不同工況下EGR率對發(fā)動機性能的影響

韓立偉，史明杰，徐金輝，曠云龍

比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東 深圳 130022

0 引言

為實現(xiàn)我國提出的“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”[1]目標，需要進一步提高發(fā)動機的熱效率以降低油耗,廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)技術是廣泛應用的技術之一。EGR技術從排氣管引出部分廢氣，經(jīng)進氣管重新進入燃燒室參與燃燒。相同工況點下引入廢氣可以使節(jié)氣門開度增加，降低了泵氣損失從而降低發(fā)動機油耗[2-4]。引入廢氣可以使燃燒溫度降低，降低NOx排放，同時抑制爆震，使點火角提前，降低比油耗[5-8]。但是，引入廢氣的同時使燃燒速度降低，增加燃燒持續(xù)期，從而影響發(fā)動機的指示功[9-10]。EGR率為廢氣與進氣量之比，是評判EGR對發(fā)動機性能影響的重要量化指標，EGR率增加，降低泵氣損失和爆震趨勢，降低油耗，增加燃燒持續(xù)期，降低動力性，導致發(fā)動機不能兼顧油耗和動力性[11-13]。研究EGR率對發(fā)動機的泵氣損失、爆震趨勢、燃燒持續(xù)期的影響以及它們之間的相互關系，對優(yōu)化發(fā)動機性能具有重要意義。

本文中基于某臺1.5 L自吸發(fā)動機，通過發(fā)動機臺架試驗研究不同EGR率對泵氣損失、爆震趨勢、燃燒持續(xù)期的影響，找出各參數(shù)之間的平衡關系，為發(fā)動機性能優(yōu)化提供理論支持，為EGR標定提供參考。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗設備

試驗采用某1.5 L直列4缸、自然吸氣、氣道噴射汽油機，主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機主要技術參數(shù)

試驗臺架示意如圖1所示。EGR采用催化器后取氣方式，通過EGR冷卻器降溫后流經(jīng)EGR閥進入發(fā)動機進氣管。采用AVL臺架及測功機控制目標工況點，使用AVL油耗儀測量比油耗，采用AVL燃燒分析儀測量穩(wěn)態(tài)工況點100個循環(huán)的平均值，計算燃燒始點、燃燒中心、燃燒終點、泵氣損失和平均指示壓力波動率等參數(shù)，分析燃燒過程，采用HORIBA廢氣分析儀測量進氣與排氣中CO2的體積分數(shù)，計算EGR率。

圖1 發(fā)動機臺架示意圖

1.2 試驗方法

試驗室環(huán)境溫度為21 ℃，發(fā)動機冷卻液溫度保持恒定為90 ℃，發(fā)動機轉速為2400 r/min, 平均有效壓力分別為350、700和965 kPa，EGR率在0～20%按一定間隔選取。部分負荷工況點試驗時，控制EGR閥開度、節(jié)氣門開度和點火角，保證穩(wěn)定在同一工況點，同時保證燃燒過程中燃燒中心在上止點后對應的曲軸轉角為8°附近或在爆震邊界內，從而實現(xiàn)最低油耗；在外特性工況點試驗時，控制EGR閥開度、節(jié)氣門開度(全開)和點火角，保證穩(wěn)定在同一工況點，同時保證在爆震邊界內燃燒。

2 數(shù)據(jù)分析

由燃燒始點和終點可得到燃燒持續(xù)期，燃燒分析儀根據(jù)缸壓計算得到泵氣損失，根據(jù)平均指示壓力計算得到循環(huán)波動率，表征該工況點的燃燒穩(wěn)定性。

2.1 低負荷工況下EGR率對發(fā)動機性能的影響

發(fā)動機轉速為2400 r/min、平均有效壓力為350 kPa時EGR率對發(fā)動機性能的影響如圖2所示。

圖2 轉速為2400 r/min、平均有效壓力為350 kPa時EGR率對發(fā)動機性能的影響

由圖2a)可知：EGR率由0增加到17%，泵氣損失從約50 kPa降低到44 kPa，這是因為隨著EGR率增加，節(jié)氣門開度逐漸增大，導致泵氣損失逐漸降低。由圖2b)、c)可知：隨著EGR率從0到17%逐漸增加，燃燒持續(xù)期逐漸增大，為了保證燃燒中心在上止點后對應的曲軸轉角約為8°，控制點火角逐漸提前，此外從燃燒持續(xù)期和燃燒中心變化趨勢可推算出點火角和燃燒始點逐漸提前；EGR率從0增加到17%，燃燒持續(xù)期對應的曲軸轉角從22°增加到31°，EGR率大于10%后，EGR率對燃燒持續(xù)期的影響更加明顯。由圖2d)可知：隨著EGR率增加，循環(huán)變動逐漸增大，但EGR率超過10%后，燃燒持續(xù)期顯著增加。由圖2e)可知：EGR率從0增加到17%，比油耗隨EGR率增加先降低后升高，EGR率為10%時比油耗最低；表明該工況下EGR率大于10%后，隨著EGR率的增加，燃燒穩(wěn)定性逐漸惡化。

