直喷汽油机EGR与稀薄燃烧的协同作用*

朱棣，侯圣智，刘斌，尹君

(1.天津大学内燃机研究所，天津300072;2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆401120)

直喷汽油机EGR与稀薄燃烧的协同作用*

朱棣1，侯圣智1，刘斌2，尹君1

(1.天津大学内燃机研究所，天津300072;2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆401120)

鉴于废气再循环和稀薄燃烧对降低排放、改善燃油经济性所具有的优势，提出了将两者相结合协同控制的技术路线。在一台缸内直喷汽油机上，研究了部分负荷下废气再循环单独作用和与稀薄燃烧协同作用时对发动机燃烧特性、燃油经济性和排放特性的影响。结果表明:在转速为2 000r/min、平均有效压力为300kPa下，废气再循环与稀薄燃烧协同作用可带来8%以上的油耗改善和较低水平的NOx，HC和CO排放，验证了废气再循环与稀薄燃烧协同控制的有效性。

汽油直接喷射;废气再循环;稀薄燃烧;燃烧特性;燃油消耗

前言

汽油直喷(gasoline direct injection，GDI)技术将汽油机和柴油机的优点有机结合起来，在提高充气效率、增强抗爆性、减小泵气损失和提高燃油经济性等方面存在较大的优化潜力，是当前汽油机发展的主要研究方向之一［1－2］。

在汽油机上，稀薄燃烧和废气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)是最常用的降低燃油消耗率和机内净化的有效措施［3－4］。GDI发动机采用稀薄混合气燃烧，通过提高工质的绝热指数和压缩比获得更高的循环热效率;在部分负荷采用质调节，通过减小泵气损失改善燃油经济性。稀薄燃烧使气缸内燃烧反应区域的温度下降，可抑制NOx的生成，同时，燃烧产物中的氧成分有利于HC和CO的氧化，降低HC和CO的排放。然而，稀薄燃烧为富氧燃烧，发动机排气中强烈的氧化条件使传统三元催化器对NOx的转化效率下降，引起NOx排放的提高，这成为稀薄燃烧技术应用所面临的最大难题之一［5－7］。废气再循环技术是将部分废气引入气缸内再次燃烧，由于废气中CO2，N2和H2O等较高的比热容，以及CO2和N2等惰性气体的阻燃作用，都会抑制燃烧化学反应速率，减少NOx的生成。同时，EGR能够减少部分负荷的泵气损失，降低发动机的燃油消耗率［8－10］。文献［11］中指出，在GDI发动机全负荷工况下应用EGR技术，HC，CO和NOx排放最多可降低80%。对比稀薄燃烧和废气再循环对发动机性能的影响，废气再循环对于大幅减少NOx排放具有优势，而在降低发动机燃油消耗方面稀薄燃烧的效果更为显著。因此，利用稀薄燃烧与废气再循环的“优势互补”，将二者有机地结合起来，在保证低NOx排放的条件下，能够最大限度地改善发动机的燃油经济性。

本文中在缸内直喷汽油机上研究了废气再循环对发动机燃烧过程、排放特性和燃油经济性的影响规律。并在此基础上，进一步研究了稀薄燃烧与废气再循环共同作用时对发动机排放特性和燃油经济性的影响，探讨稀薄燃烧与废气再循环“协同作用”的技术途径。

1 试验装置与试验方法

试验用发动机为一台排量为2.0L的直列4缸自然吸气直喷汽油机，发动机的主要技术参数见表1。

表1 发动机技术参数

图1为发动机及测试系统示意图，发动机的电控单元(可标定ECU)和标定系统均为自主研发，可实现对喷油参数(喷油时刻、喷油脉宽)、点火参数(点火时刻和点火能量)、EGR率等发动机运行参数的精确控制。发动机燃烧过程是通过自主研发的燃烧分析系统配合火花塞式缸压传感器和角标仪进行实时监测。发动机空燃比的检测由Lambda LA4型空燃比计和宽域线性氧传感器LSU4.9完成。发动机的HC，NOx，CO和CO2等常规排放则由DIGAS 4000型气体排放分析仪进行测试。

图1 发动机试验测试系统示意图

发动机采用外部EGR的废气稀释方案，废气从排气歧管引出，经冷却液冷却后送往进气歧管，与新鲜空气混合后进入缸内。管路中的EGR阀由步进电机驱动，通过调节EGR阀的开度可控制EGR量。试验中，EGR率根据测得的进气、排气和大气环境中CO2的体积分数值计算得到［10］。

式中:V(CO2)in为进气中CO2体积分数;V(CO2)exh为排气中CO2体积分数;V(CO2)amb为环境空气中CO2的体积分数。由于V(CO2)amb近似为零，因此可忽略不计。

