樓狄明，王 博

（同濟大學汽車學院，上海201804）

為應對日趨嚴格的油耗和排放標準，眾多國內外汽車廠家將優(yōu)化發(fā)動機熱效率作為研究重點?，F(xiàn)已有眾多技術被應用于汽油機上，如增壓技術、缸內直噴技術、可變氣門正時技術、米勒循環(huán)等。但由于上述技術所帶來的節(jié)油效果有限，為了進一步降低汽油機油耗，必須在上述技術的基礎上引入新技術來進一步提高汽油機熱效率。

廢氣再循環(huán)技術（exhaust gas recirculation，EGR）作為一種能改善發(fā)動機排放和性能的技術手段，已經廣泛應用于柴油機上，其主要作用是通過降低柴油機缸內溫度來減少NOX的生成。對于EGR在汽油機上的應用，國內外學者也進行了大量研究。

Takaki等［1］分析了現(xiàn)有的三種EGR系統(tǒng)，分別是低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)、高壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)、混合廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，比較了這三種EGR系統(tǒng)在小型增壓發(fā)動機上的應用。結果發(fā)現(xiàn)比起另外兩種系統(tǒng)，LP-EGR系統(tǒng)的優(yōu)勢更大，主要是因為LP-EGR系統(tǒng)的工作范圍更廣并且可以更好的抑制缸內爆震，那么就可以進一步優(yōu)化點火時刻，從而降低發(fā)動機的油耗和排氣溫度。Chao等［2］在一臺1.3L的進氣歧管噴射增壓發(fā)動機上比較了HP-EGR和LP-EGR對發(fā)動機燃燒和燃油消耗性的影響，研究發(fā)現(xiàn)LPEGR對發(fā)動機燃燒的影響比HP-EGR更大，在中低負荷工況下，由于壓差的影響，HP-EGR能引入的廢氣量有限，這限制了其在此工況下的節(jié)油效果。Bourhis等［3］在一臺直噴發(fā)動機上比較了LP-EGR和IGR（Internal Gas Residual）對發(fā)動機性能的影響，結果發(fā)現(xiàn)在中等負荷下，LP-EGR能更有效的抑制爆震，對油耗的優(yōu)化效果更好。通過以上研究可以看出，比起其他結構的EGR系統(tǒng)，LP-EGR對汽油機的優(yōu)化效果最好。

為了提高發(fā)動機性能，往往會在EGR系統(tǒng)內部加入中冷器，雖能降低引入缸內的廢氣溫度，但會形成腐蝕性冷凝液，這些冷凝液會腐蝕壓氣機葉片，損害發(fā)動機零部件［4-8］，為了解決此問題，F(xiàn)ischer等［9］在一臺增壓直噴汽油機上引入了一種清潔EGR系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)，在最大負荷附近，發(fā)動機的油耗降低了12%，PN更是降低了超過70%；由于清潔EGR系統(tǒng)減少了腐蝕冷凝液的形成，可以將EGR冷卻溫度降低至40℃，進一步提升了發(fā)動機的經濟性。

潘鎖柱等［10］在一臺缸內直噴汽油機上研究了EGR對排放的影響。結果表明EGR可以降低NOx排放，最大可降低80%以上；將導致THC和CO排放升高；排氣顆粒物呈核態(tài)和積聚態(tài)的雙峰分布。賈寧、高尚志等［11-18］研究了EGR對汽油機燃燒和油耗的影響，結果發(fā)現(xiàn)EGR會降低汽油機的泵氣損失并抑制爆震，從而達到節(jié)油的目的。然而，國內外學者對于在增壓直噴米勒循環(huán)發(fā)動機上增加LP-EGR系統(tǒng)的研究較少。因此，本文在一臺增壓直噴米勒循環(huán)發(fā)動機上加裝LP-EGR系統(tǒng)，研究了LP-EGR系統(tǒng)對增壓直噴發(fā)動機油耗和燃燒的影響。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗發(fā)動機

試驗發(fā)動機為一臺采用米勒循環(huán)的1.5L四缸增壓直噴發(fā)動機，壓縮比為11.5，額定功率及最大扭矩分別為124kW和250N·m。試驗所用燃料為市售95號汽油。

