EGR对可变压缩比SI发动机动力性和经济性的影响

郭玉彬 沈颖刚 卫海桥 冯登全 潘明章 高东志 李金印

(1－昆明理工大学云南省内燃机重点实验室 云南昆明 650500 2－天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室 3－重庆小康工业集团股份有限公司)

引言

随着能源的日益枯竭和环境污染，节能减排已成为当今内燃机行业发展的必然趋势。对于汽油机来说，节能减排的方式有很多，汽油机小型化是其中一项重要的研究课题。发动机小型化是发动机通过应用先进技术在不增加气缸容积前提下，提高发动机的功率、扭矩和效率，降低油耗［1］，主要手段包括增大进气压力，提高压缩比，废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，简称 EGR)等。

增大压缩比通过减小气缸容积，增大压缩冲程的最大缸内压力从而提高发动机的功率和扭矩等，但同时会使发动机的燃烧温度过高，爆震倾向严重，排气温度过高，造成三效催化转换器的损坏。EGR则主要通过惰性气体在燃烧室内对燃烧的抑制作用来对燃烧速率、燃烧温度以及氧浓度产生影响［2，3］，进而对发动机的排放和各项性能产生作用。EGR是降低发动机NOx排放的主要途径之一。除此之外，EGR在汽油机中还可以有效降低发动机的爆震倾向，低负荷情况下可以通过降低泵气损失来降低燃油消耗率。但EGR率过大则会使燃烧恶化，大大降低发动机的动力性和经济性。Michele Kaiser等人在PFI汽油机中进行了EGR在使用不同掺比的乙醇汽油燃料的性能对比研究［4］，其研究指出，冷却EGR是小型化SI发动机的关键技术，包括提高汽油机的经济性和高压缩比下提高功率及热效率，但并未对不同压缩比下发动机的性能给出对比。

由于不同的EGR率下进入气缸中废气多少的不同，会使发动机的动力性、燃油经济性及其他性能表现有所变化，压缩比的变化使压缩终了时燃烧室的温度压力以及气体流动产生很大变化从而对发动机的动力性、经济性等产生影响［5］。本文则主要针对不同EGR率和压缩比的协同作用来对发动机的动力性、经济性进行对比分析。

1 试验系统和试验方案

1．1 试验系统

本文中所用实验发动机为一台单缸水冷、可变压缩比、排量为0．49L的Ricardo E6汽油机，该发动机缸径为80mm，冲程为100mm。测功机为天津科达动力测控技术有限公司生产的DZDC－20型电力测功机;单缸机ECU采用MOTEC公司m400管理控制器，集成了可调点火提前角、可调喷油脉宽等全面的控制模块;缸内压力采集采用KISTLER 6041a水冷式缸内压力传感器，KISTLER 5018型电荷放大器，美国National Instrument公司的Wavebook512型数据采集系统和美国National Instrument公司的DASY Lab 7．0型数据处理软件;空燃比测量采用美国ECM公司的LCAN－N6型空燃比分析仪;气体排放测量采用日本HORIBA MEXA－7200DEGR排放测试仪。

EGR系统如图1所示，排气通过EGR阀回流到进气道，通过稳压箱进行充分混合后进入发动机燃烧室进行掺烧。

图1 试验主要设备连接示意图

1．2 试验方案

本文中实验转速为1200r/min，均采用全负荷，分别有 8∶1、9∶1、10∶1、11∶1 四种压缩比，通过调节 EGR阀控制发动机在不同EGR率下进行试验，并基于EGR对PFI汽油机在部分工况下燃烧过程、排放的影响规律进行研究。每个实验工况下通过MOTEC点火模块调节控制为最佳点火提前角(即最佳功率所对应的点火提前角)。在不同的工况下，通过ECU调节喷油器的喷油脉宽，保证空燃比为14．7，即化学计量空燃比;发动机冷却水温度保持在(80±3)℃左右，润滑油温度保持在(85±3)℃左右。

本文通过使用可变压缩比点火式发动机结合不同EGR率对其动力性和经济性的影响进行实验分析研究。

2 试验结果分析

2．1 EGR对有效热效率的影响

图2为汽油机在恒定转速1200r/min时，在不同压缩比下，发动机的有效热效率随EGR率变化曲线。图2中，在EGR率较小(＜5%)时，发动机的有效热效率变化比较平稳，甚至有轻微上升的趋势。压缩比为9∶1时，EGR率从0上升到5%，发动机热效率增大0．27%;当 ＞5%时，随着EGR率的增大，发动机的热效率不断降低。压缩比为9∶1时，EGR率从10%上升到15%，发动机热效率降低3．17%。同时，在相同的EGR率下，随着压缩比的升高，发动机的热效率逐渐提高，但随压缩比的逐渐增高，热效率增长幅度越来越小，且随着EGR率的增大，压缩比对发动机热效率的影响逐渐降低。

