低壓EGR 對增壓直噴汽油機燃燒和油耗的影響

樓狄明，王 博

（同濟大學汽車學院，上海201804）

為應對日趨嚴格的油耗和排放標準，眾多國內外汽車廠家將優化發動機熱效率作為研究重點?，F已有眾多技術被應用于汽油機上，如增壓技術、缸內直噴技術、可變氣門正時技術、米勒循環等。但由于上述技術所帶來的節油效果有限，為了進一步降低汽油機油耗，必須在上述技術的基礎上引入新技術來進一步提高汽油機熱效率。

廢氣再循環技術（exhaust gas recirculation，EGR）作為一種能改善發動機排放和性能的技術手段，已經廣泛應用于柴油機上，其主要作用是通過降低柴油機缸內溫度來減少NOX的生成。對于EGR在汽油機上的應用，國內外學者也進行了大量研究。

Takaki等［1］分析了現有的三種EGR系統，分別是低壓廢氣再循環系統、高壓廢氣再循環系統、混合廢氣再循環系統，比較了這三種EGR系統在小型增壓發動機上的應用。結果發現比起另外兩種系統，LP-EGR系統的優勢更大，主要是因為LP-EGR系統的工作范圍更廣并且可以更好的抑制缸內爆震，那么就可以進一步優化點火時刻，從而降低發動機的油耗和排氣溫度。Chao等［2］在一臺1.3L的進氣歧管噴射增壓發動機上比較了HP-EGR和LP-EGR對發動機燃燒和燃油消耗性的影響，研究發現LPEGR對發動機燃燒的影響比HP-EGR更大，在中低負荷工況下，由于壓差的影響，HP-EGR能引入的廢氣量有限，這限制了其在此工況下的節油效果。Bourhis等［3］在一臺直噴發動機上比較了LP-EGR和IGR（Internal Gas Residual）對發動機性能的影響，結果發現在中等負荷下，LP-EGR能更有效的抑制爆震，對油耗的優化效果更好。通過以上研究可以看出，比起其他結構的EGR系統，LP-EGR對汽油機的優化效果最好。

為了提高發動機性能，往往會在EGR系統內部加入中冷器，雖能降低引入缸內的廢氣溫度，但會形成腐蝕性冷凝液，這些冷凝液會腐蝕壓氣機葉片，損害發動機零部件［4-8］，為了解決此問題，Fischer等［9］在一臺增壓直噴汽油機上引入了一種清潔EGR系統，研究發現，在最大負荷附近，發動機的油耗降低了12%，PN更是降低了超過70%；由于清潔EGR系統減少了腐蝕冷凝液的形成，可以將EGR冷卻溫度降低至40℃，進一步提升了發動機的經濟性。

潘鎖柱等［10］在一臺缸內直噴汽油機上研究了EGR對排放的影響。結果表明EGR可以降低NOx排放，最大可降低80%以上；將導致THC和CO排放升高；排氣顆粒物呈核態和積聚態的雙峰分布。賈寧、高尚志等［11-18］研究了EGR對汽油機燃燒和油耗的影響，結果發現EGR會降低汽油機的泵氣損失并抑制爆震，從而達到節油的目的。然而，國內外學者對于在增壓直噴米勒循環發動機上增加LP-EGR系統的研究較少。因此，本文在一臺增壓直噴米勒循環發動機上加裝LP-EGR系統，研究了LP-EGR系統對增壓直噴發動機油耗和燃燒的影響。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗發動機

試驗發動機為一臺采用米勒循環的1.5L四缸增壓直噴發動機，壓縮比為11.5，額定功率及最大扭矩分別為124kW和250N·m。試驗所用燃料為市售95號汽油。

1.2 試驗設備

測試臺架布置如圖1所示，測試設備包括AVL系列排放測試系統、OBS-2200、燃燒分析儀等，具體如表1所示。

圖1 臺架布置Fig.1 Bench arrangement

表1 測試設備Tab.1 Test equipment

1.3 試驗方案

根據EGR系統對發動機不同工況下的影響特點，研究選取了發動機三個常用轉速，即2 000 r·min-1、3 000r·min-1、4 000r·min-1下的低、中、高負荷點以及4 000 r·min-1額定扭矩點。其中低、中、高負荷及4 000 r·min-1額定扭矩點所對應的BMEP分別為0.5MPa、1MPa、1.5MPa和2.09MPa。具體工況數據如圖2所示。本次試驗中EGR的冷卻方式采用水冷，冷卻液取自發動機小循環冷卻液。

