朱忠攀 林瑞 杜愛民

（1.同濟大學，上海 201804；2.同濟大學，新能源汽車工程中心，上海 201804）

1 前言

2016年中國成為全球最大的原油進口國[1]，因此占石油總消耗量三分之一以上的汽車行業(yè)成為節(jié)能的重點領域。為此我國出臺了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012～2020年）》要求，2015年和2020年我國乘用車產(chǎn)品平均燃料消耗量降至6.9 L/100km和5.0 L/100km的目標[2]。汽車排放污染也是影響汽車技術發(fā)展的重要問題，根據(jù)2015年中國機動車污染防治年報數(shù)據(jù)，2014年汽車作為全國機動車污染物的主要貢獻者，其排放的NOx和PM占90%以上，HC和CO排放比例也超過80%[3]。

面臨節(jié)能與減排的壓力，當前汽車行業(yè)進入了傳統(tǒng)汽車與新能源汽車多元化發(fā)展的新時期。但根據(jù)2016年中國汽車工程學會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》對汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局預期可知，內(nèi)燃機汽車仍將是未來15年汽車產(chǎn)業(yè)的主流汽車產(chǎn)品，并逐步往混合動力、替代燃料、輕量化等節(jié)能汽車技術方向保持發(fā)展。其中內(nèi)燃機高效清潔燃燒、混合動力發(fā)動機技術被列入節(jié)能汽車技術路線規(guī)劃的重點研究內(nèi)容。高膨脹比汽油機是高效內(nèi)燃機的發(fā)展方向之一，在混合動力汽車領域獲得廣泛應用[4]。本文對高膨脹比汽油機研究現(xiàn)狀與待解決問題進行總結(jié)，同時結(jié)合內(nèi)燃機領域的高效清潔燃燒研究進展，探討基于EGR稀釋的高膨脹比汽油機的節(jié)能減排潛力。

2 高膨脹比汽油機研究現(xiàn)狀及關鍵問題

高膨脹比汽油機的技術路徑如圖1所示?？芍?，高膨脹比汽油機實現(xiàn)方式主要有兩種：一種是通過提高幾何壓縮比同時采用可變壓縮比（Variable Compres?sion Ratio，VCR）技術實現(xiàn)有效壓縮比和膨脹比的控制；另一種是提高幾何壓縮比并結(jié)合可變配氣正時（Variable Valve Timing，VVT）技術實現(xiàn)有效壓縮比和膨脹比的控制。

相關研究表明，雖然兩種實現(xiàn)方式均可改善汽油機的燃油經(jīng)濟性，但都存在不同的應用限制。VCR技術實現(xiàn)高膨脹比熱力循環(huán)是一種比較理想的技術手段，其性能獲得了不少學者驗證。如Kentfield等利用VCR技術在不降低有效壓縮比的前提下實現(xiàn)了阿特金森循環(huán)發(fā)動機，該發(fā)動機在30%負荷下可節(jié)油21%～24%，80%負荷下可節(jié)油10%，與采用進氣門晚關（Late Intake Valve Closing，LIVC）實現(xiàn)阿特金森循環(huán)相比，其泵氣損失更少[5]。雖然VCR技術在國外取得了一定進展，但未獲得大規(guī)模推廣，制約了該技術路線的發(fā)展。英國內(nèi)燃機研究協(xié)會利用液壓技術發(fā)明了可變壓縮高度的活塞，并在此基礎上發(fā)明了對置式發(fā)動機[6]。SAAB公司開發(fā)了可變壓縮比（Saab Variable Compression，SVC）發(fā)動機，利用氣缸與活塞部分繞曲軸旋轉(zhuǎn)改變?nèi)紵胰莘e，實現(xiàn)壓縮比在8～14之間可變[7]。FEV公司通過曲軸偏心移位實現(xiàn)可變壓縮比的增壓汽油機的研發(fā)，壓縮比可在8～16之間進行調(diào)節(jié)[8]。但上述VCR發(fā)動機均沒有獲得產(chǎn)業(yè)化推廣。