图2 不同压缩比下EGR率对发动机有效热效率的影响

这主要是因为废气的加入使缸内混合气温度升高，更有利于燃料的蒸发雾化，从而对混合气的燃烧起到了一定的促进作用，缸内的燃烧得到优化。另一方面，由于废气的加入，其中不参与燃烧的惰性气体占据一定的空间，从而使缸内混合气的氧浓度降低，也使缸内混合气的总体热容随之变大。当EGR率较小时，由于进入气缸内废气量较少，EGR的稀释作用和热容效应能起到的作用较小，废气对于缸内混合气燃烧的促进作用占据主导地位，从而使缸内燃烧温度升高，传热损失减小，发动机的热效率得到了一定的提升。当EGR率较大时，由于有更多的废气进入气缸，EGR的稀释作用和热容效应逐渐增强，使燃烧室内层流火焰速度降低。同时由于EGR的稀释作用和热容作用，混合气燃烧温度降低，燃烧室壁面温度因此下降，传热损失增加。在理论空燃比下，发动机燃烧的不可逆损失大幅度增加，从而使发动机的有效热效率下降。过多的废气进入气缸，则会导致火焰燃烧不稳定，进而导致燃烧恶化，有效热效率大幅降低。而在相同的EGR率下，压缩比越大，发动机的放热率曲线峰值越高，缸内压力峰值越高，在压缩终了温度越高，发动机运行的传热损失减少，压缩比的增加降低了燃烧过程中产生的不可逆损失，使卡诺循环的热效率提高。随着EGR率的增大，EGR对于燃烧的抑制作用随着EGR率的增大而增大，提高压缩比对于发动机的热效率的提高幅度相对来说则越来越小。所以在不合适的EGR率下，通过提高压缩比来提高发动机的热效率的效果也是十分有限的。

2．2 EGR对发动机动力性的影响

IMEP定义为在压缩和膨胀行程中缸内气体所做功与气缸工作容积的比值。反映了缸内混合气实际做功的大小。

图3为汽油机在恒定转速为1200r/min时，不同压缩比下，发动机的IMEP(指示平均缸内压力)随EGR率的变化规律。如图所示，随着EGR率的增加，单缸机的IMEP整体呈下降的趋势，EGR率较小时，IMEP变化不明显;当EGR率相对较大时(大于5%)，单缸机IMEP迅速下降。在相同的EGR率下，IMEP随压缩比的增大而升高。压缩比为8∶1、EGR率为0时，与压缩比为11∶1、EGR率为10%时的IMEP基本处于同一水平。而当EGR率从0变为10%，发动机的NOx排放变化很大，因此在EGR率较大的情况下，可以通过提高压缩比来恢复发动机的性能损失，同时又能够保持较低的NOx排放。

图3 不同压缩比下EGR率对发动机IMEP的影响

这主要是在EGR率较小时，混合气的形成条件改善和燃油蒸发逐渐增强的结果。随着EGR率的增加，发动机的缸内混合气着火时刻逐渐推迟，从而导致IMEP快速下降。但是当EGR率过大时，会使缸内工质的燃烧恶化，有可能导致发动机失火，此时IMEP会变得很小，发动机做功能力迅速下降。IMEP下降会导致循环净功下降，实际上就是使发动机的功率和扭矩下降，从而降低了发动机的总体性能。在相同的EGR率下，随着压缩比的增大，发动机的缸内压力峰值升高，有效热效率增大，从而使IMEP升高，进而影响发动机整体的动力性。

图4为汽油机在恒定转速1200r/min时，不同压缩比下功率随EGR率的变化曲线。如图所示，在同一压缩比下，随着EGR率的增大，发动机的功率逐渐降低。压缩比为8∶1时，在20%EGR率情况下，相对于未加EGR时，功率下降了将近41%。目前，在节能减排的基础上提高发动机的输出功率是发动机研究的重点，其中增大压缩比是较好的选择之一。图4中，在相同EGR率下，随着压缩比的增大，发动机功率不断提高，从而弥补了EGR的引入所导致的功率部分下降。如图所示，压缩比为8∶1时、EGR率从0逐渐变为10%，发动机功率降低了6%，此时，如果压缩比提高到11∶1，功率在10%EGR率时的提高量占压缩比为8∶1、EGR率为0时功率的7．7%;EGR率从0升高到15%，发动机的功率降低了18%，此时如果压缩比升高到为11∶1，功率在15%EGR率时的提高量占压缩比为8∶1、EGR率为0时功率的9．7%。从图中也可注意到，随着EGR率的增大，压缩比对发动机功率的提升作用逐渐减弱。