1.2 試驗設備

測試臺架布置如圖1所示，測試設備包括AVL系列排放測試系統(tǒng)、OBS-2200、燃燒分析儀等，具體如表1所示。

圖1 臺架布置Fig.1 Bench arrangement

表1 測試設備Tab.1 Test equipment

1.3 試驗方案

根據(jù)EGR系統(tǒng)對發(fā)動機不同工況下的影響特點，研究選取了發(fā)動機三個常用轉速，即2 000 r·min-1、3 000r·min-1、4 000r·min-1下的低、中、高負荷點以及4 000 r·min-1額定扭矩點。其中低、中、高負荷及4 000 r·min-1額定扭矩點所對應的BMEP分別為0.5MPa、1MPa、1.5MPa和2.09MPa。具體工況數(shù)據(jù)如圖2所示。本次試驗中EGR的冷卻方式采用水冷，冷卻液取自發(fā)動機小循環(huán)冷卻液。

圖2 試驗工況點Fig.2 Test operating points

對于給定工況，在原機標定的基礎上，保證IVO、EVC不變，通過調整點火提前角來保證發(fā)動機處于最佳油耗狀態(tài)，控制過量空氣系數(shù)λ為1，即理論空燃比燃燒。調節(jié)EGR閥門大小，并且調整點火角度，同時監(jiān)測燃燒數(shù)據(jù)。特別的，在爆震傾向較大的工況點，盡可能將發(fā)動機調至爆震極限狀態(tài)。本文中的爆震極限狀態(tài)指的是發(fā)動機的爆震傳感器剛好監(jiān)測到爆震信號，并自動推遲點火時刻時的發(fā)動機狀態(tài)。通過調節(jié)EGR閥門開度和排放分析儀讀數(shù)來控制EGR率的大小，EGR率掃點值為5%、10%、15%和20%。在通入EGR后，發(fā)動機扭矩會有所下降，這時需要通過調節(jié)節(jié)氣門或廢氣旁通閥開度來維持給定工況點的扭矩輸出。監(jiān)測燃燒數(shù)據(jù)時，應使發(fā)動機既不出現(xiàn)失火也不出現(xiàn)爆震。在滿足燃燒穩(wěn)定性的前提下，即燃燒循環(huán)變動（coefficient of variation，COV）小于3%，以油耗最優(yōu)為目標，找出該工況點下的最佳EGR率，EGR閥門開度、點火提前角組合。其中，在4 000 r·min-1額定扭矩點，可適當增大λ來減少“過噴油”現(xiàn)象，但需保證排氣溫度始終小于950℃。

試驗中對于穩(wěn)態(tài)工況點EGR率的測量是通過測量進氣歧管、排氣管路以及大氣環(huán)境中的CO2體積分數(shù)，從而計算得到工況點的EGR率，即：

式中：XEGR表示EGR率；［CO2］intake表示進氣歧管中CO2的體積分數(shù)；［CO2］exhaust表示排氣管中CO2的體積分數(shù)；［CO2］ambient表示大氣中CO2的體積分數(shù)。

2 試驗結果及分析

2.1 LP-EGR在小負荷下對發(fā)動機的影響

2.1.1 小負荷下對發(fā)動機燃燒的影響

把著火時刻定義為累計放熱率5%時所對應的曲軸轉角，把CA50定義為累計放熱率為50%所對應的曲軸轉角，而燃燒持續(xù)期則被定義成累積放熱率從10%到90%的曲軸轉角間隔期。在小負荷工況下，由于原機的爆震傾向小，發(fā)動機標定時可將CA50調到接近等容燃燒的范圍。在標定發(fā)動機的點火時刻時，工程上常將7°～9°作為CA50的最佳標定區(qū)間［18］。認為CA50在此范圍內時，發(fā)動機的熱效率最高，即在發(fā)動機的一個工作循環(huán)內，燃料熱化學能可更高效的轉化為活塞運動機械能。