圖2 試驗工況點Fig.2 Test operating points

對于給定工況，在原機標定的基礎上，保證IVO、EVC不變，通過調整點火提前角來保證發動機處于最佳油耗狀態，控制過量空氣系數λ為1，即理論空燃比燃燒。調節EGR閥門大小，并且調整點火角度，同時監測燃燒數據。特別的，在爆震傾向較大的工況點，盡可能將發動機調至爆震極限狀態。本文中的爆震極限狀態指的是發動機的爆震傳感器剛好監測到爆震信號，并自動推遲點火時刻時的發動機狀態。通過調節EGR閥門開度和排放分析儀讀數來控制EGR率的大小，EGR率掃點值為5%、10%、15%和20%。在通入EGR后，發動機扭矩會有所下降，這時需要通過調節節氣門或廢氣旁通閥開度來維持給定工況點的扭矩輸出。監測燃燒數據時，應使發動機既不出現失火也不出現爆震。在滿足燃燒穩定性的前提下，即燃燒循環變動（coefficient of variation，COV）小于3%，以油耗最優為目標，找出該工況點下的最佳EGR率，EGR閥門開度、點火提前角組合。其中，在4 000 r·min-1額定扭矩點，可適當增大λ來減少“過噴油”現象，但需保證排氣溫度始終小于950℃。

試驗中對于穩態工況點EGR率的測量是通過測量進氣歧管、排氣管路以及大氣環境中的CO2體積分數，從而計算得到工況點的EGR率，即：

式中：XEGR表示EGR率；［CO2］intake表示進氣歧管中CO2的體積分數；［CO2］exhaust表示排氣管中CO2的體積分數；［CO2］ambient表示大氣中CO2的體積分數。

2 試驗結果及分析

2.1 LP-EGR在小負荷下對發動機的影響

2.1.1 小負荷下對發動機燃燒的影響

把著火時刻定義為累計放熱率5%時所對應的曲軸轉角，把CA50定義為累計放熱率為50%所對應的曲軸轉角，而燃燒持續期則被定義成累積放熱率從10%到90%的曲軸轉角間隔期。在小負荷工況下，由于原機的爆震傾向小，發動機標定時可將CA50調到接近等容燃燒的范圍。在標定發動機的點火時刻時，工程上常將7°～9°作為CA50的最佳標定區間［18］。認為CA50在此范圍內時，發動機的熱效率最高，即在發動機的一個工作循環內，燃料熱化學能可更高效的轉化為活塞運動機械能。

如圖3所示，引入EGR后，可以相應增大發動機的點火提前角。這是因為雖然在小負荷工況下，發動機不會發生爆震，但是加入EGR后，通入缸內的廢氣稀釋了燃油混合氣體，導致氧氣分子和燃油分子的碰撞幾率降低［11］，缸內混合氣的比熱容增大，這會降低缸內溫度，導致著火時刻推遲；另一方面，著火延遲和火焰傳播速率降低會導致CA50推遲，以致不能使CA50再維持在7°～9°這個最有利于油耗的區間之內，故這時可以通過增大點火提前角來修正CA50偏移的角度，使其保持在最佳油耗區域。對于燃燒持續期來說，隨著EGR率增大，燃燒持續期延長。EGR率增大，即加入缸內的廢氣量會增多，這會進一步降低火焰傳播速率，使得燃油混合氣的燃燒速度放緩，即燃燒持續期會延長。

圖3 小負荷下EGR對燃燒的影響Fig.3 Effect of EGR on combustion under low load

如圖4所示，小負荷時，在低轉速工況下，COV整體較大，即燃燒穩定性較差。加入EGR后，隨著EGR率的增大，燃燒穩定性逐漸變差。但由于同時修正了點火提前角，COV整體都維持在3%以下，表明燃燒處于較穩定的狀態。

2.1.2 小負荷下對發動機油耗的影響

如圖5所示，隨EGR率的增加，BSFC呈逐漸降低的 趨勢 。 2 000r·min-1，3 000 r·min-1和 4 000 r·min-1小負荷下，比起原機，通入EGR后，發動機的油耗分別下降了1.79%，2.21%和5.65%。在2 000 r·min-1，0.5MPa工況下，由于催化包后與壓氣機前壓差較小，導致可通入的廢氣量有限，因此此工況下最高EGR率僅為10%，這也使得EGR在此工況下對發動機油耗的影響最小。

