郭玉彬 沈穎剛 衛(wèi)海橋 馮登全 潘明章 高東志 李金印

(1－昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 云南昆明 650500 2－天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3－重慶小康工業(yè)集團(tuán)股份有限公司)

引言

隨著能源的日益枯竭和環(huán)境污染，節(jié)能減排已成為當(dāng)今內(nèi)燃機(jī)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)于汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，節(jié)能減排的方式有很多，汽油機(jī)小型化是其中一項(xiàng)重要的研究課題。發(fā)動(dòng)機(jī)小型化是發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)在不增加氣缸容積前提下，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩和效率，降低油耗［1］，主要手段包括增大進(jìn)氣壓力，提高壓縮比，廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，簡(jiǎn)稱 EGR)等。

增大壓縮比通過(guò)減小氣缸容積，增大壓縮沖程的最大缸內(nèi)壓力從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩等，但同時(shí)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒溫度過(guò)高，爆震傾向嚴(yán)重，排氣溫度過(guò)高，造成三效催化轉(zhuǎn)換器的損壞。EGR則主要通過(guò)惰性氣體在燃燒室內(nèi)對(duì)燃燒的抑制作用來(lái)對(duì)燃燒速率、燃燒溫度以及氧濃度產(chǎn)生影響［2，3］，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放和各項(xiàng)性能產(chǎn)生作用。EGR是降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的主要途徑之一。除此之外，EGR在汽油機(jī)中還可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向，低負(fù)荷情況下可以通過(guò)降低泵氣損失來(lái)降低燃油消耗率。但EGR率過(guò)大則會(huì)使燃燒惡化，大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。Michele Kaiser等人在PFI汽油機(jī)中進(jìn)行了EGR在使用不同摻比的乙醇汽油燃料的性能對(duì)比研究［4］，其研究指出，冷卻EGR是小型化SI發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，包括提高汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和高壓縮比下提高功率及熱效率，但并未對(duì)不同壓縮比下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能給出對(duì)比。

由于不同的EGR率下進(jìn)入氣缸中廢氣多少的不同，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及其他性能表現(xiàn)有所變化，壓縮比的變化使壓縮終了時(shí)燃燒室的溫度壓力以及氣體流動(dòng)產(chǎn)生很大變化從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等產(chǎn)生影響［5］。本文則主要針對(duì)不同EGR率和壓縮比的協(xié)同作用來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方案

1．1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本文中所用實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)單缸水冷、可變壓縮比、排量為0．49L的Ricardo E6汽油機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑為80mm，沖程為100mm。測(cè)功機(jī)為天津科達(dá)動(dòng)力測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DZDC－20型電力測(cè)功機(jī);單缸機(jī)ECU采用MOTEC公司m400管理控制器，集成了可調(diào)點(diǎn)火提前角、可調(diào)噴油脈寬等全面的控制模塊;缸內(nèi)壓力采集采用KISTLER 6041a水冷式缸內(nèi)壓力傳感器，KISTLER 5018型電荷放大器，美國(guó)National Instrument公司的Wavebook512型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和美國(guó)National Instrument公司的DASY Lab 7．0型數(shù)據(jù)處理軟件;空燃比測(cè)量采用美國(guó)ECM公司的LCAN－N6型空燃比分析儀;氣體排放測(cè)量采用日本HORIBA MEXA－7200DEGR排放測(cè)試儀。

EGR系統(tǒng)如圖1所示，排氣通過(guò)EGR閥回流到進(jìn)氣道，通過(guò)穩(wěn)壓箱進(jìn)行充分混合后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行摻燒。

圖1 試驗(yàn)主要設(shè)備連接示意圖

1．2 試驗(yàn)方案

本文中實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1200r/min，均采用全負(fù)荷，分別有 8∶1、9∶1、10∶1、11∶1 四種壓縮比，通過(guò)調(diào)節(jié) EGR閥控制發(fā)動(dòng)機(jī)在不同EGR率下進(jìn)行試驗(yàn)，并基于EGR對(duì)PFI汽油機(jī)在部分工況下燃燒過(guò)程、排放的影響規(guī)律進(jìn)行研究。每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況下通過(guò)MOTEC點(diǎn)火模塊調(diào)節(jié)控制為最佳點(diǎn)火提前角(即最佳功率所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火提前角)。在不同的工況下，通過(guò)ECU調(diào)節(jié)噴油器的噴油脈寬，保證空燃比為14．7，即化學(xué)計(jì)量空燃比;發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度保持在(80±3)℃左右，潤(rùn)滑油溫度保持在(85±3)℃左右。

