EGR 稀释的高膨胀比汽油机研究综述＊

朱忠攀 林瑞 杜爱民

（1.同济大学，上海 201804；2.同济大学，新能源汽车工程中心，上海 201804）

1 前言

2016年中国成为全球最大的原油进口国[1]，因此占石油总消耗量三分之一以上的汽车行业成为节能的重点领域。为此我国出台了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012～2020年）》要求，2015年和2020年我国乘用车产品平均燃料消耗量降至6.9 L/100km和5.0 L/100km的目标[2]。汽车排放污染也是影响汽车技术发展的重要问题，根据2015年中国机动车污染防治年报数据，2014年汽车作为全国机动车污染物的主要贡献者，其排放的NOx和PM占90%以上，HC和CO排放比例也超过80%[3]。

面临节能与减排的压力，当前汽车行业进入了传统汽车与新能源汽车多元化发展的新时期。但根据2016年中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》对汽车产业发展格局预期可知，内燃机汽车仍将是未来15年汽车产业的主流汽车产品，并逐步往混合动力、替代燃料、轻量化等节能汽车技术方向保持发展。其中内燃机高效清洁燃烧、混合动力发动机技术被列入节能汽车技术路线规划的重点研究内容。高膨胀比汽油机是高效内燃机的发展方向之一，在混合动力汽车领域获得广泛应用[4]。本文对高膨胀比汽油机研究现状与待解决问题进行总结，同时结合内燃机领域的高效清洁燃烧研究进展，探讨基于EGR稀释的高膨胀比汽油机的节能减排潜力。

2 高膨胀比汽油机研究现状及关键问题

高膨胀比汽油机的技术路径如图1所示。可知，高膨胀比汽油机实现方式主要有两种：一种是通过提高几何压缩比同时采用可变压缩比（Variable Compres⁃sion Ratio，VCR）技术实现有效压缩比和膨胀比的控制；另一种是提高几何压缩比并结合可变配气正时（Variable Valve Timing，VVT）技术实现有效压缩比和膨胀比的控制。

相关研究表明，虽然两种实现方式均可改善汽油机的燃油经济性，但都存在不同的应用限制。VCR技术实现高膨胀比热力循环是一种比较理想的技术手段，其性能获得了不少学者验证。如Kentfield等利用VCR技术在不降低有效压缩比的前提下实现了阿特金森循环发动机，该发动机在30%负荷下可节油21%～24%，80%负荷下可节油10%，与采用进气门晚关（Late Intake Valve Closing，LIVC）实现阿特金森循环相比，其泵气损失更少[5]。虽然VCR技术在国外取得了一定进展，但未获得大规模推广，制约了该技术路线的发展。英国内燃机研究协会利用液压技术发明了可变压缩高度的活塞，并在此基础上发明了对置式发动机[6]。SAAB公司开发了可变压缩比（Saab Variable Compression，SVC）发动机，利用气缸与活塞部分绕曲轴旋转改变燃烧室容积，实现压缩比在8～14之间可变[7]。FEV公司通过曲轴偏心移位实现可变压缩比的增压汽油机的研发，压缩比可在8～16之间进行调节[8]。但上述VCR发动机均没有获得产业化推广。

图1 高膨胀比汽油机的技术路径

目前高膨胀比汽油机的技术路线多采用第2种方案，即通过VVT实现非对等大小的膨胀比和压缩比。其节能效果显著但动力性下降的问题突出。例如Anderson等通过LIVC控制发动机的热力循环过程，与自然吸气的传统发动机相比，其最大扭矩下降了35%[9]。万玉等的研究表明，高膨胀比发动机可以在低负荷通过进气门早关（Early Intake Valve Closing，EIVC）实现米勒循环以提高燃油经济性，也可在高负荷通过LIVC实现阿特金森循环来抑制爆震，但过多推迟进气门关闭（Intake Valve Closing，IVC）导致进气回流，影响充气效率，动力性下降[10]。Gheorghiu进一步分析了动力性下降的机理，指出进气回流造成气流振荡，进入气缸的混合气减少，降低了平均有效压力，削弱了动力性[11]。

目前应对高膨胀比汽油机动力性不足的问题，往往采用混合动力汽车技术，通过电机来弥补其动力性，因此高膨胀比汽油机在混合动力汽车领域获得了广泛应用，如丰田普锐斯、本田雅阁、奔驰S400、长安志翔等混合动力汽车均采用了该技术。但混合动力汽车涉及到发动机-电池-电机系统之间的能量协调控制，发动机运行工况与传统汽车有很大不同，尤其是混合动力条件下发动机高效清洁燃烧的机理研究。如Yu等指出汽油机应用到混合动力领域会因频繁起停导致总HC排放增加和燃烧不稳定等问题[12]。