如圖3所示，引入EGR后，可以相應增大發(fā)動機的點火提前角。這是因為雖然在小負荷工況下，發(fā)動機不會發(fā)生爆震，但是加入EGR后，通入缸內的廢氣稀釋了燃油混合氣體，導致氧氣分子和燃油分子的碰撞幾率降低［11］，缸內混合氣的比熱容增大，這會降低缸內溫度，導致著火時刻推遲；另一方面，著火延遲和火焰?zhèn)鞑ニ俾式档蜁е翪A50推遲，以致不能使CA50再維持在7°～9°這個最有利于油耗的區(qū)間之內，故這時可以通過增大點火提前角來修正CA50偏移的角度，使其保持在最佳油耗區(qū)域。對于燃燒持續(xù)期來說，隨著EGR率增大，燃燒持續(xù)期延長。EGR率增大，即加入缸內的廢氣量會增多，這會進一步降低火焰?zhèn)鞑ニ俾剩沟萌加突旌蠚獾娜紵俣确啪?，即燃燒持續(xù)期會延長。

圖3 小負荷下EGR對燃燒的影響Fig.3 Effect of EGR on combustion under low load

如圖4所示，小負荷時，在低轉速工況下，COV整體較大，即燃燒穩(wěn)定性較差。加入EGR后，隨著EGR率的增大，燃燒穩(wěn)定性逐漸變差。但由于同時修正了點火提前角，COV整體都維持在3%以下，表明燃燒處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.1.2 小負荷下對發(fā)動機油耗的影響

如圖5所示，隨EGR率的增加，BSFC呈逐漸降低的 趨勢 。 2 000r·min-1，3 000 r·min-1和 4 000 r·min-1小負荷下，比起原機，通入EGR后，發(fā)動機的油耗分別下降了1.79%，2.21%和5.65%。在2 000 r·min-1，0.5MPa工況下，由于催化包后與壓氣機前壓差較小，導致可通入的廢氣量有限，因此此工況下最高EGR率僅為10%，這也使得EGR在此工況下對發(fā)動機油耗的影響最小。

圖4 小負荷下EGR對燃燒穩(wěn)定性的影響Fig.4 Effect of EGR on combustion stability under low load

圖5 小負荷下EGR對BSFC的影響Fig.5 Effect of EGR on BSFC under low load

小負荷工況下，EGR之所以能夠降低發(fā)動機的燃油消耗率，是因為加入EGR降低了發(fā)動機的泵氣損失［16］。如圖6所示，隨著EGR率的增大，節(jié)氣門開度逐漸增大，泵氣損失逐漸降低。造成這種現(xiàn)象的原因是：加入EGR系統(tǒng)后，將有一部分廢氣在節(jié)氣門之前與新鮮充量混合，會占用部分新鮮充量體積。比起原機，在相同節(jié)氣門開度下，進入氣缸內的新鮮充量將減少，這會影響發(fā)動機的輸出功率。為了維持給定的輸出功率，就必須增大節(jié)氣門開度，以便通入更多的新鮮充量。在給定工況下，隨著節(jié)氣門開度變大，由節(jié)氣門所造成的節(jié)流損失將減小，因此，泵氣損失也會隨之降低。

2.2 LP-EGR在中負荷下對發(fā)動機的影響

2.2.1 中負荷下對發(fā)動機燃燒的影響

圖6 小負荷下EGR對PMEP的影響Fig.6 Effect of EGR on PMEP under low load

如圖7所示，在3 000r·min-1，4 000r·min-1工況下，通入EGR前后，CA50基本都可以保持在7°～9°之間。這是由于在中高速中負荷工況下，發(fā)動機的爆震傾向較低，標定時可以盡可能大的通過增大點火提前角來保證油耗；而在2 000r·min-1工況下，CA50則不能一直保持在7°～9°的區(qū)間內，而是隨著EGR率的增大逐漸降低，直到EGR率達到15%時，CA50才降低到8.58°。這是由于在低速中負荷時，發(fā)動機爆震傾向大，原機必須通過推遲點火來抑制爆震。在通入EGR后，由于廢氣具有較大的比熱容，可以吸收一部分放熱量，且可以稀釋缸內的混合氣，從而降低缸內的溫度和壓力，因此會起到抑制爆震的作用［13］。所以，在原機基礎上加入EGR后，可以適當?shù)脑龃簏c火提前角以補償爆震對點火時刻的影響。然而，在EGR率較低時，由于加入缸內的廢氣量有限，其對于爆震的抑制效果也有限，所以當EGR率小于15%時，盡管可以通過修正點火時刻來降低CA50，但是在CA50降低到7°～9°之前，發(fā)動機就已經達到了爆震極限，故不能將CA50降低到最佳油耗區(qū)間內。特別的，在4000 r·min-11MPa工況下，當EGR率達到19%時，由于COV大于5，此時的燃燒循環(huán)變動大，燃燒不穩(wěn)定，導致CA50出現(xiàn)了較大的偏差。