圖1 高膨脹比汽油機的技術路徑

目前高膨脹比汽油機的技術路線多采用第2種方案，即通過VVT實現(xiàn)非對等大小的膨脹比和壓縮比。其節(jié)能效果顯著但動力性下降的問題突出。例如Anderson等通過LIVC控制發(fā)動機的熱力循環(huán)過程，與自然吸氣的傳統(tǒng)發(fā)動機相比，其最大扭矩下降了35%[9]。萬玉等的研究表明，高膨脹比發(fā)動機可以在低負荷通過進氣門早關（Early Intake Valve Closing，EIVC）實現(xiàn)米勒循環(huán)以提高燃油經(jīng)濟性，也可在高負荷通過LIVC實現(xiàn)阿特金森循環(huán)來抑制爆震，但過多推遲進氣門關閉（Intake Valve Closing，IVC）導致進氣回流，影響充氣效率，動力性下降[10]。Gheorghiu進一步分析了動力性下降的機理，指出進氣回流造成氣流振蕩，進入氣缸的混合氣減少，降低了平均有效壓力，削弱了動力性[11]。

目前應對高膨脹比汽油機動力性不足的問題，往往采用混合動力汽車技術，通過電機來彌補其動力性，因此高膨脹比汽油機在混合動力汽車領域獲得了廣泛應用，如豐田普銳斯、本田雅閣、奔馳S400、長安志翔等混合動力汽車均采用了該技術。但混合動力汽車涉及到發(fā)動機-電池-電機系統(tǒng)之間的能量協(xié)調(diào)控制，發(fā)動機運行工況與傳統(tǒng)汽車有很大不同，尤其是混合動力條件下發(fā)動機高效清潔燃燒的機理研究。如Yu等指出汽油機應用到混合動力領域會因頻繁起停導致總HC排放增加和燃燒不穩(wěn)定等問題[12]。

除了通過混合動力技術彌補動力性不足以外，還可以通過提高幾何壓縮比、機械增壓、渦輪增壓、汽油直噴等技術來改善發(fā)動機的性能[13～16]。目前豐田1.3 L非混合動力用ESTEC發(fā)動機[17]、大眾最新的EA211 evo發(fā)動機與EA888米勒循環(huán)發(fā)動機[18]、馬自達的Sky?activ-G汽油機[19]、日產(chǎn)的機械增壓HR12DDR發(fā)動機等[20]是該技術方向的代表機型，涵蓋了增壓與非增壓、PFI與GDI等不同類型發(fā)動機，拓寬了高膨脹比汽油機的應用領域。但上述技術路徑進一步增加了發(fā)動機工作過程影響因素的復雜性，如提高幾何壓縮比或進氣增壓均可導致發(fā)動機爆震的產(chǎn)生，而單純地采用VVT技術通過降低有效壓縮比，提高有效膨脹比的策略可以降低爆震，相關文獻表明高膨脹比發(fā)動機進氣回流，擾亂了缸內(nèi)滾流運動的形成，從而影響缸內(nèi)混合氣的均勻性和湍流強度，降低了燃燒效率[21～23]。其相互影響關聯(lián)如圖2所示。

綜上所述，單獨采用進氣增壓與高壓縮比技術或者采用混合動力技術不能解決高膨脹比汽油機的動力性問題，且兩種技術路徑都需要進一步的研究高膨脹比汽油機的高效清潔燃燒機理以及影響因素。

3 EGR稀釋的高膨脹比汽油機

3.1 EGR在高膨脹比汽油機上的應用

近年來通過結(jié)合EGR技術優(yōu)化高膨脹比汽油機的性能取得了不錯的效果。EGR技術分為內(nèi)部EGR與外部EGR，兩者都可以結(jié)合高膨脹比汽油機改善燃燒與排放性能。

圖2 進氣增壓與提升幾何壓縮比關聯(lián)影響

由于可以通過排氣門早關，進氣門晚關，形成負閥重疊角使得廢氣滯留在缸內(nèi)來實現(xiàn)內(nèi)部EGR，所以高膨脹比汽油機與負閥重疊提升內(nèi)部EGR率的方式相輔相成。Wang等研究表明，通過LIVC策略實現(xiàn)阿特金森循環(huán)發(fā)動機，膨脹比越大熱效率越高，且同時高膨脹比具備較高的殘余廢氣，有效抑制了NOx的排放[24]。