圖4 小負荷下EGR對燃燒穩定性的影響Fig.4 Effect of EGR on combustion stability under low load

圖5 小負荷下EGR對BSFC的影響Fig.5 Effect of EGR on BSFC under low load

小負荷工況下，EGR之所以能夠降低發動機的燃油消耗率，是因為加入EGR降低了發動機的泵氣損失［16］。如圖6所示，隨著EGR率的增大，節氣門開度逐漸增大，泵氣損失逐漸降低。造成這種現象的原因是：加入EGR系統后，將有一部分廢氣在節氣門之前與新鮮充量混合，會占用部分新鮮充量體積。比起原機，在相同節氣門開度下，進入氣缸內的新鮮充量將減少，這會影響發動機的輸出功率。為了維持給定的輸出功率，就必須增大節氣門開度，以便通入更多的新鮮充量。在給定工況下，隨著節氣門開度變大，由節氣門所造成的節流損失將減小，因此，泵氣損失也會隨之降低。

2.2 LP-EGR在中負荷下對發動機的影響

2.2.1 中負荷下對發動機燃燒的影響

圖6 小負荷下EGR對PMEP的影響Fig.6 Effect of EGR on PMEP under low load

如圖7所示，在3 000r·min-1，4 000r·min-1工況下，通入EGR前后，CA50基本都可以保持在7°～9°之間。這是由于在中高速中負荷工況下，發動機的爆震傾向較低，標定時可以盡可能大的通過增大點火提前角來保證油耗；而在2 000r·min-1工況下，CA50則不能一直保持在7°～9°的區間內，而是隨著EGR率的增大逐漸降低，直到EGR率達到15%時，CA50才降低到8.58°。這是由于在低速中負荷時，發動機爆震傾向大，原機必須通過推遲點火來抑制爆震。在通入EGR后，由于廢氣具有較大的比熱容，可以吸收一部分放熱量，且可以稀釋缸內的混合氣，從而降低缸內的溫度和壓力，因此會起到抑制爆震的作用［13］。所以，在原機基礎上加入EGR后，可以適當的增大點火提前角以補償爆震對點火時刻的影響。然而，在EGR率較低時，由于加入缸內的廢氣量有限，其對于爆震的抑制效果也有限，所以當EGR率小于15%時，盡管可以通過修正點火時刻來降低CA50，但是在CA50降低到7°～9°之前，發動機就已經達到了爆震極限，故不能將CA50降低到最佳油耗區間內。特別的，在4000 r·min-11MPa工況下，當EGR率達到19%時，由于COV大于5，此時的燃燒循環變動大，燃燒不穩定，導致CA50出現了較大的偏差。

圖7 中負荷下EGR對CA50的影響Fig.7 Effect of EGR on CA50 under middle load

如圖8所示，EGR率越大，點火時刻可提前的幅度越大，燃燒持續期也越大。造成這種現象的原因是加入EGR會導致著火時刻推遲，在低速時還會起到抑制爆燃的作用，所以可以適當對點火提前角進行修正，起到降低發動機油耗的作用；由于EGR的稀釋作用和較大的比熱容，會降低火焰傳播速率，因此燃燒持續期也會延長。

圖8 中負荷下EGR對燃燒的影響Fig.8 Effect of EGR on combustion under middle load

如圖9所示，隨著EGR率的增大，轉速的升高，缸內最高溫度與最大放熱率均下降。這是由于EGR的稀釋作用降低了缸內混合氣體的氧濃度，惰性氣體會阻礙火焰的傳播從而影響火焰傳播速率，導致燃燒放緩，最大放熱率降低，且熱容效應會降低缸內的燃燒溫度，從而降低缸內最高溫度與壓力［10］。

圖9 中負荷下EGR對缸內最高溫度和最大放熱率的影響Fig.9 Effect of EGR on maximum temperature and maximum heat release rate in cylinder under middle load

圖10 中負荷下EGR對缸內最大壓力的影響Fig.10 Effect of EGR on maximum pressure in cylinder under middle load

如圖10所示，APmax表示達到最大壓力所對應的曲軸轉角。缸內最大壓力會隨著EGR率的增大而增大，且達到峰值壓力的時刻會有所提前。原本由于EGR的稀釋效應和熱容效應，會導致缸壓峰值下降，燃燒放緩，APmax推遲。但本文中，在通入EGR的同時適當的增大了點火提前角，將每個工況點都調整至爆震極限的位置。因此，缸內最大壓力反而升高。

2.2.2 中負荷下對發動機油耗的影響

如圖11所示，隨著EGR率的增加，BSFC是呈逐漸降低的趨勢。特別的，在4 000 r·min-11MPa工況下，當EGR率達到19%時，油耗反而升高。2 000 r·min-1，3 000 r·min-1和4 000 r·min-1中負荷下，比起原機，通入EGR后，發動機的油耗分別下降了8.41%，2.54%和1.42%。EGR對油耗的影響在2 000 r·min-1時最大，而在4 000 r·min-1時最小。