圖7 中負荷下EGR對CA50的影響Fig.7 Effect of EGR on CA50 under middle load

如圖8所示，EGR率越大，點火時刻可提前的幅度越大，燃燒持續(xù)期也越大。造成這種現(xiàn)象的原因是加入EGR會導致著火時刻推遲，在低速時還會起到抑制爆燃的作用，所以可以適當對點火提前角進行修正，起到降低發(fā)動機油耗的作用；由于EGR的稀釋作用和較大的比熱容，會降低火焰?zhèn)鞑ニ俾?，因此燃燒持續(xù)期也會延長。

圖8 中負荷下EGR對燃燒的影響Fig.8 Effect of EGR on combustion under middle load

如圖9所示，隨著EGR率的增大，轉速的升高，缸內最高溫度與最大放熱率均下降。這是由于EGR的稀釋作用降低了缸內混合氣體的氧濃度，惰性氣體會阻礙火焰的傳播從而影響火焰?zhèn)鞑ニ俾?，導致燃燒放緩，最大放熱率降低，且熱容效應會降低缸內的燃燒溫度，從而降低缸內最高溫度與壓力［10］。

圖9 中負荷下EGR對缸內最高溫度和最大放熱率的影響Fig.9 Effect of EGR on maximum temperature and maximum heat release rate in cylinder under middle load

圖10 中負荷下EGR對缸內最大壓力的影響Fig.10 Effect of EGR on maximum pressure in cylinder under middle load

如圖10所示，APmax表示達到最大壓力所對應的曲軸轉角。缸內最大壓力會隨著EGR率的增大而增大，且達到峰值壓力的時刻會有所提前。原本由于EGR的稀釋效應和熱容效應，會導致缸壓峰值下降，燃燒放緩，APmax推遲。但本文中，在通入EGR的同時適當?shù)脑龃罅它c火提前角，將每個工況點都調整至爆震極限的位置。因此，缸內最大壓力反而升高。

2.2.2 中負荷下對發(fā)動機油耗的影響

如圖11所示，隨著EGR率的增加，BSFC是呈逐漸降低的趨勢。特別的，在4 000 r·min-11MPa工況下，當EGR率達到19%時，油耗反而升高。2 000 r·min-1，3 000 r·min-1和4 000 r·min-1中負荷下，比起原機，通入EGR后，發(fā)動機的油耗分別下降了8.41%，2.54%和1.42%。EGR對油耗的影響在2 000 r·min-1時最大，而在4 000 r·min-1時最小。

究其原因，在2 000 r·min-1，3 000 r·min-1中負荷時，EGR都能通過減小泵氣損失來降低油耗。除此之外，在2 000 r·min-1中負荷下，由于爆震傾向大，原機只能通過推遲點火來降低其爆震傾向。推遲點火雖然能夠抑制爆震，但是會導致CA50不能保持在最佳位置，如圖6所示，2 000 r·min-11MPa下原機所對應的CA50為17.2°，而在3 000 r·min-11MPa下原機所對應的CA50為8.4°，低速時CA50不在7°～9°之間，因而造成油耗較高。加入EGR后，由于其可以抑制爆震，在低速時，便可以更大程度的修正點火提前角，從而大幅減小發(fā)動機的燃油消耗。