外部EGR是通過EGR閥體、EGR管路、中冷器等部件構建廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，使發(fā)動機產(chǎn)生的廢氣再送回氣缸參與油氣混合與燃燒的技術。該技術在高膨脹比汽油機領域取得了不錯的效果。Kawamot等研究表明第二代豐田普銳斯高膨脹比發(fā)動機引入EGR后比第一代普銳斯高膨脹比發(fā)動機有效燃油消耗率降低8.5%，相對于同種規(guī)格的傳統(tǒng)汽油機有效燃油消耗率降低10.2%[25]。蘇建業(yè)等基于增壓小型化GDI汽油機開展了米勒循環(huán)與外部冷卻EGR的研究，與原機相比，在1 000～3 000 r/min低負荷和高負荷工況區(qū)域燃油經(jīng)濟性提高了6%～9%[26]。Ratnak等在增壓PFI高膨脹比汽油機引入10%的冷卻EGR，其理論熱效率仿真結(jié)果高達48.2%[27]。王家盛等研究發(fā)現(xiàn)米勒循環(huán)在低速大負荷工況下碳煙排放出現(xiàn)大幅上升，而結(jié)合EGR技術可以有效抑制碳煙的同時降低油耗8.6%[28]。吳學松等圍繞自然吸氣阿特金森循環(huán)發(fā)動機的試驗表明，在不同負荷下通過增加5%～15%外部EGR可以進一步提高4.3%～10.2%的燃油經(jīng)濟性，同時可以降低NOx排放，最高可降88.5%，負荷越高，最佳EGR率越大，且油耗改善效果越好[29～30]。沈穎剛等在1 000 r/min全負荷下對可變壓縮比單缸汽油機的研究表明，EGR率超過5%不利于提升熱效率，幾何壓縮比為9時，EGR從10%升高15%，油耗增加3.17%，但通過提升幾何壓縮比可以提升熱效率，且隨著幾何壓縮比提高，NOx排放增加，HC、CO排放降低，而引入EGR可降低NOx排放，但隨EGR率提高HC、CO等增加[31]。

3.2 EGR稀釋燃燒技術

通過合理的EGR控制策略可以實現(xiàn)發(fā)動機的低溫燃燒，低溫燃燒是一種新型的高效清潔燃燒方式，近年來該研究成為發(fā)動機燃燒領域新的熱點，但國內(nèi)外對低溫燃燒的研究對象一般只針對柴油機,且取得了超低排放[32]。由于汽油機自燃性差的缺點，使得通過高EGR率降低汽油機燃燒溫度實現(xiàn)低溫燃燒存在挑戰(zhàn)。

汽油機領域大多學者的研究范圍一般針對20%及以下的EGR研究，即便如此EGR對汽油機燃燒與排放性能優(yōu)化作用也日益突出。Shyani等總結(jié)了汽油機EGR技術研究成果并進一步通過熱力學分析，論證了通過EGR降低泵氣損失，降低燃燒傳熱損失從而提升汽油機熱效率的可能性，但他同時指出EGR率過高會大大降低缸內(nèi)燃燒溫度與燃燒速度，導致發(fā)動機燃燒波動、燃燒不完全甚至失火等燃燒問題產(chǎn)生[33]。吳達等通過熱力學第一定律與第二定律進一步理論分析了0～17%EGR對汽油機熱效率的影響機理，分析了不同負荷下EGR與混合氣濃度對理論熱效率、燃燒等容度、燃燒效率、傳熱損失及不可逆損失的影響，得出高負荷下引入EGR可提高有效熱效率是由燃燒過程優(yōu)化與傳熱損失減少導致的，部分負荷下在上述基礎上還進一步降低了泵氣損失，但EGR的引入導致不可逆損失增加，燃燒條件發(fā)生惡化[34]。白云龍等研究表明，在部分負荷采用廢氣滯留稀釋燃燒可明顯降低泵氣損失并提高燃燒效率，燃油經(jīng)濟性改善5%～16%，NOx下降70%，CO與HC排放也均有所降低[35]。潘鎖柱等通過發(fā)動機排放試驗研究了EGR對GDI汽油機燃燒與排放特性的影響，隨著EGR率的提高，放熱過程遲緩，缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度逐漸降低，造成NOx逐漸降低，最大降幅達80%，但THC和CO排放逐漸增加，最大增幅分別約為25%和7%[36]。