究其原因，在2 000 r·min-1，3 000 r·min-1中負荷時，EGR都能通過減小泵氣損失來降低油耗。除此之外，在2 000 r·min-1中負荷下，由于爆震傾向大，原機只能通過推遲點火來降低其爆震傾向。推遲點火雖然能夠抑制爆震，但是會導致CA50不能保持在最佳位置，如圖6所示，2 000 r·min-11MPa下原機所對應的CA50為17.2°，而在3 000 r·min-11MPa下原機所對應的CA50為8.4°，低速時CA50不在7°～9°之間，因而造成油耗較高。加入EGR后，由于其可以抑制爆震，在低速時，便可以更大程度的修正點火提前角，從而大幅減小發動機的燃油消耗。

圖11 中負荷下EGR對BSFC的影響Fig.11 Effect of EGR on BSFC under middle load

而在4 000 r·min-11MPa下，一方面，EGR率最大時，由于COV大于5，發動機失火嚴重，此時燃燒不穩定，油耗測量波動較大；另一方面，如圖12所示，此工況下的泵氣損失會隨著EGR率的增大而逐漸增大。究其原因，其余中小負荷工況主要依靠節氣門來調節發動機負荷，不同的是，此工況則主要依靠廢氣旁通閥來控制發動機的負荷變化，而非節氣門。當EGR率增大時，進入缸內的空氣量將減少，為了不影響發動機的功率輸出，發動機需減小廢氣旁通閥開度來提高增壓壓力。廢氣旁通閥開度減小導致排氣背壓上升，且排氣背壓變化幅度較進氣壓力明顯，從而導致PMEP增大。當泵氣損失對油耗的惡化效果大于修正點火時刻帶來的收益時，油耗反而會有所升高。因此，在4 000 r·min-11MPa下，EGR率過大時反而會使發動機油耗升高，所以在此工況下其最佳EGR率為15%，均小于其余兩個工況。綜上，4 000 r·min-11MPa下，由于EGR在抑制爆震的同時會增大泵氣損失，所以，此工況下油耗的減小幅度最低。

圖12 4 000 r·min-11MPa下EGR對PMEP的影響Fig.12 Effect of EGR on PMEP under 4 000 r·min-11MPa

2.3 LP-EGR在大負荷下對發動機的影響

2.3.1 大負荷下對發動機燃燒的影響

如圖13所示，在低、中、高速大負荷工況下，發動機的爆震傾向都很大，原機只能通過推遲點火來降低其爆震傾向。2 000 r·min-1，3 000 r·min-1和4 000 r·min-1大負荷下原機的 CA50 分別為 22.9°、17.8°、12.7°，由此可以看出在低速大負荷時，原機的爆震傾向最大，其推遲點火的程度最大，導致此工況下油耗最高。通入EGR后，可以一定程度上抑制爆震的發生。在低速時，由于爆震傾向最大，當EGR率達到此工況下的最大值18.5%時，CA50也只能降低至15°；而在中速下，當EGR率達到19%時，CA50可降至8.8°，處于最佳油耗區間內；相應的，在高速下，當EGR率達到15%時，CA50就降低至8.7°。這說明在中高速時，EGR可以較徹底的解決由于爆震所引起的點火推遲問題，在引入大EGR率后，可以使CA50處于7°～9°之間，即更接近于等容燃燒；而在低速時，由于爆震趨勢過大，EGR對于爆震的改善效果則有限。

2.3.2 大負荷下對發動機油耗的影響

圖13 大負荷下EGR對CA50的影響Fig.13 Effect of EGR on CA50 under high load

如圖14所示，與4 000 r·min-11MPa時類似，大負荷下，泵氣損失會隨EGR率的增大而增大。這主要是因為在大負荷下，節氣門已接近全開，此時調節節氣門開度對負荷的影響甚微。為了保證扭矩輸出，發動機必須減小廢氣旁通閥開度。因此，EGR率增大，排氣背壓也會上升，最終導致PMEP增大。

圖14 大負荷下EGR對PMEP的影響Fig.14 Effect of EGR on PMEP under high load

如圖15所示，大負荷下，隨著EGR率的增加，BSFC逐漸降低。究其原因，雖然EGR率增大會導致泵氣損失有所升高，但通過抑制爆震，優化點火帶來的油耗收益仍大于由于泵氣損失增大帶來的燃油損失。因此，總的來說，EGR在大負荷下仍能作為減小發動機油耗的技術手段。然而，在4 000 r·min-11MPa下，EGR率達到20%時，PMEP將增大至-0.069MPa。與此同時，增大點火提前角已無法再大幅降低發動機油耗，從而導致燃油收益小于消耗。因此，此測點下的BSFC較EGR率為15%時反而有所升高。

