EGR 對在用汽油車排放特性的影響

高冬冬 羅馬吉 劉 成 王一男 邱 亮

（1-武漢理工大學汽車工程學院 湖北 武漢 430070 2-雄創（上海）新能源科技有限公司）

引言

2018年，中華人民共和國生態環境部發布的《中國機動車環境管理年報》指出，全國機動車CO、HC、NOx和PM的污染物排放總量初步核算達到4 359.7萬t。其中，CO排放為3 327.3萬t，HC排放為407.1萬t，NOx排放為574.3萬t，顆粒物排放為50.9萬t[1]。汽車作為機動車大氣排放污染物的主要承擔者，其排放的尾氣中，CO和HC排放超過80%，NOx和顆粒物（PM）排放甚至超過90%。

自20世紀90年代以來，國家制定了綜合排放控制政策和措施，包括實施新車排放標準、在用車檢查和維護、提高燃料質量、促進可持續交通、發展替代燃料車輛以及加強交通管理等方面[2]。隨著國家制定的汽車排放標準逐步加嚴，對汽車污染物的排放要求也越來越嚴格。如GB18285-2018 汽油車污染物排放限值及測量方法（雙怠速法及簡易工況法）規定，自2019年5月1日起，在全國范圍內開始實行新的汽車環保定期檢驗標準[3]，其排放限值比GB18285-2005標準更加嚴厲。

廢氣再循環（exhaust gas recirculation，EGR）是控制在用汽油車排放的一種重要方法[4-5]。其機理是將汽油機排出的廢氣中的一小部分返回至氣缸內，在汽油機引入高溫廢氣且不影響新鮮空氣充量的情況下，提高了燃燒質量，從而提高了汽油機的燃油經濟性[6-7]。EGR廢氣的加入，極大地降低了汽油機的NOx排放。研究表明，在火花點火發動機中，用10%～30%的EGR廢氣實現了NOx濃度顯著降低[8-10]。然而，EGR的應用降低了缸內燃燒速率，使得穩定燃燒更難以實現。在燃燒持續時間和平均有效壓力穩定的情況下，燃油消耗率隨著EGR的增加而降低[11]。本文研究的主要目的是將EGR應用于在用汽油車上，改善缸內燃燒條件，降低在用汽油車污染物排放，使其符合國家規定的排放限值標準。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

試驗在雄創（上海）新能源科技有限公司一輛搭載1.4 L四缸水冷發動機的在用2006款神龍富康轎車上進行。試驗在用汽油車的主要技術參數如表1所示。試驗燃料為市售的92號汽油。

表1 試驗用車發動機主要技術參數

圖1為試驗裝置示意圖，采集節氣門信號、發動機負載信號和發動機轉速信號，并輸送給電子控制單元（ECU）。之后，通過控制EGR閥的開度，使進入氣缸的廢氣量隨信號而調整。試驗設備為佛山市南華儀器股份有限公司生產的底盤測功機和排放測試系統。

圖1 EGR試驗裝置示意圖

廢氣再循環系統采用電控EGR閥，靈敏度高，可準確控制EGR閥開度。EGR率由進氣和排氣過程中的CO2體積分數計算得出，計算公式為：

式中：VCO2IN為進氣CO2的體積分數；VCO2EX為排氣CO2的體積分數；VCO2為空氣中CO2的體積分數[12]。

1.2 試驗方案

對試驗用車進行穩態工況法測試，將車輛行駛至測功機上，按照操作法規調整驅動輪位置。預熱后，測功機會依照車輛整備質量自行施加一定荷載，駕駛員控制車輛，按照圖2所示的穩態工況法（ASM）試驗運轉循環[13-14]進行操作。

圖2 穩態工況法（ASM）試驗運轉循環

試驗分為2部分：首先，以EGR閥開度為0、10%、20%、30%等4組數據為基礎，分析EGR閥開度對尾氣中CO、HC、NOx排放的影響。試驗方法是：EGR閥開度為0時，進行ASM5025工況試驗，時間范圍為0～90s；EGR閥開度為10%、20%、30%時，進行ADM5025和ASM2540工況試驗，時間范圍為0～180s。然后，在ASM5025工況和ASM2540工況等2種工況下，EGR閥的開度分別為0、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%、60%、70%、80%時，對汽車尾氣中的CO、HC和NOx排放進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 EGR閥開度對在用汽油車尾氣排放的影響