圖11 中負荷下EGR對BSFC的影響Fig.11 Effect of EGR on BSFC under middle load

而在4 000 r·min-11MPa下，一方面，EGR率最大時，由于COV大于5，發(fā)動機失火嚴重，此時燃燒不穩(wěn)定，油耗測量波動較大；另一方面，如圖12所示，此工況下的泵氣損失會隨著EGR率的增大而逐漸增大。究其原因，其余中小負荷工況主要依靠節(jié)氣門來調節(jié)發(fā)動機負荷，不同的是，此工況則主要依靠廢氣旁通閥來控制發(fā)動機的負荷變化，而非節(jié)氣門。當EGR率增大時，進入缸內的空氣量將減少，為了不影響發(fā)動機的功率輸出，發(fā)動機需減小廢氣旁通閥開度來提高增壓壓力。廢氣旁通閥開度減小導致排氣背壓上升，且排氣背壓變化幅度較進氣壓力明顯，從而導致PMEP增大。當泵氣損失對油耗的惡化效果大于修正點火時刻帶來的收益時，油耗反而會有所升高。因此，在4 000 r·min-11MPa下，EGR率過大時反而會使發(fā)動機油耗升高，所以在此工況下其最佳EGR率為15%，均小于其余兩個工況。綜上，4 000 r·min-11MPa下，由于EGR在抑制爆震的同時會增大泵氣損失，所以，此工況下油耗的減小幅度最低。

圖12 4 000 r·min-11MPa下EGR對PMEP的影響Fig.12 Effect of EGR on PMEP under 4 000 r·min-11MPa

2.3 LP-EGR在大負荷下對發(fā)動機的影響

2.3.1 大負荷下對發(fā)動機燃燒的影響

如圖13所示，在低、中、高速大負荷工況下，發(fā)動機的爆震傾向都很大，原機只能通過推遲點火來降低其爆震傾向。2 000 r·min-1，3 000 r·min-1和4 000 r·min-1大負荷下原機的 CA50 分別為 22.9°、17.8°、12.7°，由此可以看出在低速大負荷時，原機的爆震傾向最大，其推遲點火的程度最大，導致此工況下油耗最高。通入EGR后，可以一定程度上抑制爆震的發(fā)生。在低速時，由于爆震傾向最大，當EGR率達到此工況下的最大值18.5%時，CA50也只能降低至15°；而在中速下，當EGR率達到19%時，CA50可降至8.8°，處于最佳油耗區(qū)間內；相應的，在高速下，當EGR率達到15%時，CA50就降低至8.7°。這說明在中高速時，EGR可以較徹底的解決由于爆震所引起的點火推遲問題，在引入大EGR率后，可以使CA50處于7°～9°之間，即更接近于等容燃燒；而在低速時，由于爆震趨勢過大，EGR對于爆震的改善效果則有限。

2.3.2 大負荷下對發(fā)動機油耗的影響

圖13 大負荷下EGR對CA50的影響Fig.13 Effect of EGR on CA50 under high load

如圖14所示，與4 000 r·min-11MPa時類似，大負荷下，泵氣損失會隨EGR率的增大而增大。這主要是因為在大負荷下，節(jié)氣門已接近全開，此時調節(jié)節(jié)氣門開度對負荷的影響甚微。為了保證扭矩輸出，發(fā)動機必須減小廢氣旁通閥開度。因此，EGR率增大，排氣背壓也會上升，最終導致PMEP增大。

圖14 大負荷下EGR對PMEP的影響Fig.14 Effect of EGR on PMEP under high load

如圖15所示，大負荷下，隨著EGR率的增加，BSFC逐漸降低。究其原因，雖然EGR率增大會導致泵氣損失有所升高，但通過抑制爆震，優(yōu)化點火帶來的油耗收益仍大于由于泵氣損失增大帶來的燃油損失。因此，總的來說，EGR在大負荷下仍能作為減小發(fā)動機油耗的技術手段。然而，在4 000 r·min-11MPa下，EGR率達到20%時，PMEP將增大至-0.069MPa。與此同時，增大點火提前角已無法再大幅降低發(fā)動機油耗，從而導致燃油收益小于消耗。因此，此測點下的BSFC較EGR率為15%時反而有所升高。

2 000 r·min-1，3 000 r·min-1和 4 000 r·min-1大負荷下，比起原機，通入EGR后，發(fā)動機的油耗分別降低了5.67%，4.20%和1.07%。EGR在2 000 r·min-1時對油耗的影響最大，4 000 r·min-1時最小。造成這種現(xiàn)象的原因是：一方面，低速時，原機的爆震傾向過大，通過推遲點火而犧牲的燃油消耗也較中高速多，所以在低速時，通過引入EGR并合理修正點火時刻對油耗的影響最大；另一方面，從圖14中可以看出，轉速越高，泵氣損失越大，且EGR率對泵氣損失的影響在高速時也更為顯著。因此，低速時，EGR率增大帶來的收益最大，損耗最小，高速時則相反。

