米勒增壓直噴汽油機應用LPEGR 的試驗研究*

吳威龍 林思聰 陳硯才 侯 龍 李鈺懷 鄭險峰

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 廣東 廣州 511434）

引言

近年來，為了滿足嚴格的油耗和排放法規，各種發動機新技術得到不斷應用。汽油機增壓直噴小型化是改善整車循環油耗的有效舉措，但是，進一步小型化會面臨爆震、早燃和可靠性不佳等問題[1-2]。EGR技術可以有效緩解這些問題，同時有利于燃油經濟性進一步改善。因此，增壓直噴小型化汽油機應用EGR 技術已成為業內關注的焦點[2-4]。相比于HPEGR（high pressure exhaust gas recirculation，高壓廢氣再循環）和混合EGR，LPEGR（low pressure exhaust gas recirculation，低壓廢氣再循環）在應用工況范圍、爆震抑制能力等方面更有優勢[5]。

本文首先就LPEGR 對米勒增壓直噴汽油機小、中、大負荷油耗和排放的影響進行了分析，接著闡述了進氣節流閥的效果，最后對不同漏氣量的2 種節流閥優化EGR 閥壓比的效果進行了比較分析。

1 試驗裝置和試驗方法

試驗裝置如圖1 所示。

圖1 試驗裝置示意圖

試驗用發動機是一臺3 缸直列米勒增壓直噴汽油機，其主要結構參數見表1。

表1 試驗發動機主要結構參數

小漏氣量節流閥管內徑為60 mm，閥板直徑為60 mm；大漏氣量節流閥管內徑為60 mm，閥板直徑為57 mm。

在每個測試工況，逐步增加EGR 到發動機稀釋邊界（指示平均有效壓力變化系數COV_IMEP=4%）。

2 結果及討論

2.1 LPEGR 對小負荷油耗的影響

圖2 為EGR 率對小負荷COV_IMEP 和燃燒持續期的影響。

圖2 小負荷COV_IMEP 和燃燒持續期隨EGR 率的變化

從圖2 可以看出，小負荷時，隨著EGR 率逐步加大，COV_IMEP 逐漸增加，造成燃燒不穩定。在2 000 r/min@0.5 MPa 時應用20%EGR，COV_IMEP增加到7.3%，這是不能接受的。隨著EGR 率增加，燃燒持續期逐漸加長，主要是因為EGR 的稀釋作用降低了燃燒速度。

圖3 為EGR 率對小負荷進氣壓力和PMEP（泵氣損失）的影響。

圖3 小負荷進氣壓力和PMEP 隨EGR 率的變化

從圖3 可以看出，隨著EGR 率逐漸增加，泵氣損失持續下降。引入EGR 后，為了達到相同的BMEP（平均有效壓力），需要加大節氣門開度，從而使進氣壓力逐漸增加。

圖4 為EGR 率對小負荷比油耗和油耗下降率的影響。

圖4 小負荷比油耗和油耗下降率隨EGR 率的變化

因為小負荷時，通過VVT 優化，充分利用了米勒效應和內部EGR 來降低泵氣損失，其燃燒相位處在最優位置，再引入外部EGR，雖然一定程度上可以進一步降低泵氣損失，但是引入的外部EGR 延長燃燒持續期和降低燃燒效率的作用越來越突出，最終使得節油效果不理想。從圖4 可以看出，2 000 r/min@0.4 MPa 時的油耗甚至有少許升高。

2.2 LPEGR 對中負荷油耗和排放的影響

圖5 為EGR 率對中負荷點火提前角和AI50 的影響。

圖5 中負荷點火提前角和AI50 隨EGR 率的變化

從圖5 可以看出，中負荷時，隨著EGR 率增加，點火提前角可以逐漸加大，從而使燃燒相位AI50 得到改善，逐漸提前到最優位置8°CA 附近。主要是因為EGR 中的惰性氣體（CO2和水蒸氣）比熱容較大，造成混合有廢氣的缸內工質的總熱容升高，也就是廢氣的熱容作用降低了缸內氣體的燃燒溫度和延遲了自燃[6]，抑制了爆震，使得點火角提前可以加大。

圖6 為EGR 率對中負荷氣缸壓力和瞬態放熱率的影響。

圖6 中負荷氣缸壓力和瞬態放熱率隨EGR 率的變化

從圖6 可以觀察到，隨著EGR 率的增加，缸內爆發壓力增加，并且其相位逐漸靠近上止點；而放熱率峰值呈下降趨勢，但整個燃燒相位向上止點逐漸逼近。

圖7 為EGR 率對中負荷進氣壓力和EWG（電子廢氣旁通閥）開度的影響。

圖7 中負荷進氣壓力和EWG 開度隨EGR 率的變化

引入到氣缸的廢氣取代了一部分新鮮空氣，降低了氧的濃度。EGR 的這種稀釋作用使得進入缸內的新鮮空氣減少，為了達到相同的BMEP，需要增大進氣壓力以保證一定的進氣量。從圖7 可以看出，隨著EGR 率的增加，進氣壓力逐漸升高。但是進氣壓力的升高會受到增壓器增壓能力的限制。隨著EGR率的增加，EWG 開度越來越小。2 000 r/min@1.2 MPa時應用28%EGR，EWG 幾乎全關，進氣壓力上不去，也就達不到相同的BMEP。所以，中負荷時，EGR 的應用除了受到燃燒穩定性的限制，還受到增壓能力的限制。

