外置廢氣再循環(huán)在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究

黃榮輝 曹春暉 余光耀

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007）

引言

一方面由于非直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)容易出現(xiàn)早燃問(wèn)題，另一方面即將實(shí)行越來(lái)越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，促使人們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)上不斷地引入新技術(shù)以解決上述問(wèn)題，廢氣再循環(huán)是其中的一個(gè)重要技術(shù)手段。將適量廢氣引入缸內(nèi)與新鮮空氣混合后再燃燒可以有效降低缸內(nèi)燃燒壓力和溫度，減少一氧化碳的排放量和降低燃油消耗率，并可減少早燃。目前增壓發(fā)動(dòng)機(jī)基本都配有進(jìn)、排氣可變氣門正時(shí)（VVT），因此增壓發(fā)動(dòng)機(jī)一般沒(méi)有外置EGR裝置，而是通過(guò)提前關(guān)閉排氣門來(lái)加大殘余廢氣滯留在缸內(nèi)（即內(nèi)置EGR）。內(nèi)置EGR在非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)是運(yùn)用得非常成熟的技術(shù)，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的排放、油耗等優(yōu)化到最佳狀態(tài)，故在雙VVT的非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上基本沒(méi)有再增加外置EGR裝置。但是對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是在其運(yùn)行到中高負(fù)荷區(qū)域時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量比較大，需要引入的廢氣量也比較大，僅通過(guò)調(diào)整VVT方式無(wú)法滿足所需引進(jìn)的廢氣量，在配雙VVT的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上額外增壓一個(gè)外置EGR裝置可以很好地滿足增壓機(jī)在中高負(fù)荷時(shí)的廢氣再循環(huán)需求[1-3]。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)對(duì)象為一臺(tái)直列4缸1.5 L非直噴雙VVT增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

通過(guò)加裝一個(gè)外置EGR裝置可以將大量廢氣引入進(jìn)氣歧管內(nèi)，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在中大負(fù)荷時(shí)所需要的大廢氣量。外置EGR裝置將排氣歧管中的部分廢氣，經(jīng)過(guò)冷卻后通過(guò)EGR閥送入增壓器壓氣機(jī)前，與新鮮空氣混合增壓后進(jìn)入進(jìn)氣歧管，然后進(jìn)入氣缸重新參與燃燒。發(fā)動(dòng)機(jī)外置EGR裝置示意圖如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)外置EGR裝置

整個(gè)實(shí)驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架完成，通過(guò)流量計(jì)測(cè)量和計(jì)算出從外置EGR中引入的廢氣量，通過(guò)排放儀測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放，通過(guò)燃燒分析儀測(cè)量和觀察發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒情況，通過(guò)油耗儀測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率。試驗(yàn)所用主要設(shè)備如表2所示。

表2 試驗(yàn)所用主要設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能

從全負(fù)荷對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，由于開(kāi)啟外置EGR后引入了較多廢氣量，發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的新鮮空氣就相應(yīng)減少了，故在全負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)矩會(huì)下降比較明顯。但是當(dāng)引入廢氣后，稀釋了缸內(nèi)的油氣混合氣，降低了氧分子與可燃分子的碰撞機(jī)率，且廢氣高比熱容特性吸收了燃燒室部分能量，可以抑制燃燒和降低排溫，排氣溫度比較低，故可以采用更稀的空燃比，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率更低，尾氣排放更少。開(kāi)啟外置EGR前發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷在所有轉(zhuǎn)速上都需要加濃，而開(kāi)啟外置EGR后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速要到3 000 r/min以后因排溫超標(biāo)才因降排溫需要而加濃，并且加濃幅度較小。對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 關(guān)閉EGR減開(kāi)啟EGR性能對(duì)比

2.2 油耗

從萬(wàn)有特性上看出在中大負(fù)荷時(shí)開(kāi)啟外置EGR后比關(guān)閉外置EGR后的油耗總體要低，在100 N以上區(qū)域油耗普遍要低10～40 g/（kW·h），在全負(fù)荷附近開(kāi)啟外置EGR后油耗要降低40～50 g/（kW·h）。這主要是由于引入EGR后發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失減小，燃燒效率增加的作用。結(jié)果如圖2所示。

圖2 外置EGR開(kāi)啟后油耗降低情況

2.3 碳?xì)渑欧?/h3>

開(kāi)啟外置EGR后碳?xì)渑欧旁? 000 r/min前后和大負(fù)荷時(shí)可降低比較大，主要是在這些轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)比較容易發(fā)生早燃，故需要加濃混合氣來(lái)減少早燃發(fā)生。當(dāng)引入廢氣后可使缸內(nèi)燃燒溫度降低，早燃傾向減少，所以發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用更稀的空燃比運(yùn)行，從而降低碳?xì)涞呐欧帕俊＝Y(jié)果如圖3所示。

圖3 外置EGR開(kāi)啟后碳?xì)渑欧沤档颓闆r

2.4 氮氧化物

由于開(kāi)啟外置EGR將更多廢氣引入缸內(nèi)后，因EGR廢氣具有較高的比熱容，吸收了燃燒室內(nèi)部分能量，減緩了燃燒速度，最終降低了燃燒室內(nèi)的溫度，從而不利于NOx產(chǎn)生。從試驗(yàn)結(jié)果也可以看出在所有轉(zhuǎn)速和工況下，開(kāi)啟外置EGR后發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放都比開(kāi)啟前有大幅降低。結(jié)果如圖4所示。

2.5 空燃比

從外置EGR開(kāi)啟和關(guān)閉中可以看出，在所有的加濃區(qū)域，開(kāi)啟外置EGR的空燃比比關(guān)閉外置EGR的要稀，大部分工況下開(kāi)啟外置EGR要比關(guān)閉外置EGR的過(guò)量空氣系數(shù)要偏大0.1左右。結(jié)果如圖5所示。

圖4 外置EGR開(kāi)啟后氮氧化物排放降低情況

圖5 外置EGR開(kāi)啟后過(guò)量空氣系數(shù)變化情況

2.6 早燃

分別通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)啟和關(guān)閉外置EGR時(shí)在45 000個(gè)燃燒循環(huán)中統(tǒng)計(jì)出2種狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生早燃的次數(shù)可以看出，在同樣工作循環(huán)下關(guān)閉外置EGR時(shí)將空燃比加濃后出現(xiàn)的早燃次數(shù)明顯還比打開(kāi)外置EGR后要多，打開(kāi)EGR明顯可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)早燃情況。結(jié)果如表4所示。

表4 開(kāi)啟與關(guān)閉外置EGR早燃情況對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)外置EGR裝置可以將更多廢氣引入缸內(nèi)參與再循環(huán)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在中、大負(fù)荷工況下采用更稀空燃比工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)在油耗率、碳?xì)浜偷趸衔锱欧诺确矫嬗忻黠@改善。另外，引入廢氣后發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)缸內(nèi)燃燒的爆發(fā)壓力，溫度等都會(huì)有所降低，從而有效降低增壓機(jī)早燃情況的發(fā)生。但是，由于加大引入廢氣后會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)吸入新鮮空氣量，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率都下降，當(dāng)進(jìn)一步加大引入廢氣量時(shí)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定，從而無(wú)法讓發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。