圖3為EGR閥開度對試驗用車發動機排放性能的影響。

圖3 EGR閥開度對試驗用車HC、CO和NOx排放的影響

從圖3可以發現，在穩態工況下，HC、CO、NOx排放均有所降低，尤其是NOx排放降低最為顯著。隨著EGR閥開度逐漸增加，CO、HC排放出現不同程度的下降，NOx排放呈現出急劇下降的態勢。相比于EGR閥開度為10%，EGR閥開度為20%時，CO排放降低了24.5%；EGR閥開度為10%時，HC排放稍有上升，EGR閥開度為20%時，HC排放下降了39.3%；EGR閥開度為20%時，NOx排放下降高達74.5%。主要原因是隨著EGR閥開度逐漸增大，進入缸內的氧含量逐步降低，新鮮充量減少，降低了火焰傳播速率，燃燒變得遲緩，NOx排放量明顯下降。

2.2 ASM5025和ASM2540工況排放分析

表2 為ASM5025 和ASM2540 等2 種穩態工況的排放限值。

表2 ASM5025和ASM2540工況的的排放限值

圖4 為ASM5025 和ASM2540 工況下的排放情況。

從圖4 可以看出，在2 種穩態工況下，EGR 閥開度為0、5%、10%時，在用汽油車的尾氣排放均未達標，主要是由于NOx排放超標所致。當EGR閥開度增加時，NOx排放減少，直到EGR閥開度為80%時，NOx排放仍然減少。在ASM5025工況下，CO排放在EGR閥開度為60%時最低，HC排放在EGR閥開度為25%時最低；在ASM2540工況下，CO排放在EGR閥開度為70%時最低；HC排放在EGR閥開度為80%時最低。

圖4 ASM5025和ASM2540工況排放情況

2.3 EGR閥開度對尾氣排放降低百分比的影響

圖5為EGR閥開度對尾氣排放降低百分比的影響。

圖5 EGR閥開度對尾氣排放降低百分比的影響

從圖5可以看出，隨著EGR閥開度不斷加大，CO、HC和NOx排放均出現不同程度的下降。其中，NOx排放平均下降78.7%，最高下降可達86%。HC排放平均下降37.7%，最高下降可達42%。CO排放平均下降22.2%，最高下降可達27%。表明本試驗在用汽油車安裝EGR閥后，尾氣中的3項排放指標均有所下降，尤其是NOx排放下降幅度很大。

2.4 在用汽油車安裝EGR系統前后排放與排放限值對比

圖6是15輛在用汽油車安裝EGR系統前后排放與排放限值的比較。

圖6 在用汽油車安裝EGR系統前后排放與排放限值對比

從圖6可知，通過對比發現，絕大部分車型CO排放呈下降趨勢，降低率為3%～86%。極個別車型CO排放出現小幅度上升，但并不影響排放達標。很大一部分車型HC排放呈下降趨勢，降低率為0～75%，個別車型HC排放雖有上升，但并不影響排放達標。NOx排放降低率為16%～99%，排放達標。

3 結論

1）隨著EGR閥的開度不斷增大，CO、HC排放波動不大，下降最多的是NOx排放。這是由于隨著EGR閥開度增大，進入缸內的氧含量平緩下降，缸內的最高溫度下降，抑制了NOx的生成。

2）當EGR開度為0、5%、10%時，尾氣排放不達標。原因是NOx濃度過高。隨著EGR開度從15%增大到20%、25%、30%，NOx排放大幅度降低。

3）在用汽油車安裝EGR系統后，NOx排放下降。隨著EGR閥開度的增加，在用汽油車的NOx排放明顯降低，遠遠低于排放限值。

4）安裝EGR系統后，大部分在用汽油車的CO和HC排放有所下降。