图4 不同压缩比下EGR率对发动机功率的影响

这主要是因为废气进入气缸，使缸内混合气密度减小，从而使进入缸内的混合气总量减少，制约了功率的增加。另一方面，废气的稀释作用使缸内氧浓度降低，使火焰前锋速度降低，燃烧速度变缓，缸内有效混合气量变少，降低发动机功率的输出［6］。如图所示，当EGR率过大时，发动机的功率将会迅速降低，发动机的动力性变差。在同一EGR率下，随着压缩比的提高，在压缩冲程终了时燃烧室容积变小，这就使燃烧变得更加剧烈，从而在燃烧过程中混合气的放热过程变得更快，缸内压力升高，缸内燃烧温度升高，发动机的不可逆热损失减少。在P－V图上，发动机所做的有用功增加，最终使发动机对外输出功率扭矩增大。然而，废气的加入对混合气的燃烧具有有效的抑制作用，在EGR率较小时，这种抑制效果并不明显。随着EGR率的增大，对于燃烧的抑制效果逐渐增大，这就使压缩比对发动机功率的影响相对变小，如果EGR率过大，将会导致燃烧恶化，功率扭矩急剧降低［7］。

增大压缩比在EGR率越小的情况下对于功率的提升越有效果，但EGR率越小，对于降低发动机NOx排放的效果就越不明显［8］。结合以上所述，提高压缩比的时候要同样有合适的EGR率匹配，这样才能在发动机保证动力性的同时具有良好的排放特性。

2．3 EGR对经济性的影响

在汽油机中，随着节气门开度的增大，泵气损失减小，可以减少发动机的吸气负功，从而发动机的燃油消耗率随着节气门开度的增大而逐渐减小。在目前电控发动机的EGR系统设计中，随着EGR率的增大，同时控制节气门开度也增大，从而可以有效降低发动机的燃油消耗率［9，10］。本文的试验设计为定负荷，图5显示发动机在恒定转速为1200r/min时，在不同的压缩比下，发动机的燃油消耗率随EGR率的变化关系。

图5 不同压缩比下EGR率对发动机有效燃油消耗率的影响

图5中，在同一压缩比下，当ηEGR＜5%时，燃油消耗率变化得较为平缓;但当ηEGR＞5%时，随着EGR率的增大，燃油消耗率则逐渐增加。而在相同的EGR率下，压缩比越大，燃油消耗率越小。

这是因为当废气较少时，废气在一定程度上促进了混合气的燃烧，使燃料的能量得到了有效的利用，提高了热效率。但此时，由于EGR的稀释作用和热容效应，缸内燃烧温度和氧浓度有所下降，发动机混合气的燃烧和放热受到了一定的限制，燃料能量的利用率下降。所以在EGR率较小的时候，随着EGR率的增大，有效燃油消耗率增加较为平缓。当EGR率较大，随着EGR率的增大，废气的稀释作用和热容效应逐渐成为主导，使发动机的燃料能量利用能力迅速下降，有效燃油消耗率增大。当过多的废气进入气缸，则会造成燃烧恶化，燃油消耗率急剧增大。如图所示，压缩比越大，燃料燃烧越充分，发动机的热效率越高，在相同的EGR率和进气的情况下，发动机的做功能力越强，进而发动机的燃油消耗率就会越小。压缩比为9∶1，EGR率为5%时发动机的燃油消耗率同压缩比为10∶1，EGR率为10%的时候基本相同，此时EGR率10%时要比5%有更好的排放。所以在增大压缩比时，可以通过采用适当的EGR，在降低发动机的燃油消耗率的同时又保持较低的NOx排放。

3 结论

1)随着EGR率的增大，发动机的有效热效率首先会有轻微的提高，后逐渐减小，压缩比为9∶1时，EGR率从0上升到5%，发动机热效率增大0．27%，EGR率从10%上升到15%，发动机热效率降低3．17%。随着压缩比的增大，发动机燃烧的不可逆损失降低，有效热效率随之提高。

2)发动机的IMEP在EGR率较小的情况下变化不明显，甚至有所增加。随着EGR的继续增大，IMEP迅速下降;在相同的EGR率下，压缩比越大，IMEP越高，但随着EGR率的增大，压缩比对IMEP的影响逐渐变小。发动机的功率随着EGR率的增加而不断降低，但增大压缩比有助于功率在一定程度上得到提升。

3)在全负荷或者定负荷情况下，发动机的燃油消耗率随着EGR率的增大而逐渐增加。在电控发动机中，ECU控制汽油机的节气门开度随EGR率的变化而变化，燃油消耗率会随着EGR率的增大而降低。随着压缩比的不断提高，燃烧更为充分，燃油消耗率逐渐降低。

4)发动机的动力性随EGR率的增大而降低，随压缩比的增大而增强;而经济性在EGR和压缩比变化条件下的表现也不同。为了兼顾发动机的各项排放指标，应在一定的EGR率和压缩比范围内来协调发动机动力性、经济性及其他性能。

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