外置废气再循环在增压发动机上的应用研究

黄荣辉 曹春晖 余光耀

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西 柳州 545007）

引言

一方面由于非直喷增压发动机容易出现早燃问题，另一方面即将实行越来越严格的排放标准，促使人们在发动机上不断地引入新技术以解决上述问题，废气再循环是其中的一个重要技术手段。将适量废气引入缸内与新鲜空气混合后再燃烧可以有效降低缸内燃烧压力和温度，减少一氧化碳的排放量和降低燃油消耗率，并可减少早燃。目前增压发动机基本都配有进、排气可变气门正时（VVT），因此增压发动机一般没有外置EGR装置，而是通过提前关闭排气门来加大残余废气滞留在缸内（即内置EGR）。内置EGR在非增压发动机上已经是运用得非常成熟的技术，可以将发动机的排放、油耗等优化到最佳状态，故在双VVT的非增压发动机上基本没有再增加外置EGR装置。但是对于增压发动机，特别是在其运行到中高负荷区域时，由于发动机的进气量比较大，需要引入的废气量也比较大，仅通过调整VVT方式无法满足所需引进的废气量，在配双VVT的增压发动机上额外增压一个外置EGR装置可以很好地满足增压机在中高负荷时的废气再循环需求[1-3]。

1 试验方案

试验对象为一台直列4缸1.5 L非直喷双VVT增压发动机，发动机主要参数如表1所示。

表1 发动机主要参数

通过加装一个外置EGR装置可以将大量废气引入进气歧管内，以满足发动机在中大负荷时所需要的大废气量。外置EGR装置将排气歧管中的部分废气，经过冷却后通过EGR阀送入增压器压气机前，与新鲜空气混合增压后进入进气歧管，然后进入气缸重新参与燃烧。发动机外置EGR装置示意图如图1所示。

图1 发动机外置EGR装置

整个实验在发动机试验台架完成，通过流量计测量和计算出从外置EGR中引入的废气量，通过排放仪测量发动机的尾气排放，通过燃烧分析仪测量和观察发动机的燃烧情况，通过油耗仪测量发动机油耗率。试验所用主要设备如表2所示。

表2 试验所用主要设备

2 试验结果

2.1 发动机性能

从全负荷对比中发现，由于开启外置EGR后引入了较多废气量，发动机吸入的新鲜空气就相应减少了，故在全负荷时转矩会下降比较明显。但是当引入废气后，稀释了缸内的油气混合气，降低了氧分子与可燃分子的碰撞机率，且废气高比热容特性吸收了燃烧室部分能量，可以抑制燃烧和降低排温，排气温度比较低，故可以采用更稀的空燃比，从而使发动机油耗率更低，尾气排放更少。开启外置EGR前发动机全负荷在所有转速上都需要加浓，而开启外置EGR后发动机转速要到3 000 r/min以后因排温超标才因降排温需要而加浓，并且加浓幅度较小。对比结果如表3所示。

表3 关闭EGR减开启EGR性能对比

2.2 油耗

从万有特性上看出在中大负荷时开启外置EGR后比关闭外置EGR后的油耗总体要低，在100 N以上区域油耗普遍要低10～40 g/（kW·h），在全负荷附近开启外置EGR后油耗要降低40～50 g/（kW·h）。这主要是由于引入EGR后发动机泵气损失减小，燃烧效率增加的作用。结果如图2所示。

图2 外置EGR开启后油耗降低情况

2.3 碳氢排放

开启外置EGR后碳氢排放在2 000 r/min前后和大负荷时可降低比较大，主要是在这些转速发动机比较容易发生早燃，故需要加浓混合气来减少早燃发生。当引入废气后可使缸内燃烧温度降低，早燃倾向减少，所以发动机可以采用更稀的空燃比运行，从而降低碳氢的排放量。结果如图3所示。

图3 外置EGR开启后碳氢排放降低情况

2.4 氮氧化物

由于开启外置EGR将更多废气引入缸内后，因EGR废气具有较高的比热容，吸收了燃烧室内部分能量，减缓了燃烧速度，最终降低了燃烧室内的温度，从而不利于NOx产生。从试验结果也可以看出在所有转速和工况下，开启外置EGR后发动机的NOx排放都比开启前有大幅降低。结果如图4所示。

2.5 空燃比

从外置EGR开启和关闭中可以看出，在所有的加浓区域，开启外置EGR的空燃比比关闭外置EGR的要稀，大部分工况下开启外置EGR要比关闭外置EGR的过量空气系数要偏大0.1左右。结果如图5所示。

图4 外置EGR开启后氮氧化物排放降低情况

图5 外置EGR开启后过量空气系数变化情况

2.6 早燃

分别通过发动机开启和关闭外置EGR时在45 000个燃烧循环中统计出2种状态下发动机发生早燃的次数可以看出，在同样工作循环下关闭外置EGR时将空燃比加浓后出现的早燃次数明显还比打开外置EGR后要多，打开EGR明显可以改善发动机早燃情况。结果如表4所示。

表4 开启与关闭外置EGR早燃情况对比

3 结论

通过外置EGR装置可以将更多废气引入缸内参与再循环，使发动机在中、大负荷工况下采用更稀空燃比工作，使发动机在油耗率、碳氢和氮氧化合物排放等方面有明显改善。另外，引入废气后发动机工作时缸内燃烧的爆发压力，温度等都会有所降低，从而有效降低增压机早燃情况的发生。但是，由于加大引入废气后会降低发动机吸入新鲜空气量，从而使发动机的转矩和功率都下降，当进一步加大引入废气量时会使发动机燃烧不稳定，从而无法让发动机正常工作。