高比例的EGR對汽油機排放性能優(yōu)化有促進作用，且高幾何壓縮比對提升EGR有積極作用。Hedge等研究發(fā)現(xiàn)在GDI汽油機上應用25%EGR率可使顆粒物數(shù)量和質(zhì)量排放顯著降低，顆粒物質(zhì)量排放因子可降低約60%，固態(tài)顆粒物數(shù)量在大多數(shù)工況均可降低約 40%，且在2 000 r/min低負荷區(qū)域，油耗降低了10 g/（kW·h）[37]。Arsie等在PFI汽油機的研究也證明了高EGR率對降低PM顆粒物的潛力[38]。宋東先等在增壓PFI汽油機的研究表明，引入0～25%EGR可以有效降低NOx和CO排放，提高燃油經(jīng)濟性，但EGR太高導致HC排放增加，燃燒波動系數(shù)可能超過5%，可以通過提高幾何壓縮比與稀薄燃燒的方式改善提升EGR率[39]。美國西南研究院率先利用其EGR技術升級與氫氣引燃等技術輔助實現(xiàn)了汽油機的高EGR率稀釋的高效清潔燃燒，且應用了更高的幾何壓縮比[40～41]。

3.3 EGR稀釋的高膨脹比發(fā)動機清潔燃燒

綜上，EGR技術不僅有助于高膨脹比汽油機的性能優(yōu)化，對不同類型的汽油機燃燒過程優(yōu)化也有潛力可挖，但存在EGR率的適用范圍限制，很難實現(xiàn)諸如柴油機領域的大比例EGR稀釋的清潔燃燒技術。但圍繞大比例EGR稀釋的高膨脹比汽油機清潔燃燒具備一定可行性。

a.EGR引入高膨脹比發(fā)動機可以降低NOx排放，進一步降低泵氣損失，改善燃油經(jīng)濟性，同時耦合進氣增壓、噴油策略及點火時刻優(yōu)化汽油機的燃燒與排放過程，為EGR稀釋的高膨脹比發(fā)動機清潔燃燒奠定了研究基礎。

b.EGR在汽油機領域的應用受到燃料特性限制，EGR率應用范圍一般比柴油機小，除了油品特性外，幾何壓縮比也是關鍵因素。高膨脹比汽油機一般采用較大的幾何壓縮比，這有助于進一步擴大汽油機的EGR率應用范圍。

c.通過LIVC策略實現(xiàn)的高膨脹比發(fā)動機存在進氣回流問題，采用EIVC策略高膨脹比發(fā)動機影響充氣過程。這均是汽油機提升幾何壓縮比后防止汽油早燃或爆震的妥協(xié)讓步。通過進氣增壓可以進一步抑制回流現(xiàn)象，但不能解決汽油早燃或爆震問題，采用EGR技術控制汽油機燃燒可以解決這一矛盾，引入大比例EGR有助于進一步提高幾何壓縮比，進而提升膨脹比，促進高膨脹比發(fā)動機熱效率的提升。

d.化石能源的不可再生性限制了內(nèi)燃機技術的持續(xù)發(fā)展，可替代能源與新能源技術成為不可逆的趨勢，西南研究院的柴油或氫氣引燃實現(xiàn)大比例EGR稀釋氛圍下的汽油機燃燒可能成為未來發(fā)動機的方向。

4 總結(jié)

高膨脹比發(fā)動機技術在汽車節(jié)能方面效果顯著，在混合動力汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車領域均有較大的應用潛力，但VCR技術實現(xiàn)高膨脹比發(fā)動機尚未取得產(chǎn)業(yè)應用，采用LIVC或EILV實現(xiàn)高膨脹比發(fā)動機獲得了大量應用推廣，但存在進氣回流、動力性不足等問題，需要進氣增壓、提高幾何壓縮比以及燃燒排放控制等手段進一步優(yōu)化。

