，適當提高通過EGR閥的廢氣溫度，在一定程度上提高了缸內溫度，可以促進未燃HC的氧化。

此外，在圖11中的HC排放減少的75%等高線的區域：該區域引入EGR前，發動機為了追求低速大扭矩氣門重疊角選的比較大，是低速早燃的易發區。為了控制早燃，大幅加濃空燃比和延遲點火角，發動機燃燒穩定性相對較差，是HC排放最為惡劣的區域。引入EGR后，提高了發動機的抗爆震能力，早燃得到很好的抑制，空燃比也得以減稀至1，而點火角也提前了5～8度CA，發動機燃燒得到很好的改善，因而HC排放降低幅度也最大。

總體來說，引入EGR后，通過優化EGR率、進氣溫度、空燃比和點火角等影響發動機發動機燃燒的主要參數，可以在很大程度上降低發動機的HC排放水平。

8? ? 結語

該PFI發動機引入LP_EGR后，通過匹配合理的EGR率，可以使發動機有以下改善：

1、減少泵氣損失、減稀空燃比和提高發動機的等容度，能起到較明顯的節油效果。在中低轉速的中大負荷區域節油7%～20%不等。

2、EGR區域的工況點火角普遍能提前5～13度，最大點火角可提前13.75度，可以有效抑制EGR區域的爆震，提高發動機的效率。

3、大部分中低負荷工況的NOx排放減少約20%～60%，最大降幅約為100%。但約占工況18.4%的大負荷工況排放惡化，負荷越大惡化越嚴重;

4、HC排放有明顯的改善。大部分工況的HC排放減少約15%～75%，最大降幅約為86%。

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