本文通過(guò)使用可變壓縮比點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合不同EGR率對(duì)其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1 EGR對(duì)有效熱效率的影響

圖2為汽油機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)，在不同壓縮比下，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率隨EGR率變化曲線。圖2中，在EGR率較小(＜5%)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率變化比較平穩(wěn)，甚至有輕微上升的趨勢(shì)。壓縮比為9∶1時(shí)，EGR率從0上升到5%，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率增大0．27%;當(dāng) ＞5%時(shí)，隨著EGR率的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率不斷降低。壓縮比為9∶1時(shí)，EGR率從10%上升到15%，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率降低3．17%。同時(shí)，在相同的EGR率下，隨著壓縮比的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率逐漸提高，但隨壓縮比的逐漸增高，熱效率增長(zhǎng)幅度越來(lái)越小，且隨著EGR率的增大，壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的影響逐漸降低。

圖2 不同壓縮比下EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率的影響

這主要是因?yàn)閺U氣的加入使缸內(nèi)混合氣溫度升高，更有利于燃料的蒸發(fā)霧化，從而對(duì)混合氣的燃燒起到了一定的促進(jìn)作用，缸內(nèi)的燃燒得到優(yōu)化。另一方面，由于廢氣的加入，其中不參與燃燒的惰性氣體占據(jù)一定的空間，從而使缸內(nèi)混合氣的氧濃度降低，也使缸內(nèi)混合氣的總體熱容隨之變大。當(dāng)EGR率較小時(shí)，由于進(jìn)入氣缸內(nèi)廢氣量較少，EGR的稀釋作用和熱容效應(yīng)能起到的作用較小，廢氣對(duì)于缸內(nèi)混合氣燃燒的促進(jìn)作用占據(jù)主導(dǎo)地位，從而使缸內(nèi)燃燒溫度升高，傳熱損失減小，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率得到了一定的提升。當(dāng)EGR率較大時(shí)，由于有更多的廢氣進(jìn)入氣缸，EGR的稀釋作用和熱容效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，使燃燒室內(nèi)層流火焰速度降低。同時(shí)由于EGR的稀釋作用和熱容作用，混合氣燃燒溫度降低，燃燒室壁面溫度因此下降，傳熱損失增加。在理論空燃比下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的不可逆損失大幅度增加，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率下降。過(guò)多的廢氣進(jìn)入氣缸，則會(huì)導(dǎo)致火焰燃燒不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒惡化，有效熱效率大幅降低。而在相同的EGR率下，壓縮比越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的放熱率曲線峰值越高，缸內(nèi)壓力峰值越高，在壓縮終了溫度越高，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的傳熱損失減少，壓縮比的增加降低了燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的不可逆損失，使卡諾循環(huán)的熱效率提高。隨著EGR率的增大，EGR對(duì)于燃燒的抑制作用隨著EGR率的增大而增大，提高壓縮比對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率的提高幅度相對(duì)來(lái)說(shuō)則越來(lái)越小。所以在不合適的EGR率下，通過(guò)提高壓縮比來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率的效果也是十分有限的。

2．2 EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響

IMEP定義為在壓縮和膨脹行程中缸內(nèi)氣體所做功與氣缸工作容積的比值。反映了缸內(nèi)混合氣實(shí)際做功的大小。

圖3為汽油機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速為1200r/min時(shí)，不同壓縮比下，發(fā)動(dòng)機(jī)的IMEP(指示平均缸內(nèi)壓力)隨EGR率的變化規(guī)律。如圖所示，隨著EGR率的增加，單缸機(jī)的IMEP整體呈下降的趨勢(shì)，EGR率較小時(shí)，IMEP變化不明顯;當(dāng)EGR率相對(duì)較大時(shí)(大于5%)，單缸機(jī)IMEP迅速下降。在相同的EGR率下，IMEP隨壓縮比的增大而升高。壓縮比為8∶1、EGR率為0時(shí)，與壓縮比為11∶1、EGR率為10%時(shí)的IMEP基本處于同一水平。而當(dāng)EGR率從0變?yōu)?0%，發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放變化很大，因此在EGR率較大的情況下，可以通過(guò)提高壓縮比來(lái)恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能損失，同時(shí)又能夠保持較低的NOx排放。