除了通过混合动力技术弥补动力性不足以外，还可以通过提高几何压缩比、机械增压、涡轮增压、汽油直喷等技术来改善发动机的性能[13～16]。目前丰田1.3 L非混合动力用ESTEC发动机[17]、大众最新的EA211 evo发动机与EA888米勒循环发动机[18]、马自达的Sky⁃activ-G汽油机[19]、日产的机械增压HR12DDR发动机等[20]是该技术方向的代表机型，涵盖了增压与非增压、PFI与GDI等不同类型发动机，拓宽了高膨胀比汽油机的应用领域。但上述技术路径进一步增加了发动机工作过程影响因素的复杂性，如提高几何压缩比或进气增压均可导致发动机爆震的产生，而单纯地采用VVT技术通过降低有效压缩比，提高有效膨胀比的策略可以降低爆震，相关文献表明高膨胀比发动机进气回流，扰乱了缸内滚流运动的形成，从而影响缸内混合气的均匀性和湍流强度，降低了燃烧效率[21～23]。其相互影响关联如图2所示。

综上所述，单独采用进气增压与高压缩比技术或者采用混合动力技术不能解决高膨胀比汽油机的动力性问题，且两种技术路径都需要进一步的研究高膨胀比汽油机的高效清洁燃烧机理以及影响因素。

3 EGR稀释的高膨胀比汽油机

3.1 EGR在高膨胀比汽油机上的应用

近年来通过结合EGR技术优化高膨胀比汽油机的性能取得了不错的效果。EGR技术分为内部EGR与外部EGR，两者都可以结合高膨胀比汽油机改善燃烧与排放性能。

图2 进气增压与提升几何压缩比关联影响

由于可以通过排气门早关，进气门晚关，形成负阀重叠角使得废气滞留在缸内来实现内部EGR，所以高膨胀比汽油机与负阀重叠提升内部EGR率的方式相辅相成。Wang等研究表明，通过LIVC策略实现阿特金森循环发动机，膨胀比越大热效率越高，且同时高膨胀比具备较高的残余废气，有效抑制了NOx的排放[24]。

外部EGR是通过EGR阀体、EGR管路、中冷器等部件构建废气再循环系统，使发动机产生的废气再送回气缸参与油气混合与燃烧的技术。该技术在高膨胀比汽油机领域取得了不错的效果。Kawamot等研究表明第二代丰田普锐斯高膨胀比发动机引入EGR后比第一代普锐斯高膨胀比发动机有效燃油消耗率降低8.5%，相对于同种规格的传统汽油机有效燃油消耗率降低10.2%[25]。苏建业等基于增压小型化GDI汽油机开展了米勒循环与外部冷却EGR的研究，与原机相比，在1 000～3 000 r/min低负荷和高负荷工况区域燃油经济性提高了6%～9%[26]。Ratnak等在增压PFI高膨胀比汽油机引入10%的冷却EGR，其理论热效率仿真结果高达48.2%[27]。王家盛等研究发现米勒循环在低速大负荷工况下碳烟排放出现大幅上升，而结合EGR技术可以有效抑制碳烟的同时降低油耗8.6%[28]。吴学松等围绕自然吸气阿特金森循环发动机的试验表明，在不同负荷下通过增加5%～15%外部EGR可以进一步提高4.3%～10.2%的燃油经济性，同时可以降低NOx排放，最高可降88.5%，负荷越高，最佳EGR率越大，且油耗改善效果越好[29～30]。沈颖刚等在1 000 r/min全负荷下对可变压缩比单缸汽油机的研究表明，EGR率超过5%不利于提升热效率，几何压缩比为9时，EGR从10%升高15%，油耗增加3.17%，但通过提升几何压缩比可以提升热效率，且随着几何压缩比提高，NOx排放增加，HC、CO排放降低，而引入EGR可降低NOx排放，但随EGR率提高HC、CO等增加[31]。

3.2 EGR稀释燃烧技术

通过合理的EGR控制策略可以实现发动机的低温燃烧，低温燃烧是一种新型的高效清洁燃烧方式，近年来该研究成为发动机燃烧领域新的热点，但国内外对低温燃烧的研究对象一般只针对柴油机,且取得了超低排放[32]。由于汽油机自燃性差的缺点，使得通过高EGR率降低汽油机燃烧温度实现低温燃烧存在挑战。

