高能點火耦合EGR 對汽油機性能的影響

韓 松 張 晴 吳春玲 吳濤陽 許博雅 黃海營

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津 300300）

引言

隨著排放法規和燃油經濟性要求的日益嚴苛，促使多種節能減排技術與裝置應用于現代轎車并逐步發展成熟。發動機廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技術能夠降低燃燒溫度，抑制爆燃，提高燃油經濟性，同時減少NOx排放量[1]。此外，再循環廢氣的引入使得進氣歧管真空度降低，從而加大了節氣門的開度，降低中低負荷泵氣損失。但隨著引入缸內的EGR 率增加，缸內燃燒情況會惡化，燃燒穩定性變差，油耗降低到一定程度后會再增加[2]。

高能點火是通過大幅度提高點火能量、磁場、電場來提高燃燒速率和完善度，從而達到綜合改善內燃機性能的目的。實現高能點火，要加大點火能量，建立高溫強電磁場[3]。提高點火能量、加大火花塞間隙、延長火花持續時間有利于火焰核的形成。強大的點火能量，可以保證火核生長快，不失火。高能點火彌補了采用較高EGR 率時點燃困難，燃燒惡化的缺點，可以有效提高EGR 率，進一步降低燃油消耗[4]。

1 高能點火及低壓EGR 方案介紹

本實驗采用了兩款高能點火線圈與原機點火線圈（single ignition）進行對比。兩款高能點火線圈分別是博格華納貝魯系統的多次點火線圈（multiple ignition）以及Diamond 的雙線圈高能點火線圈（DCO）。博格華納貝魯系統的多次點火線圈能夠在一段時間內連續充放電，實現火花塞多次跳火，提高點火能量，增強和改善發動機點火穩定性。DCO 同樣能夠實現多次點火，并且由于其Coil1 放電還沒有結束，Coil2 就開始放電，兩個線圈能量疊加，會使次級電流突升[5]。下圖為不同點火線圈次級電流對比。

圖1 點火線圈次級電流對比

低壓冷卻EGR 系統安裝在測試發動機上如圖2所示。該系統由一個EGR 冷卻器、閥門和管路組成，廢氣由三元催化轉化器后部引出，經冷卻器和閥門后引入壓氣機前。冷卻器將EGR 溫度降低到95～120 ℃。

圖2 低壓冷卻EGR 系統安裝方案圖

2 工況點選取

本文的研究對象是一臺四氣門缸內直噴渦輪增壓汽油機，其主要參數如表1 所示。噴油系統采用博世高壓燃油共軌系統，最大共軌壓力達35 MPa。其進氣凸輪軸與排氣凸輪軸包角分別為220°CA 和205°CA，凸輪軸包角定義為從氣門開啟1 mm 至關閉1 mm 所對應的曲軸轉角。其最大氣門升程分別為10.8 mm 和9.2 mm。

表1 發動機參數

本文對小負荷工況點2 000 r/min，0.2 MPa 和中等負荷工況點2 400 r/min，1.2 MPa 進行高能點火試驗研究，測試燃料為辛烷值為92 的汽油。試驗過程中，保持進氣溫度在（25±2）℃范圍內、發動機出水溫度在（88±2）℃范圍內、機油溫度在（90±5）℃范圍內。試驗中，在小負荷工況點，通過調節進排氣VVT，改變氣門重疊角，從而獲得不同的內部EGR 率，無需引入外部EGR。中等負荷需要引入外部EGR，通過調節EGR 閥開度來改變EGR 率。保持發動機過量空氣系數為1，通過調整點火提前角調節燃燒相位，使得50%放熱的曲軸轉角AI50 在壓縮上止點后8°CA 附近或爆燃邊界。

3 試驗結果分析

3.1 小負荷工況點

圖3 為2 000 r/min、0.2 MPa 工況點不同內部EGR 率時，三種點火模式下缸內燃燒穩定性對比。在EGR 率較低時，混合氣易于點燃，燃燒穩定性都很好。隨著EGR 率的增加，single 點火模式下，缸內燃燒情況最先惡化。當EGR 率達到14%，multiple 點火模式下，缸內燃燒也開始惡化，而single 模式發動機已不能穩定運轉。DCO 點火模式的點火能量最高，顯著地改善了高EGR 率時的燃燒穩定性。