圖3 不同壓縮比下EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)IMEP的影響

這主要是在EGR率較小時(shí)，混合氣的形成條件改善和燃油蒸發(fā)逐漸增強(qiáng)的結(jié)果。隨著EGR率的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)混合氣著火時(shí)刻逐漸推遲，從而導(dǎo)致IMEP快速下降。但是當(dāng)EGR率過(guò)大時(shí)，會(huì)使缸內(nèi)工質(zhì)的燃燒惡化，有可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失火，此時(shí)IMEP會(huì)變得很小，發(fā)動(dòng)機(jī)做功能力迅速下降。IMEP下降會(huì)導(dǎo)致循環(huán)凈功下降，實(shí)際上就是使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩下降，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能。在相同的EGR率下，隨著壓縮比的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力峰值升高，有效熱效率增大，從而使IMEP升高，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體的動(dòng)力性。

圖4為汽油機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)，不同壓縮比下功率隨EGR率的變化曲線。如圖所示，在同一壓縮比下，隨著EGR率的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率逐漸降低。壓縮比為8∶1時(shí)，在20%EGR率情況下，相對(duì)于未加EGR時(shí)，功率下降了將近41%。目前，在節(jié)能減排的基礎(chǔ)上提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率是發(fā)動(dòng)機(jī)研究的重點(diǎn)，其中增大壓縮比是較好的選擇之一。圖4中，在相同EGR率下，隨著壓縮比的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)功率不斷提高，從而彌補(bǔ)了EGR的引入所導(dǎo)致的功率部分下降。如圖所示，壓縮比為8∶1時(shí)、EGR率從0逐漸變?yōu)?0%，發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低了6%，此時(shí)，如果壓縮比提高到11∶1，功率在10%EGR率時(shí)的提高量占?jí)嚎s比為8∶1、EGR率為0時(shí)功率的7．7%;EGR率從0升高到15%，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率降低了18%，此時(shí)如果壓縮比升高到為11∶1，功率在15%EGR率時(shí)的提高量占?jí)嚎s比為8∶1、EGR率為0時(shí)功率的9．7%。從圖中也可注意到，隨著EGR率的增大，壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提升作用逐漸減弱。

圖4 不同壓縮比下EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響

這主要是因?yàn)閺U氣進(jìn)入氣缸，使缸內(nèi)混合氣密度減小，從而使進(jìn)入缸內(nèi)的混合氣總量減少，制約了功率的增加。另一方面，廢氣的稀釋作用使缸內(nèi)氧濃度降低，使火焰前鋒速度降低，燃燒速度變緩，缸內(nèi)有效混合氣量變少，降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率的輸出［6］。如圖所示，當(dāng)EGR率過(guò)大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率將會(huì)迅速降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性變差。在同一EGR率下，隨著壓縮比的提高，在壓縮沖程終了時(shí)燃燒室容積變小，這就使燃燒變得更加劇烈，從而在燃燒過(guò)程中混合氣的放熱過(guò)程變得更快，缸內(nèi)壓力升高，缸內(nèi)燃燒溫度升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的不可逆熱損失減少。在P－V圖上，發(fā)動(dòng)機(jī)所做的有用功增加，最終使發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出功率扭矩增大。然而，廢氣的加入對(duì)混合氣的燃燒具有有效的抑制作用，在EGR率較小時(shí)，這種抑制效果并不明顯。隨著EGR率的增大，對(duì)于燃燒的抑制效果逐漸增大，這就使壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響相對(duì)變小，如果EGR率過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致燃燒惡化，功率扭矩急劇降低［7］。

增大壓縮比在EGR率越小的情況下對(duì)于功率的提升越有效果，但EGR率越小，對(duì)于降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的效果就越不明顯［8］。結(jié)合以上所述，提高壓縮比的時(shí)候要同樣有合適的EGR率匹配，這樣才能在發(fā)動(dòng)機(jī)保證動(dòng)力性的同時(shí)具有良好的排放特性。