圖8 為EGR 率對中負荷COV_IMEP 和PN 的影響。

從圖8 可以看出，當EGR 率小于22%時，中負荷的COV_IMEP 沒有明顯變化，對EGR 率不敏感，即中負荷時，在燃燒穩定性方面可以容忍較高的EGR 率；而中負荷時采用EGR，可以降低PN，下降率高達76%。

圖8 中負荷COV_IMEP 和PN 隨EGR 率的變化

圖9 為EGR 率對中負荷比油耗和油耗下降率的影響。

圖9 中負荷比油耗和油耗下降率隨EGR 率的變化

由圖9 可以看出，隨著EGR 率的增加，中負荷的油耗先呈下降趨勢。這主要得益于EGR 減輕了爆震傾向，優化了點火提前角，使燃燒相位和缸內爆發壓力向上止點遷移，提高了熱效率。2 000 r/min@1.2 MPa 時應用22%EGR，節油率最高可達5.6%。當EGR 率增加至28%時，油耗反而會升高。主要是因為COV_IMEP 急劇增加到7%（見圖8），燃燒不穩定和燃燒效率下降所致。

圖10 為EGR 率對中負荷THC 和NOx排放的影響。

圖10 中負荷THC 和NOx 排放隨EGR 率的變化

從圖10 可以看出，隨著EGR 率的增加，中負荷的THC 排放逐漸增加。主要是因為EGR 較強的稀釋作用導致燃燒不穩定和降低了缸內氣體溫度，產生較嚴重的壁面淬熄。另外，缸內燃燒溫度降低，使后期的氧化能力下降[7]。綜合使得THC 排放逐漸增加；隨著EGR 率的增加，NOx排放逐漸下降。當EGR率增加至20%時，NOx排放下降率達76%。主要是因為燃燒持續期延長和缸內溫度下降，使得NOx生成大幅下降。

2.3 LPEGR 對大負荷油耗和排放的影響

圖11 為EGR 率對大負荷COV_IMEP 和渦前排氣溫度的影響。

圖11 大負荷COV_IMEP 和渦前排氣溫度隨EGR 率的變化

從圖11 可以看出，大負荷時，隨著EGR 率的逐步加大，COV_IMEP 逐漸增加，并且對EGR 率比較敏感。2 000 r/min@1.6 MPa 時應用11%EGR，COV_IMEP 就會大于4%。大負荷時，EGR 應用上限同樣受到COV_IMEP 和增壓能力的限制。另外，隨著EGR 率的增加，渦前排氣溫度逐漸下降。這主要是因為EGR 的稀釋作用和熱容作用，加上點火提前角加大，使得渦前排氣溫度下降。2 000 r/min@1.4 MPa 時引入15%EGR，渦前排氣溫度可降低57 ℃。若在高轉速加濃工況引入EGR，可以減少加濃，進一步達到節油效果。

圖12 為EGR 率對大負荷PMEP 和指示熱效率的影響。

圖12 大負荷PMEP 和指示熱效率隨EGR 率的變化

從圖12 可以看出，隨著EGR 率的增加，大負荷的泵氣損失逐漸增加。這主要是因為大負荷時，EWG開度本來相對較小，引入EGR 后，為了提高進氣量，需要進一步減小EWG 開度，致使排氣壓力上升較大，從而增大了排氣損失。

圖13 為EGR 率對大負荷油耗下降率和AI50的影響。

圖13 大負荷油耗下降率和AI50 隨EGR 率的變化

從圖13 可以看出，引入EGR，抑制了爆震，可使點火提前角加大，改善燃燒相位。另外，引入EGR后，缸內燃燒溫度降低，使缸內傳熱損失降低，最終使指示熱效率逐漸增加，從而實現節油。2 000 r/min@1.4 MPa 時應用15%EGR，可以節油3%。

圖14 為EGR 率對大負荷THC 和NOx排放的影響。

圖14 大負荷THC 和NOx 排放隨EGR 率的變化

從圖14 可以看出，與中負荷類似，大負荷時，隨著EGR 率的增加，THC 排放逐漸增加，NOx排放逐漸下降。

2.4 進氣節流閥的效果

采用節流閥與不采用節流閥的EGR 率比較如圖15 所示。

圖15 有節流閥與無節流閥的EGR 率差值

從圖15 可以明顯看出，采用節流閥產生壓差，在2 500 r/min 以下轉速，可以引入更多的EGR。轉速越低，可以引入的EGR 相對更多，進氣節流閥的效果越突出。