近年來，基于EGR稀釋的高效清潔燃燒技術成為發(fā)動機燃燒領域的研究熱點，但是由于汽油燃料特性等限制，制約了EGR稀釋的高效清潔燃燒技術在汽油機領域的應用。但EGR在汽油機節(jié)能與減排方面取得了積極效果，同時在高膨脹比發(fā)動機領域應用表明，EGR與高膨脹比發(fā)動機可以相輔相成進一步優(yōu)化整機的經(jīng)濟性與排放。

[1]田春榮.2015年中國石油進出口狀況分析[J].國際石油經(jīng)濟,2016,24(3)：44-53.

[2]張雷,周瑋,張冬明.節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012～2020年)[M].中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告.北京：社會科學文獻出版社,2013.

[3]胡燦偉.機動車已成空氣污染主力[J].生態(tài)經(jīng)濟(中文版),2016,32(4)：10-13.

[4]田永祥,杜愛民,陳禮璠.混合動力汽車用Atkinson循環(huán)發(fā)動機的探討[J].汽車科技,2007(4)：31-34.

[5]Kentfield J A C.A Simple Variable Expansion-Ratio,Spark Ignition,Four-Stroke Engine.SAE 932874,1993.

[6]Boggs D,Hilbert H,Schechter M.The Otto-Atkinson Cycle Engine-Fuel Economy and Emissions Results and Hardware Design.SAE Technical Paper950089,1995.

[7]Martyn Roberts. Benefits and Challenges of Vari?able Compression Ratio(VCR).SAE Paper,2003-01-0398.

[8]Vianney Rabhi，Jacques Beroff,Frederic Dionnet.Study ofa Gear Based Variable Compression Ratio Engine.SAE Paper,2004-1-2931.

[9]MichaelK Anderson,DennisN Assanis,Zoran S Filipi.First and Second Law Analyses of a Naturally Aspirated,Miller Cycle,SI Engine With Late Intake Valve Closure.SAE 980889,1998.

[10]Yu Wan,Aimin Du,DaShao,etal.Performance Analysis and Improvement Approach of HEV Extended Expansion Gasoline Engine[J].Advanced Materials Research,2011,317-319：1999-2006.

[11]Victor Gheorghiu.CO2-Emission Reduction By Means of Enhancing the Thermal Conversion Efficiency of ICE Cycles.SAE 2010-01-1511.

[12]Yu S E,Ohn H S,Min K D.Investigation of Engine Restart Stability after Idle Stop for a Mild Type HEV Powertrain[J]. International Journal of Automotive Technology,2013,14(5)：683-692.

[13]James Taylor, Neil Fraser. Benefits of Late Inlet Valve Timing Strategies Afforded Through the Use of Intake Cam In Cam Applied to a Gasoline Turbocharged Downsized Engine.SAE 2011-01-0360.

[14]Coltman D,Turner J W G,Curtis R,et al.Project Sabre：A Close-Spaced Direct Injection 3-Cylinder Engine with Synergistic Technologies to Achieve Low CO2Output.SAE 2008-01-0138.

[15]Akihisa D, Sawada D. Research on Improving Thermal Efficiency through Variable Super-High Expansion Ratio Cycle.SAE 2010-01-0174.

[16]He Y,Liu J,Zhu B,etal.Research on and Development of a Miller Cycle Engine with Multi-Stage Boosting[J].Proceedings ofthe Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering,2016,230(11).

[17]戴朝典.豐田汽車公司在非混合動力ESTEC發(fā)動機上實現(xiàn)阿特金森循環(huán)[J].國外內(nèi)燃機,2015(2)：23-23.

[18]石屹.小小進階-大眾新EA211 1.5 TSI evo發(fā)動機[J].汽車之友,2016(11)：108-109.

[19]Tsuyoshi G,Ritarou I,Masahisa Y,等.馬自達汽車公司的新型Skyactiv-G汽油機[J].國外內(nèi)燃機,2012(3)：11-15.

[20]Kobayashi,Satou T,Isaji H,等.新型直列3缸1.2L機械增壓汽油機[J].國外內(nèi)燃機,2014(1)：7-12.