2．3 EGR對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

在汽油機(jī)中，隨著節(jié)氣門開(kāi)度的增大，泵氣損失減小，可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的吸氣負(fù)功，從而發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率隨著節(jié)氣門開(kāi)度的增大而逐漸減小。在目前電控發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，隨著EGR率的增大，同時(shí)控制節(jié)氣門開(kāi)度也增大，從而可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率［9，10］。本文的試驗(yàn)設(shè)計(jì)為定負(fù)荷，圖5顯示發(fā)動(dòng)機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速為1200r/min時(shí)，在不同的壓縮比下，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率隨EGR率的變化關(guān)系。

圖5 不同壓縮比下EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率的影響

圖5中，在同一壓縮比下，當(dāng)ηEGR＜5%時(shí)，燃油消耗率變化得較為平緩;但當(dāng)ηEGR＞5%時(shí)，隨著EGR率的增大，燃油消耗率則逐漸增加。而在相同的EGR率下，壓縮比越大，燃油消耗率越小。

這是因?yàn)楫?dāng)廢氣較少時(shí)，廢氣在一定程度上促進(jìn)了混合氣的燃燒，使燃料的能量得到了有效的利用，提高了熱效率。但此時(shí)，由于EGR的稀釋作用和熱容效應(yīng)，缸內(nèi)燃燒溫度和氧濃度有所下降，發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的燃燒和放熱受到了一定的限制，燃料能量的利用率下降。所以在EGR率較小的時(shí)候，隨著EGR率的增大，有效燃油消耗率增加較為平緩。當(dāng)EGR率較大，隨著EGR率的增大，廢氣的稀釋作用和熱容效應(yīng)逐漸成為主導(dǎo)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料能量利用能力迅速下降，有效燃油消耗率增大。當(dāng)過(guò)多的廢氣進(jìn)入氣缸，則會(huì)造成燃燒惡化，燃油消耗率急劇增大。如圖所示，壓縮比越大，燃料燃燒越充分，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率越高，在相同的EGR率和進(jìn)氣的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的做功能力越強(qiáng)，進(jìn)而發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率就會(huì)越小。壓縮比為9∶1，EGR率為5%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率同壓縮比為10∶1，EGR率為10%的時(shí)候基本相同，此時(shí)EGR率10%時(shí)要比5%有更好的排放。所以在增大壓縮比時(shí)，可以通過(guò)采用適當(dāng)?shù)腅GR，在降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率的同時(shí)又保持較低的NOx排放。

3 結(jié)論

1)隨著EGR率的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率首先會(huì)有輕微的提高，后逐漸減小，壓縮比為9∶1時(shí)，EGR率從0上升到5%，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率增大0．27%，EGR率從10%上升到15%，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率降低3．17%。隨著壓縮比的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的不可逆損失降低，有效熱效率隨之提高。

2)發(fā)動(dòng)機(jī)的IMEP在EGR率較小的情況下變化不明顯，甚至有所增加。隨著EGR的繼續(xù)增大，IMEP迅速下降;在相同的EGR率下，壓縮比越大，IMEP越高，但隨著EGR率的增大，壓縮比對(duì)IMEP的影響逐漸變小。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率隨著EGR率的增加而不斷降低，但增大壓縮比有助于功率在一定程度上得到提升。

3)在全負(fù)荷或者定負(fù)荷情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率隨著EGR率的增大而逐漸增加。在電控發(fā)動(dòng)機(jī)中，ECU控制汽油機(jī)的節(jié)氣門開(kāi)度隨EGR率的變化而變化，燃油消耗率會(huì)隨著EGR率的增大而降低。隨著壓縮比的不斷提高，燃燒更為充分，燃油消耗率逐漸降低。

4)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性隨EGR率的增大而降低，隨壓縮比的增大而增強(qiáng);而經(jīng)濟(jì)性在EGR和壓縮比變化條件下的表現(xiàn)也不同。為了兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)排放指標(biāo)，應(yīng)在一定的EGR率和壓縮比范圍內(nèi)來(lái)協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及其他性能。

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