汽油机领域大多学者的研究范围一般针对20%及以下的EGR研究，即便如此EGR对汽油机燃烧与排放性能优化作用也日益突出。Shyani等总结了汽油机EGR技术研究成果并进一步通过热力学分析，论证了通过EGR降低泵气损失，降低燃烧传热损失从而提升汽油机热效率的可能性，但他同时指出EGR率过高会大大降低缸内燃烧温度与燃烧速度，导致发动机燃烧波动、燃烧不完全甚至失火等燃烧问题产生[33]。吴达等通过热力学第一定律与第二定律进一步理论分析了0～17%EGR对汽油机热效率的影响机理，分析了不同负荷下EGR与混合气浓度对理论热效率、燃烧等容度、燃烧效率、传热损失及不可逆损失的影响，得出高负荷下引入EGR可提高有效热效率是由燃烧过程优化与传热损失减少导致的，部分负荷下在上述基础上还进一步降低了泵气损失，但EGR的引入导致不可逆损失增加，燃烧条件发生恶化[34]。白云龙等研究表明，在部分负荷采用废气滞留稀释燃烧可明显降低泵气损失并提高燃烧效率，燃油经济性改善5%～16%，NOx下降70%，CO与HC排放也均有所降低[35]。潘锁柱等通过发动机排放试验研究了EGR对GDI汽油机燃烧与排放特性的影响，随着EGR率的提高，放热过程迟缓，缸内压力和缸内温度逐渐降低，造成NOx逐渐降低，最大降幅达80%，但THC和CO排放逐渐增加，最大增幅分别约为25%和7%[36]。

高比例的EGR对汽油机排放性能优化有促进作用，且高几何压缩比对提升EGR有积极作用。Hedge等研究发现在GDI汽油机上应用25%EGR率可使颗粒物数量和质量排放显著降低，颗粒物质量排放因子可降低约60%，固态颗粒物数量在大多数工况均可降低约 40%，且在2 000 r/min低负荷区域，油耗降低了10 g/（kW·h）[37]。Arsie等在PFI汽油机的研究也证明了高EGR率对降低PM颗粒物的潜力[38]。宋东先等在增压PFI汽油机的研究表明，引入0～25%EGR可以有效降低NOx和CO排放，提高燃油经济性，但EGR太高导致HC排放增加，燃烧波动系数可能超过5%，可以通过提高几何压缩比与稀薄燃烧的方式改善提升EGR率[39]。美国西南研究院率先利用其EGR技术升级与氢气引燃等技术辅助实现了汽油机的高EGR率稀释的高效清洁燃烧，且应用了更高的几何压缩比[40～41]。

3.3 EGR稀释的高膨胀比发动机清洁燃烧

综上，EGR技术不仅有助于高膨胀比汽油机的性能优化，对不同类型的汽油机燃烧过程优化也有潜力可挖，但存在EGR率的适用范围限制，很难实现诸如柴油机领域的大比例EGR稀释的清洁燃烧技术。但围绕大比例EGR稀释的高膨胀比汽油机清洁燃烧具备一定可行性。

a.EGR引入高膨胀比发动机可以降低NOx排放，进一步降低泵气损失，改善燃油经济性，同时耦合进气增压、喷油策略及点火时刻优化汽油机的燃烧与排放过程，为EGR稀释的高膨胀比发动机清洁燃烧奠定了研究基础。

b.EGR在汽油机领域的应用受到燃料特性限制，EGR率应用范围一般比柴油机小，除了油品特性外，几何压缩比也是关键因素。高膨胀比汽油机一般采用较大的几何压缩比，这有助于进一步扩大汽油机的EGR率应用范围。

c.通过LIVC策略实现的高膨胀比发动机存在进气回流问题，采用EIVC策略高膨胀比发动机影响充气过程。这均是汽油机提升几何压缩比后防止汽油早燃或爆震的妥协让步。通过进气增压可以进一步抑制回流现象，但不能解决汽油早燃或爆震问题，采用EGR技术控制汽油机燃烧可以解决这一矛盾，引入大比例EGR有助于进一步提高几何压缩比，进而提升膨胀比，促进高膨胀比发动机热效率的提升。

d.化石能源的不可再生性限制了内燃机技术的持续发展，可替代能源与新能源技术成为不可逆的趋势，西南研究院的柴油或氢气引燃实现大比例EGR稀释氛围下的汽油机燃烧可能成为未来发动机的方向。

4 总结

高膨胀比发动机技术在汽车节能方面效果显著，在混合动力汽车与传统内燃机汽车领域均有较大的应用潜力，但VCR技术实现高膨胀比发动机尚未取得产业应用，采用LIVC或EILV实现高膨胀比发动机获得了大量应用推广，但存在进气回流、动力性不足等问题，需要进气增压、提高几何压缩比以及燃烧排放控制等手段进一步优化。

近年来，基于EGR稀释的高效清洁燃烧技术成为发动机燃烧领域的研究热点，但是由于汽油燃料特性等限制，制约了EGR稀释的高效清洁燃烧技术在汽油机领域的应用。但EGR在汽油机节能与减排方面取得了积极效果，同时在高膨胀比发动机领域应用表明，EGR与高膨胀比发动机可以相辅相成进一步优化整机的经济性与排放。

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