廢氣再循環(huán)對(duì)米勒循環(huán)汽油機(jī)性能及顆粒物排放特性的影響

李艮坤 李云虹 于士博 章 成 莫德志 楊科文

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院 廣東 廣州 511434）

引言

隨著地球環(huán)境污染加深及石油資源減少，節(jié)能減排成為汽車行業(yè)發(fā)展的主流[1]。目前，大部分汽車企業(yè)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)排量小型化及提高壓縮比來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[2]。與此同時(shí)，也面臨著排放惡化及爆震傾向加劇等問(wèn)題。采用廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)，可提高缸內(nèi)工質(zhì)的比熱容，降低缸內(nèi)燃燒溫度，優(yōu)化燃燒過(guò)程，使燃燒相位得到提前，從而有效地抑制爆震，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性及熱效率[3]。賈寧等[4]的試驗(yàn)證明，汽油機(jī)采用合適的EGR 率后發(fā)動(dòng)機(jī)爆震發(fā)生次數(shù)減少。吳達(dá)等[5]從降低缸內(nèi)燃燒溫度及減少泵氣損失角度所進(jìn)行的試驗(yàn)證明，引入EGR 有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

同時(shí)，隨著人們對(duì)空氣質(zhì)量要求的提高，對(duì)大氣中懸浮顆粒的危害越發(fā)重視。而汽油機(jī)尾氣是大氣環(huán)境中顆粒物排放的主要來(lái)源[6]，城市空氣中40%的NOx、60%的CO 及70%的HC 產(chǎn)自汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放[7]。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的愈加嚴(yán)格，如何實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料更清潔燃燒成為各汽車企業(yè)面臨的主要問(wèn)題[8]。劉鴻淼等[9]的研究表明，引入EGR 可顯著降低NOx排放，但進(jìn)入氣缸內(nèi)的廢氣不利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物數(shù)量排放。潘鎖柱等[10]在直噴汽油機(jī)上進(jìn)行的EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放特性研究表明，NOx排放隨著EGR 率的提高而降低，但HC 和CO 排放隨著EGR率的提高而升高。Thomas Lattimore 等[11]進(jìn)行的EGR 對(duì)直噴汽油機(jī)顆粒物排放的影響表明，隨著EGR 率的提高，積聚態(tài)微粒數(shù)量增加而核膜態(tài)微粒數(shù)量減少。

以往的研究在傳統(tǒng)奧托循環(huán)汽油機(jī)領(lǐng)域取得了大量研究成果，但由于米勒循環(huán)汽油機(jī)通常采用更高的壓縮比，需要更高的EGR 率，使得燃燒及排放與傳統(tǒng)奧托循環(huán)汽油機(jī)產(chǎn)生較大差異?；谝陨涎芯勘尘?，本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)EGR 廢氣溫度及EGR 率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及顆粒物排放的影響進(jìn)行了研究，旨在為米勒循環(huán)汽油機(jī)EGR 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)研究平臺(tái)及試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)研究采用一臺(tái)單缸熱力學(xué)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣壓力采用模擬增壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用可編程的時(shí)序控制模塊對(duì)噴油時(shí)刻、噴油脈寬及點(diǎn)火提前角進(jìn)行調(diào)整。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

單缸熱力學(xué)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)帶有一套EGR 廢氣溫度控制系統(tǒng)，再循環(huán)廢氣通過(guò)水冷散熱器進(jìn)行散熱，EGR 廢氣出口端溫度由K 型傳感器采集并反饋到溫度控制模塊，溫度控制模塊根據(jù)設(shè)定溫度目標(biāo)值控制電動(dòng)球閥開(kāi)度，對(duì)進(jìn)入散熱器的冷卻水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到控制EGR 廢氣溫度的目的。

測(cè)控系統(tǒng)主要包括AVL PUMA 瞬態(tài)測(cè)功機(jī)、AVL577 油水恒溫循環(huán)控制單元、AVL 515 進(jìn)氣溫度壓力控制單元、Scienlab 噴油控制單元、自研35 MPa燃油控制系統(tǒng)及時(shí)序控制單元等。氣缸壓力采用Kistler 6054BR 氣缸壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量；曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)由AVL 365C 角標(biāo)儀輸出；利用AVL Indicom 系統(tǒng)對(duì)燃燒過(guò)程氣缸壓力及曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)進(jìn)行采集，曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)采集分辨率為0.5°CA，采集過(guò)程中對(duì)每50 個(gè)循環(huán)進(jìn)行平均以消除誤差。排放設(shè)備包括：一臺(tái)HORIBA MEXA-7100DEGR，用于CO2濃度測(cè)量；一臺(tái)Combustion DM500 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)顆粒排放分析儀，用于尾氣顆粒物測(cè)量。DM500 測(cè)量粒徑的范圍為5 nm～1 μm，響應(yīng)時(shí)間為200 ms，采集頻率為10 Hz。