2 000 r·min-1，3 000 r·min-1和 4 000 r·min-1大負荷下，比起原機，通入EGR后，發動機的油耗分別降低了5.67%，4.20%和1.07%。EGR在2 000 r·min-1時對油耗的影響最大，4 000 r·min-1時最小。造成這種現象的原因是：一方面，低速時，原機的爆震傾向過大，通過推遲點火而犧牲的燃油消耗也較中高速多，所以在低速時，通過引入EGR并合理修正點火時刻對油耗的影響最大；另一方面，從圖14中可以看出，轉速越高，泵氣損失越大，且EGR率對泵氣損失的影響在高速時也更為顯著。因此，低速時，EGR率增大帶來的收益最大，損耗最小，高速時則相反。

圖15 大負荷下EGR對BSFC的影響Fig.15 Effect of EGR on BSFC under high load

2.3.3 4 000 r·min-1額定扭矩下對發動機的影響

如圖16所示，原機對應的點火提前角為3°，CA50為25.6°；EGR率為20%時，對應的點火提前角為21°，CA50為12.7°。類似于大負荷工況，同樣的，在此工況下，通入EGR后可以有效抑制發動機的爆震傾向，通過增大點火提前角可以相應的降低CA50，讓缸內燃燒更接近于等容燃燒，從而提高發動機的熱效率。

圖16 4 000 r·min-1額定扭矩下EGR對燃燒的影響Fig.16 Effect of EGR on combustion under 4 000 r·min-1rated torque

有別于其他工況點，在高速近全負荷工況點下，由于此時汽油機的排氣溫度過高，往往會超過950℃，過高的溫度會損害排氣系統以及后處理裝置。為了保護排氣系統，防止排氣溫度過高，往往會在這些工況點進行“過噴油”。雖然“過噴油”可以有效的保護三元催化器和渦輪增壓器，但是會導致燃油消耗大大增加。通過引入EGR系統，可以有效改善這一現象。如圖17、18所示，原機為了將排氣溫度降低至858℃，只能將λ降低至0.81。引入EGR系統后，排氣溫度隨著EGR率的增大逐漸降低，在EGR率達到20%時，排氣溫度降低至716℃。由于通過應用EGR有效降低了排氣溫度，可以相應的提高λ來減少噴油量。當EGR率達到20%時，λ則提高到至0.92。

圖17 4 000 r·min-1額定扭矩下EGR對溫度的影響Fig.17 Effect of EGR on temperature under 4000 r·min-1rated torque

圖18 4 000 r·min-1額定扭矩下EGR對λ的影響Fig.18 Effect of EGR on λ under 4 000 r·min-1rated torque

如圖19所示，在4 000 r·min-1額定扭矩工況，BSFC和EGR率仍是呈負相關的關系，原機的BSFC為315.66g·（kW·h）-1，當EGR率為20%時，發動機的BSFC為251.28 g·（kW·h）-1，此工況下，發動機的油耗降低了20.4%。相較于其他工況，油耗降低幅度大幅提高。究其原因，在高速近全負荷下，EGR不僅可以抑制爆震，更為關鍵的是，它還能通過降低排氣溫度來消除“過噴油”現象帶來的燃油損耗，可進一步提高發動機的熱效率。

圖19 4 000 r·min-1額定扭矩下EGR對BSFC的影響Fig.19 Effect of EGR on combustion under 4 000 r·min-1rated torque

3 結論

（1）加入EGR會推遲發動機的著火時刻，延長燃燒持續期，并降低缸內最高溫度、最高壓力和最大放熱率。在引入EGR的同時增大點火提前角，使發動機臨近爆震，缸內最高壓力反而增大。

（2）在中小負荷工況下，引入EGR可以降低發動機的泵氣損失。而在大負荷和4 000 r·min-1中負荷工況下，隨著EGR率的增大，泵氣損失反而會逐漸增大。

（3）在中小負荷下，EGR主要通過減小泵氣損失來提高發動機的燃油經濟性；在大負荷下，由于EGR對爆震的抑制作用，可通過優化點火時刻來降低發動機油耗。

（4）4 000 r·min-1額定扭矩點，EGR可使發動機油耗較原機減小20.4%。此工況下，EGR不僅可以抑制爆震，更為關鍵的是，它還能通過降低排氣溫度來消除“過噴油”現象帶來的燃油損耗。