圖3 小負荷工況點循環變動系數對比

圖4 為2 000 r/min、0.2 MPa 工況點不同內部EGR 率時，三種點火模式下初始內核形成持續期（0～2%MFB）對比。由圖4 可知，使用DCO 模式，發動機的初始內核形成周期比其他兩種模式短，特別是E GR 率較高時，效果更為明顯。發動機燃燒穩定性的改善來源于高能點火對于火核形成的改善[6]。

圖4 小負荷工況點0～2%MFB 對比

圖5 為2 000 r/min、0.2 MPa 工況點不同內部EGR 率時，三種點火模式下燃油消耗率對比。增大氣門重疊角，缸內EGR 率增加，同時泵氣損失降低，顯著降低燃油消耗率。但由于EGR 率增加，使缸內燃燒惡化，燃油燃燒不完全，燃油消耗率再次增加。采用高能點火后，拓展了EGR 率極限，在高EGR 率下改善了燃燒。Multiple 點火模式可將EGR 率拓展到11%，保證循環變動率低于5%，油耗降低4.87%。DCO 點火模式下，在EGR 率為14%時仍然具有較好的燃燒穩定性，內部EGR 耦合DCO 高能點火方案使2 000 r/min、0.2 MPa 工況點油耗降低7.34%。

圖5 小負荷工況點燃油消耗率對比

3.2 中等負荷工況點

圖6 為2 400 r/min、1.2 MPa 工況點不同外部EGR 率時，三種點火模式下缸內燃燒穩定性對比。Single 點火模式下，EGR 率20%時，燃燒穩定性惡化，循環變動率大于5%。采用高能點火模式，都有效拓展了該工況點所容忍的最高EGR 率。尤其是DCO點火模式，EGR 率達到25%時，燃燒循環變動系數為3.6%，發動機仍能穩定燃燒。

圖6 中負荷工況點循環變動系數對比

圖7 為2 400 r/min、1.2 MPa 工況點不同內部EGR 率時，三種點火模式下初始內核形成持續期（0～2%MFB）對比。在中等負荷高能點火模式對初始內核形成的影響規律與小負荷時基本相同。DCO 點火模式耦合EGR 技術，在EGR 率為25%時，初始內核形成持續期只增加8.0°CA。

圖7 中負荷工況點0～2%MFB 對比

圖8 為2 400 r/min、1.2 MPa 工況點不同外部EGR 率時，三種點火模式下燃油消耗率對比。中高負荷時，泵氣損失較小，引入低壓冷卻EGR 對降低泵氣損失影響很小。但其能夠有效改善發動機中高負荷爆燃情況，從而使點火角大大提前，這樣使更多的燃料在發動機上止點附近燃燒，改善發動機燃燒等容度。采用DCO 點火模式耦合低壓EGR，在EGR 率為25%時，能夠將AI50 提前到上止點后8°CA，使油耗降低到211.8g/（kW·h），相對于原機single 點火模式無外部EGR 時，油耗降低6.1%。

圖8 中負荷工況點燃油消耗率對比

4 結論

1）采用高能點火模式，使發動機在較高EGR 率時仍能穩定燃燒，有效拓展了發動機所容忍的最高EGR 率。在燃燒不惡化的情況下，DCO 點火模式，使2 000 r/min、0.2 MPa 和2 400 r/min、1.2 MPa 工況點最高EGR 率分別提高了6%和10%。

2）高能點火模式對低EGR 率時發動機初始內核形成周期影響較小，但能有效降低高EGR 率時初始內核形成周期，利于火核形成，提高發動機燃燒穩定性。

3）DCO 高能點火耦合EGR，2 000 r/min、0.2 MPa工況點在EGR 率為14%時仍能穩定燃燒，有效降低泵氣損失，油耗降低7.3%。2 400 r/min、1.2 MPa 工況點在EGR 率為25%時，有效改善爆燃，將AI50 提前到上止點后8°CA，使油耗降低到211.8 g/（kW·h），相對于原機single 點火模式無外部EGR 時，油耗降低6.1%。