比油耗是機械效率和指示熱效率綜合影響的結果，泵氣損失和燃燒持續(xù)期分別影響機械效率和指示熱效率，二者隨EGR率變化的趨勢相反，當二者變化率達到平衡即EGR率為10%時，比油耗最低。

2.2 中負荷工況下EGR率對發(fā)動機性能的影響

發(fā)動機轉速為2400 r/min、平均有效壓力為700 kPa時EGR率對發(fā)動機性能的影響如圖3所示。

圖3 轉速為2400 r/min、平均有效壓力為700 kPa時EGR率對發(fā)動機性能的影響

由圖3可知：EGR率由0增加到20%，泵氣損失從24 kPa降低到15 kPa，這是因為隨著EGR率的增加，節(jié)氣門開度逐漸增加，泵氣損失逐漸降低[14]，當EGR率增加到18%時，節(jié)氣門開度接近全開，所以繼續(xù)增加EGR率到20%時，泵氣損失降低幅度很小；EGR率從0增加到20%，燃燒中心對應的曲軸轉角由15°降低到8°附近，因為此時為中等負荷，存在爆震趨勢(一般通過燃燒中心是否在8°附近可以判斷是否有爆震)，EGR率增加可以降低燃燒速度、燃燒溫度，抑制爆震，增加點火角，所以燃燒中心逐漸提前[15]；隨著EGR率從0增加到20%，燃燒持續(xù)期對應的曲軸轉角從21°增加到25.5°，原因與低負荷時相同；因為燃燒中心提前，燃燒循環(huán)變動略有下降；EGR率從0增加到18%，比油耗顯著降低，EGR率由18%增加到20%，比油耗增加了2 g/(kW·h)，表明EGR率從18%增至20%時，泵氣損失下降對機械效率的改善幅度較小，無法彌補燃燒持續(xù)期增加以及工質多變指數(shù)下降對指示熱效率的影響。

2.3 外特性工況下EGR率對發(fā)動機性能的影響

因為本發(fā)動機為自然吸氣發(fā)動機，外特性節(jié)氣門全開，增加EGR率會降低進入缸內新鮮空氣的質量，導致動力性降低。

發(fā)動機轉速為2400 r/min、平均有效壓力為965 kPa(外特性負荷)時EGR率對發(fā)動機性能的影響如圖4所示。

由圖4可知：EGR率由0增加到4%，泵氣損失基本不變，約為7.5 kPa，這是因為外特性節(jié)氣門全開，增加EGR率會降低進入缸內新鮮空氣的質量，進氣壓力保持不變，所以泵氣損失幾乎不變；EGR率由0增加到4%，燃燒中心對應的曲軸轉角由25.0°降低到21.7°，EGR率增加很小，燃燒中心提前較為顯著，因為此時為外特性工況，爆震趨勢較嚴重，EGR率增加可以降低燃燒速度和燃燒溫度，抑制爆震，從而使點火角提前，燃燒中心也隨之提前且較為明顯；EGR率由0增加到4%，燃燒持續(xù)期不但沒有惡化，反而輕微降低，這是由于EGR率的增加抑制爆震且使點火角提前的綜合結果；EGR率由0增加到4%，燃燒穩(wěn)定性相對改善但趨勢不明顯，這同樣是抑制爆震且使點火角提前的綜合作用結果；EGR率由0逐漸增加到4%，比油耗降低8 g/(kW·h)，EGR率增加幅度很小，但比油耗降低幅度較大，因為在外特性工況點EGR率增加可以顯著抑制爆震，提前點火角，從而顯著降低油耗。因此，針對自然吸氣發(fā)動機，在外特性工況如果輕微增加EGR率，不但不會降低動力性，而且可使油耗顯著降低。發(fā)動機在該工況點的EGR率可以增加到4%，如果是增壓發(fā)動機，提高進氣壓力，可以進一步增加EGR率，油耗降低將更為顯著。

圖4 轉速為2400 r/min、平均有效壓力為965 kPa時EGR率對發(fā)動機性能的影響

3 結論

1)低負荷工況下，無爆震趨勢，隨著EGR率的增加，泵氣損失顯著降低，燃燒持續(xù)期顯著增加，二者達到平衡，EGR率為10%時的油耗率最低。

2)中負荷工況下，存在爆震趨勢，隨著EGR率的增加，燃燒持續(xù)期顯著增加；當EGR增加到18%時，節(jié)氣門接近全開，此時油耗最低；若繼續(xù)增加EGR率，泵氣損失降低幅度很小，不能彌補燃燒持續(xù)期增加帶來的熱效率損失，導致油耗增加。

3)外特性工況下，爆震趨勢較為嚴重，EGR率小幅度增加(4%)，抑制爆震趨勢明顯，燃燒中心顯著提前，油耗率顯著降低。