圖1 為試驗(yàn)臺(tái)架示意圖。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為2 750 r/min，進(jìn)氣溫度保持在（30±2）℃，冷卻水溫度保持在（65 ±2）℃，固定進(jìn)排氣門正時(shí)相位，噴油壓力控制在35 MPa，缸內(nèi)平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)（COV）控制在3%以內(nèi)，采用單次噴射。在上述條件下，分別調(diào)整噴油量、進(jìn)氣量及點(diǎn)火時(shí)刻，使缸內(nèi)平均有效壓力IMEP=0.7 MPa 及IMEP=1.05 MPa，并保持空燃比為14.7。通過(guò)HORIBA MEXA-7100DEGR 分別測(cè)量26 ℃、36 ℃EGR 廢氣溫度下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出口CO2濃度?；谶M(jìn)排氣CO2濃度計(jì)算的EGR 率為：

式中：CO2in為經(jīng)過(guò)再循環(huán)廢氣稀釋后進(jìn)氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)；CO2exh為排氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)；CO2amb為大氣環(huán)境中的CO2體積分?jǐn)?shù)。

在不同EGR 率下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量參數(shù)、燃油消耗率及排放顆粒物進(jìn)行測(cè)量記錄。AI50 定義為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生50%放熱量所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，°CA；燃燒持續(xù)期（AI10～AI90）定義為燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生10%～90%放熱量所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，°CA。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 EGR 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

圖2 為不同EGR 率下EGR 廢氣溫度對(duì)燃燒特征參數(shù)的影響對(duì)比。圖2d 中，縱坐標(biāo)上的負(fù)值表示點(diǎn)火提前角，°CA BTDC。負(fù)值越大，表示點(diǎn)火提前角越大，點(diǎn)火越提前。

圖2 EGR 率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

從圖2 可以看出：

1）當(dāng)IMEP=0.7 MPa 時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較小，缸內(nèi)燃燒溫度低，EGR 廢氣對(duì)缸內(nèi)溫度的影響效果不明顯，AI50 無(wú)明顯變化；但在不同EGR 廢氣溫度及工況下，燃燒持續(xù)期都呈現(xiàn)延長(zhǎng)趨勢(shì)。繼續(xù)提高EGR 率時(shí)，燃燒持續(xù)期的增幅趨于平緩。小負(fù)荷工況下，燃燒持續(xù)期隨EGR 率提高而延長(zhǎng)的主要原因是EGR 率不斷提高后，EGR 廢氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的冷卻效果越發(fā)顯著，缸內(nèi)氧濃度降低，燃燒反應(yīng)速度減慢，導(dǎo)致燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)。

2）當(dāng)IMEP=1.05 MPa 時(shí)，隨著EGR 率的提高，AI50 呈先增加再減小的趨勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)滯燃期、燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)，點(diǎn)火提前角先減小后增大；當(dāng)EGR率提高至5%時(shí)，AI50 增加5°CA，點(diǎn)火提前角減小1.5°CA。主要原因在于，當(dāng)EGR 率較低時(shí)，再循環(huán)廢氣對(duì)缸內(nèi)的冷卻效果不明顯，此時(shí)，為達(dá)到相同的IMEP 目標(biāo)，需進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力，導(dǎo)致混合氣壓縮終了的溫度及壓力升高，末端混合氣所處的環(huán)境壓力及溫度上升，增大了發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向。因此，需將點(diǎn)火提前角減小，即將點(diǎn)火推遲；同時(shí)，AI50 相應(yīng)增加。EGR 率繼續(xù)提高，再循環(huán)廢氣對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度升高的抑制效果增強(qiáng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向減弱。但缸內(nèi)氧濃度及燃燒溫度降低，導(dǎo)致燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒循環(huán)波動(dòng)變大，為了控制COV 處于合理范圍，需將點(diǎn)火提前角增大，即點(diǎn)火提前。