圖15 大負荷下EGR對BSFC的影響Fig.15 Effect of EGR on BSFC under high load

2.3.3 4 000 r·min-1額定扭矩下對發(fā)動機的影響

如圖16所示，原機對應的點火提前角為3°，CA50為25.6°；EGR率為20%時，對應的點火提前角為21°，CA50為12.7°。類似于大負荷工況，同樣的，在此工況下，通入EGR后可以有效抑制發(fā)動機的爆震傾向，通過增大點火提前角可以相應的降低CA50，讓缸內燃燒更接近于等容燃燒，從而提高發(fā)動機的熱效率。

圖16 4 000 r·min-1額定扭矩下EGR對燃燒的影響Fig.16 Effect of EGR on combustion under 4 000 r·min-1rated torque

有別于其他工況點，在高速近全負荷工況點下，由于此時汽油機的排氣溫度過高，往往會超過950℃，過高的溫度會損害排氣系統(tǒng)以及后處理裝置。為了保護排氣系統(tǒng)，防止排氣溫度過高，往往會在這些工況點進行“過噴油”。雖然“過噴油”可以有效的保護三元催化器和渦輪增壓器，但是會導致燃油消耗大大增加。通過引入EGR系統(tǒng)，可以有效改善這一現(xiàn)象。如圖17、18所示，原機為了將排氣溫度降低至858℃，只能將λ降低至0.81。引入EGR系統(tǒng)后，排氣溫度隨著EGR率的增大逐漸降低，在EGR率達到20%時，排氣溫度降低至716℃。由于通過應用EGR有效降低了排氣溫度，可以相應的提高λ來減少噴油量。當EGR率達到20%時，λ則提高到至0.92。

圖17 4 000 r·min-1額定扭矩下EGR對溫度的影響Fig.17 Effect of EGR on temperature under 4000 r·min-1rated torque

圖18 4 000 r·min-1額定扭矩下EGR對λ的影響Fig.18 Effect of EGR on λ under 4 000 r·min-1rated torque

如圖19所示，在4 000 r·min-1額定扭矩工況，BSFC和EGR率仍是呈負相關的關系，原機的BSFC為315.66g·（kW·h）-1，當EGR率為20%時，發(fā)動機的BSFC為251.28 g·（kW·h）-1，此工況下，發(fā)動機的油耗降低了20.4%。相較于其他工況，油耗降低幅度大幅提高。究其原因，在高速近全負荷下，EGR不僅可以抑制爆震，更為關鍵的是，它還能通過降低排氣溫度來消除“過噴油”現(xiàn)象帶來的燃油損耗，可進一步提高發(fā)動機的熱效率。

圖19 4 000 r·min-1額定扭矩下EGR對BSFC的影響Fig.19 Effect of EGR on combustion under 4 000 r·min-1rated torque

3 結論

（1）加入EGR會推遲發(fā)動機的著火時刻，延長燃燒持續(xù)期，并降低缸內最高溫度、最高壓力和最大放熱率。在引入EGR的同時增大點火提前角，使發(fā)動機臨近爆震，缸內最高壓力反而增大。

（2）在中小負荷工況下，引入EGR可以降低發(fā)動機的泵氣損失。而在大負荷和4 000 r·min-1中負荷工況下，隨著EGR率的增大，泵氣損失反而會逐漸增大。

（3）在中小負荷下，EGR主要通過減小泵氣損失來提高發(fā)動機的燃油經濟性；在大負荷下，由于EGR對爆震的抑制作用，可通過優(yōu)化點火時刻來降低發(fā)動機油耗。

（4）4 000 r·min-1額定扭矩點，EGR可使發(fā)動機油耗較原機減小20.4%。此工況下，EGR不僅可以抑制爆震，更為關鍵的是，它還能通過降低排氣溫度來消除“過噴油”現(xiàn)象帶來的燃油損耗。