选用气缸压力峰值的循环变动率RCOV作为燃烧循环变动的评价参数，RCOV的表达式为

式中:pmax，STD为气缸压力峰值的标准偏差;pmax为100个连续循环气缸压力峰值的平均值。

作为燃烧相位的关键评价参数，着火时刻一般定义为燃烧质量分数10%时所对应的曲轴转角，用CA10表示;燃烧持续期定义为CA10到CA90所对应的曲轴转角，用CA10～CA90表示;燃烧质量分数50%时所对应的曲轴转角，表示为CA50。

试验选取发动机转速为2 000r/min，平均有效压力(brake mean effective pressure，BMEP)为300kPa的部分负荷工况。为了便于分析和比较，发动机相同负荷工况点的喷油策略保持一致。

2 试验结果与分析

2.1 EGR对发动机燃烧特性的影响

图2为发动机转速为2 000r/min、平均有效压力为300kPa、点火提前角为22°CA BTDC和过量空气系数Φ为1.0时，气缸压力、瞬时放热率和燃烧相位随EGR率而变化的曲线。

图2 不同REGR时的燃烧特性比较

由图2(a)和图2(b)可以看出，在点火提前角一定的情况下，随着EGR率的增大，发动机燃烧速度变缓，燃烧相位后移，瞬时放热率峰值和最大爆发压力持续减小。由图2(c)可以看出，随着EGR率的增大，着火延迟期和燃烧持续期增大，燃烧放热中点的相位(CA50)推迟，导致燃烧效率变差。这是因为随着EGR率的增大，废气的热容效应和稀释作用不断增强，热容效应使缸内燃烧温度降低，稀释作用使缸内氧浓度降低，两者共同抑制了缸内燃烧，从而降低了化学反应速度，使发动机燃烧相位后移，燃烧温度降低。当EGR率增大到一定值后，缸内燃烧压力峰值、放热率峰值等将明显降低，燃烧相位进一步滞后，并伴有严重的失火现象。图3显示了不同EGR率下发动机燃烧循环变动情况。可以看出，随着EGR率的增大，燃烧循环变动随之增大，发动机燃烧稳定性变差，当EGR率达到一定值(如12.5%)时，燃烧循环变动大于5%，此时发动机燃烧稳定性变差，失火严重。

图3REGR对燃烧循环变动的影响

2.2 EGR对发动机燃油经济性的影响

图4为发动机转速为2 000r/min、平均有效压力为300kPa、点火提前角为22°CA BTDC和过量空气系数Φ为1.0时，有效燃油消耗率(brake specific fuel consumption，BSFC)随EGR率而变化的曲线。

图4REGR对有效燃油消耗率BSFC的影响

由图4可见，在点火提前角一定的情况下，随着EGR率的增大，BSFC先降后升。这是因为随着EGR率的增大，进入气缸的废气量会相应增加。要保证相同的功率输出，发动机必须加大节气门开度以维持进入气缸的新鲜空气量，使进气歧管压力增大，泵气损失减少，从而改善了发动机的燃油消耗(见图5 EGR率与进气歧管压力之间的关系)。但随着EGR率的继续增加，废气中CO2和N2等惰性阻燃物质，会抑制燃烧化学反应速率，增加燃烧持续期，影响燃烧效率和燃烧稳定性，而使燃油消耗增大，过高的EGR率会导致油耗的急剧上升。研究表明燃烧不稳定和循环变动加剧是造成燃油经济性恶化的主要原因。

图5REGR与进气歧管压力的关系曲线

2.3 EGR对发动机排放特性的影响

图6、图7和图8分别为发动机转速为2 000r/min、平均有效压力为300kPa、点火提前角为22°CA BTDC和过量空气系数Φ为1.0时，NOx，HC和CO排放随EGR率而变化的曲线。

图6REGR对NOx排放特性的影响

由图6可见，随着EGR率的增大，NOx排放呈现单调下降的趋势。这是因为EGR对燃烧过程最重要的影响是增加了工质的比热容，降低了缸内燃烧温度，因而减少了高温生成的NOx。另外，由于EGR的引入，进气中氧浓度降低，也在一定程度上减少了NOx的生成。

图7REGR对HC排放特性的影响

图8REGR对CO排放特性的影响

由图7可见，随着EGR率的增大，发动机缸内燃烧温度降低，火焰淬熄区域增加，HC排放呈现出单调上升的趋势。在高EGR率条件下，燃烧循环变动迅速增大，并会出现不完全燃烧或失火现象，使得HC排放量明显增加。

由图8可见，在低EGR率的条件下，EGR率对CO排放的影响并不明显，但随着EGR率的继续增大，燃烧持续期和燃烧循环变动会随之增加，不完全燃烧会导致CO排放的增加。

2.4 EGR与稀薄燃烧的协同作用

废气再循环主要通过“活性效应”和“体积效应”对发动机的燃烧性能产生影响。“活性效应”表现为废气对缸内混合气化学“活性”的抑制作用，这是废气再循环能大幅度减少NOx排放的主要原因;“体积效应”则表现为废气对进入气缸充量的体积“占据”而引起的泵气损失减少，这是废气再循环能降低发动机燃油消耗的主要原因。与废气再循环相比，稀薄燃烧除了具有相似的“体积效应”外，其“高绝热指数”特性更有利于发动机循环热效率的提高。因此，在改善GDI发动机燃油经济性方面，稀薄燃烧比废气再循环更具优势。将废气再循环与稀薄燃烧结合起来，通过优化控制可使两者的“活性效应”、“体积效应”和“高绝热指数”特性充分发挥。