2.2 EGR 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

圖3 為不同EGR 率下EGR 廢氣溫度對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性影響對(duì)比。

圖3 EGR 率對(duì)燃油消耗率及總指示熱效率的影響

從圖3 可以看出：

1）小負(fù)荷工況，隨著EGR 率的提高，燃油消耗率大體呈下降趨勢(shì)。燃油消率耗下降的原因?yàn)椋寒?dāng)EGR 率提高時(shí)，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的再循環(huán)廢氣增加，導(dǎo)致混合氣總量及比熱容增大，對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的抑制進(jìn)一步增強(qiáng)，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，最終導(dǎo)致燃油消耗率下降及熱效率升高。

2）大負(fù)荷工況，隨著EGR 率的提高，燃油消耗率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。低EGR 率時(shí)，燃油消耗率升高的原因?yàn)椋罕饍A向加劇，導(dǎo)致AI50 增加，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，為達(dá)到相同的IMEP 目標(biāo)，需進(jìn)一步加大噴油量，最終導(dǎo)致燃油消耗率上升，熱效率下降。

3）對(duì)比各IMEP、EGR 廢氣溫度工況0%EGR 率及17%EGR 率的燃油消耗率發(fā)現(xiàn)，IMEP=1.05 MPa、EGR 廢氣溫度為26 ℃時(shí)，燃油消耗率降低約5.6%，熱效率得到相應(yīng)提高。

2.3 EGR 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放的影響

圖4 為EGR 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放的影響。

圖4 EGR 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放的影響

從圖4a 和圖4b 可以看出，小負(fù)荷工況、各EGR廢氣溫度下，顆粒物排放曲線呈單峰形態(tài)，顆粒物排放主要以50～70 nm 直徑的積聚態(tài)形式存在；隨著EGR 率的提高，顆粒物數(shù)量排放峰值升高。這是由于缸內(nèi)燃燒溫度低，未燃碳?xì)浠衔锔菀桌淠患由匣旌蠚庵泻趿拷档?，使未燃碳?xì)浠衔镫y以在后續(xù)燃燒中繼續(xù)氧化，導(dǎo)致顆粒物排放升高。

從圖4c 和圖4d 可以看出，大負(fù)荷工況、各EGR廢氣溫度下，顆粒物排放曲線呈緩和雙峰分布形態(tài)，核膜態(tài)顆粒物排放較多集中于5～20 nm 附近，而積聚態(tài)顆粒物排放主要集中于50～60 nm 附近；隨著EGR 率的提高，核膜態(tài)顆粒物排放峰值降低，積聚態(tài)顆粒物峰值升高。這是由于積聚態(tài)顆粒物具有較大的表面積，更易于吸附缸內(nèi)未燃HC 成分，使得核膜態(tài)顆粒物數(shù)量增長(zhǎng)受到抑制，而積聚態(tài)顆粒物數(shù)量相應(yīng)增加。

從圖4 可以看出，對(duì)比不同EGR 廢氣溫度可知，由于不同溫度條件下，燃燒過(guò)程均為當(dāng)量燃燒模式，混合氣濃度整體相當(dāng)，因此EGR 廢氣溫度對(duì)顆粒物數(shù)量排放的影響相對(duì)不明顯。

3 結(jié)論

1）引入再循環(huán)廢氣有助于減小發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角加大，即點(diǎn)火提前。但大負(fù)荷工況低EGR 率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向增大。對(duì)于轉(zhuǎn)速為2 750 r/min、IMEP=1.05 MPa 工況，EGR 率為5%時(shí)，相對(duì)于0%EGR 率，AI50 增加5°CA，點(diǎn)火提前角減小1.5°CA；EGR 率提高至17%時(shí)，相對(duì)于0%EGR率，AI50 減小3.5°CA，點(diǎn)火提前角增大20.5°CA。

2）引入廢氣再循環(huán)技術(shù)可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。相比于0%EGR 率，17%EGR 率的燃油消耗率降低約5.6%，熱效率得到相應(yīng)提高。

3）各工況下，EGR 率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物數(shù)量排放的影響存在差異。小負(fù)荷工況，隨著EGR 率的提高，顆粒物數(shù)量排放峰值升高。大負(fù)荷工況，隨著EGR率的提高，核膜態(tài)顆粒物排放峰值降低，積聚態(tài)顆粒物峰值升高。各工況下，EGR 廢氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物數(shù)量排放的影響相對(duì)不明顯。