[21]Jean-Marc Zaccardi, Franck Vangraefschepe,Alexandre Pagot,et al.Optimal Design for a Highly Downsized Gasoline Engine.SAE 2009-01-1794.

[22]Wang Y, Zu B, Xu Y, et al. Performance Analysis of a Miller Cycle Engine by an Indirect Analysis Method with Sparking and knock in consideration[J].Energy Conversion & Management,2016,119：316-326.

[23]Wu J, Fan W, Hua Y, et al. Study of Combustion and Emission Characteristics of Gasoline Engine with Miller Cycle[J]. Advanced Materials Research,2014,960-961：1411-1415.

[24]Chongming Wang，Ritchie Daniel， Hongming Xu.Research of the Atkinson Cycle in the Spark Ignition Engine.SAE 2012-01-0390.

[25]Nobuki Kawamot, Kiyoshi Naiki, Toshihiro Kawai,et al.Development of New 1.8-Liter Engine for Hybrid Vehicles.SAE 2009-01-1061.

[26]Su J,Xu M,Li T,et al.Combined effects of cooled EGR and a Higher Geometric Compression Ratio on Thermal Efficiency Improvement of a Downsized Boosted Spark-ignition Direct-injection Engine[J].Energy Conversion&Management,2014,78：65-73.

[27]Ratnak S,Katori K,Kusaka J,et al.Computational Study to Improve Thermal Efficiency of Spark Ignition Engine.SAE Technical Papers,2015(6)：1639-1641.

[28]王家盛,許敏,蘇建業(yè),等.進氣門晚關策略對發(fā)動機經(jīng)濟性及炭煙排放的影響[J].車用發(fā)動機,2014(3)：21-24.

[29]吳學松,詹樟松,尚宇,等.外部EGR技術在高壓縮比米勒循環(huán)發(fā)動機上的試驗研究[J].內(nèi)燃機工程,2015,36(4)：19-24.

[30]裴毅強,張少哲,李云龍,等.EGR對Atkinson循環(huán)汽油機性能的影響[J].燃燒科學與技術,2014,20(2)：121-127.

[31]沈穎剛,郭玉彬,李偉東.EGR對可變壓縮比SI發(fā)動機燃燒及排放特性的影響[J].內(nèi)燃機學報,2014(5)：426-431.

[32]堯命發(fā),劉海峰.均質(zhì)壓燃與低溫燃燒的燃燒技術研究進展與展望[J].汽車工程學報,2012,02：79-90.

[33]Shyani R G,Caton J A.A Thermodynamic Analysis of the Use of EGR in SI Engines Including the Second Law of Thermodynamics[J]. Journal of Automobile Engineering,2009,223(1)：131-149.

[34]吳達,許敏,李鐵.廢氣再循環(huán)對增壓直噴汽油機熱效率的影響[J].車用發(fā)動機,2013(3)：50-55.

[35]白云龍,王志,王建昕.利用廢氣滯留改善缸內(nèi)直噴汽油機部分負荷性能的研究[J].內(nèi)燃機學報,2009(4)：328-332.

[36]潘鎖柱,宋崇林,裴毅強,等.EGR對GDI汽油機燃燒和排放特性的影響[J].內(nèi)燃機學報,2012(5)：409-414.

[37]Hedge M，Weber P，Gingrich J，et al. Effect of EGR on particle emissions from a GDI engine.SAE Paper 2011-01-0636.

[38]Arsie I, Iorio S D, Vaccaro S. Experimental Investigation of the Effects of AFR,Spark Advance and EGR on Nanoparticle Emissionsin a PFISI Engine[J].Journal of Aerosol Science,2013,64(1)：1-10.

[39]Song D,Jia N,Guo X,et al.Low Pressure Cooled EGR for Improved Fuel Economy on a Turbocharged PFI Gasoline Engine.Sae Technical Papers,2014.

[40]Alger T, Gingrich J, Mangold B. The Effect of Hydrogen Enrichmenton EGR Tolerance in Spark Ignited Engines.SAE Technical Papers,2007.

[41]Alger T, Mangold B. Dedicated EGR：A New Concept in High Efficiency Engines. SAE International Journal of Engines,2009,2(1)：620-631.