圖16 為有節流閥與無節流閥的節油率差值對比。

圖16 有節流閥與無節流閥的節油率差值

從圖16 可以看出，采用節流閥，主要在低轉速中小負荷區域帶來平均約1%的節油效果。在1 250 r/min@1.0 MPa 工況，節油率可達2.6%。

2.5 不同漏氣量節流閥的效果比較

將采用小漏氣量節流閥的結果與采用大漏氣量節流閥的結果作差處理（相減）。

1）保持EGR 閥和節流閥開度一致。挑選出用到節流閥的工況，保持同樣的EGR 閥和節流閥開度，進行測試。

圖17 為保持EGR 閥和節流閥開度一致時EGR率差值和EGR 閥前溫度差值。

圖17 保持EGR 閥和節流閥開度一致時EGR 率差值和EGR 閥前溫度差值

從圖17 可以看出，總體上小漏氣量節流閥可以引入更多的EGR，尤其在小節流閥開度（＜30%）時較為明顯。因為引入的EGR 量增加，EGR 閥前溫度有所上升。

圖18 為保持EGR 閥和節流閥開度一致時EGR閥后壓力差值與EGR 閥前壓力差值。

圖18 保持EGR 閥和節流閥開度一致時EGR 閥后壓力差值與EGR 閥前壓力差值

從圖18 可以看出，保持相同EGR 閥和節流閥開度的情況下，采用小漏氣量節流閥。在小節流閥開度時，EGR 閥后壓力有小幅下降，但是EGR 閥前壓力同樣有小幅下降。這主要是因為當前大部分試驗工況的EGR 閥開度較大，為60%～80%。

圖19 為保持EGR 閥和節流閥開度一致時EGR閥壓差差值與EGR 閥壓比差值。

從圖19 可以看出，采用小漏氣量節流閥的EGR閥壓差上升幅度較小，EGR 閥壓比降低幅度較小。

圖19 保持EGR 閥和節流閥開度一致時EGR 閥壓差差值與EGR 閥壓比差值

2）保持EGR 率一致。挑選出用到節流閥的工況，保持同樣的EGR 率進行測試。為了降低EGR 閥壓比，將EGR 閥開度關小至40%，同時節流閥也需關小。

圖20 為保持EGR 率一致時EGR 閥后壓力差值與EGR 閥前壓力差值。

圖20 保持EGR 率一致時EGR 閥后壓力差值與EGR 閥前壓力差值

從圖20 可以看出，保持相同EGR 率的情況下，采用小漏氣量節流閥的EGR 閥后壓力下降較為明顯，最大下降達60 hPa，而EGR 閥前壓力基本沒有下降。

圖21 為保持EGR 率一致時EGR 閥壓差差值與EGR 閥壓比差值。

圖21 保持EGR 率一致時EGR 閥壓差差值與EGR 閥壓比差值

從圖21 可以看出，保持相同EGR 率的情況下，采用小漏氣量節流閥的EGR 閥壓差上升幅度較大，EGR 閥壓比降低幅度較大，最大達0.06，有利于EGR 模型的控制，可提高EGR 模型控制算法的魯棒性。

3 結論

1）小負荷通過VVT 優化，充分利用米勒效應和內部EGR 來降低泵氣損失，其燃燒相位本是最優，再引入LPEGR 后，節油效果不理想。

2）中負荷應用LPEGR，會受到COV_IMEP 和增壓能力限制。當EGR 率小于22%時，中負荷時COV_IMEP 對EGR 不敏感；2 000 r/min@1.2 MPa 時應用22%EGR，可以降低油耗5.6%。主要得益于EGR 抑制了爆震，點火提前角加大，改善了燃燒相位；EGR 可以降低中負荷的PN 和NOx排放，但會增加THC 排放。

3）大負荷時，LPEGR 應用上限同樣受到COV_IMEP 和增壓能力限制，并且大負荷時COV_IMEP對EGR 比較敏感；EGR 可以降低渦前排氣溫度；2 000 r/min@1.4 MPa 時應用15%EGR，可以節油3%。主要是因為引入EGR 后，燃燒相位改善和缸內傳熱損失下降。

4）采用進氣節流閥，在低轉速中小負荷區域可節油約1%；保持相同的EGR 閥和節油閥開度，EGR閥開度較大時，采用小漏氣量節流閥，EGR 閥前后壓力會同時下降，EGR 閥壓比較難降低；保持相同的EGR 率，采用小漏氣量節流閥，EGR 閥壓比降低幅度較大，有利于EGR 模型的控制，提高EGR 模型控制算法的魯棒性。