图9和图10分别为发动机转速为2 000r/min、平均有效压力为300kPa、EGR率为9%和点火提前角选取各试验点下的最佳转矩最小点火提前角(minimum spark advance for best torque，MBT)时的有效燃油消耗率BSFC和燃烧循环变动率RCOV随过量空气系数Φ而变化的曲线。

图9 Φ对有效燃油消耗率BSFC的影响

图10 Φ对燃烧循环变动率RCOV的影响

由图9可以看出，在EGR率一定的条件下，随着过量空气系数Φ的增大，BSFC也呈现“先降后升”的变化规律。这是因为随着过量空气系数Φ的增大，缸内混合气的绝热指数增大，发动机的循环热效率提高，使燃油消耗率在原有基础上会进一步降低。但是，随着过量空气系数的继续增大，燃烧循环变动随之增大(见图10)，发动机的燃烧稳定性变差，当过量空气系数超过一定值(如1.3)后，燃烧循环变动会急剧增大，油耗升高。对比图4与图9可见，在部分负荷下，EGR与稀薄燃烧协同作用可使有效燃油消耗率从355降至325g/(kW·h)，即带来8%以上的改善。

图11、图12和图13分别为发动机转速为2 000r/min、平均有效压力为300kPa、EGR率为9%和点火提前角选取各试验点下的最佳转矩最小点火提前角MBT时，NOx，HC和CO排放随过量空气系数Φ而变化的曲线。

图13 Φ对CO排放特性的影响

由图11可见，在EGR率一定时，随着过量空气系数Φ的增大，NOx排放“先升后降”。这是因为随着过量空气系数Φ的增大，NOx排放会由于氧浓度和燃烧温度增大的而增多。而当过量空气系数Φ继续增大时，由于燃烧温度的降低，NOx排放会迅速减小。由于废气再循环与稀薄燃烧的协同作用，可获得更低的NOx排放。

由图12和图13可以看出，在EGR率一定时(9%)，随着过量空气系数Φ的增大，HC和CO的排放由于氧浓度的增加而减小。而当过量空气系数增大到一定值后，伴随着发动机着火与燃烧稳定性的恶化，HC和CO排放浓度反而升高。同时，缸内温度的降低、壁面淬熄效应的增强也使HC排放增多。将图12和图13与图7和图8的试验结果比较后发现，在部分负荷下，EGR与稀薄燃烧协同作用可带来更好的HC与CO排放的改善。

3 结论

(1)废气再循环与稀薄燃烧具有相似的“体积效应”，即通过减少泵气损失来改善发动机的燃油经济性。由于稀薄混合气所具有的“高绝热指数”特点，在降低发动机燃油消耗方面稀薄燃烧的效果更为显著。

(2)废气中的惰性阻燃物质，会抑制燃烧化学反应速率，降低燃烧温度。与稀薄燃烧相比，废气再循环的“缺氧”特点使其在降低发动机NOx排放面更占优势。

(3)将废气再循环与稀薄燃烧相结合，可以有效降低发动机的燃油消耗率。在部分负荷下(转速2 000r/min、平均有效压力300kPa)，通过对废气再循环与稀薄燃烧协调控制，在保证发动机稳定燃烧的条件下，油耗降低幅度为8%以上;在达到较低燃油消耗的同时，也使发动机的NOx，HC和CO的排放控制在一个较低的范围内。

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Synergism of EGR and Lean Burn for Gasoline Direct Injection Engine

Zhu Di1，Hou Shengzhi1，Liu Bin2＆Yin Jun1
1.Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin300072; 2.Chongqing Chang An Automobile Co．，Ltd．，Chongqing401120

In view of the advantages of exhaust gas recirculation(EGR)and lean burn(LB)in reducing emission and improving fuel economy，a synergitic control technology roadmap by combining the two is proposed．The effects of EGR alone and EGR+LB combination on the combustion characteristics，fuel economy and emission characteristics of engine under part-load condition are experimentally studied in a gasoline direct injection engine．The results show that under a condition with a rotation speed of 2000r/min and a BMEP of 300kPa，the synergitic actions of EGR+LB combination can get an over 8%fuel economy improvement with lower NOx，HC and CO emissions，verifying the effectiveness of synergitic control of EGR+LB combination．

gasoline direct injection;exhaust gas recirculation;lean burn;combustion characteristics; fuel consumption

10．19562/j．chinasae．qcgc．2017．06．002

*国家重点基础研究发展计划(2013CB228400)资助。

原稿收到日期为2016年12月26日，修改稿收到日期为2017年2月21日。

侯圣智，博士，E-mail:houshengzhi@tju．edu．cn。