EGR 对在用汽油车排放特性的影响

高冬冬 罗马吉 刘 成 王一男 邱 亮

（1-武汉理工大学汽车工程学院 湖北 武汉 430070 2-雄创（上海）新能源科技有限公司）

引言

2018年，中华人民共和国生态环境部发布的《中国机动车环境管理年报》指出，全国机动车CO、HC、NOx和PM的污染物排放总量初步核算达到4 359.7万t。其中，CO排放为3 327.3万t，HC排放为407.1万t，NOx排放为574.3万t，颗粒物排放为50.9万t[1]。汽车作为机动车大气排放污染物的主要承担者，其排放的尾气中，CO和HC排放超过80%，NOx和颗粒物（PM）排放甚至超过90%。

自20世纪90年代以来，国家制定了综合排放控制政策和措施，包括实施新车排放标准、在用车检查和维护、提高燃料质量、促进可持续交通、发展替代燃料车辆以及加强交通管理等方面[2]。随着国家制定的汽车排放标准逐步加严，对汽车污染物的排放要求也越来越严格。如GB18285-2018 汽油车污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）规定，自2019年5月1日起，在全国范围内开始实行新的汽车环保定期检验标准[3]，其排放限值比GB18285-2005标准更加严厉。

废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）是控制在用汽油车排放的一种重要方法[4-5]。其机理是将汽油机排出的废气中的一小部分返回至气缸内，在汽油机引入高温废气且不影响新鲜空气充量的情况下，提高了燃烧质量，从而提高了汽油机的燃油经济性[6-7]。EGR废气的加入，极大地降低了汽油机的NOx排放。研究表明，在火花点火发动机中，用10%～30%的EGR废气实现了NOx浓度显著降低[8-10]。然而，EGR的应用降低了缸内燃烧速率，使得稳定燃烧更难以实现。在燃烧持续时间和平均有效压力稳定的情况下，燃油消耗率随着EGR的增加而降低[11]。本文研究的主要目的是将EGR应用于在用汽油车上，改善缸内燃烧条件，降低在用汽油车污染物排放，使其符合国家规定的排放限值标准。

1 试验设备及方案

1.1 试验设备

试验在雄创（上海）新能源科技有限公司一辆搭载1.4 L四缸水冷发动机的在用2006款神龙富康轿车上进行。试验在用汽油车的主要技术参数如表1所示。试验燃料为市售的92号汽油。

表1 试验用车发动机主要技术参数

图1为试验装置示意图，采集节气门信号、发动机负载信号和发动机转速信号，并输送给电子控制单元（ECU）。之后，通过控制EGR阀的开度，使进入气缸的废气量随信号而调整。试验设备为佛山市南华仪器股份有限公司生产的底盘测功机和排放测试系统。

图1 EGR试验装置示意图

废气再循环系统采用电控EGR阀，灵敏度高，可准确控制EGR阀开度。EGR率由进气和排气过程中的CO2体积分数计算得出，计算公式为：

式中：VCO2IN为进气CO2的体积分数；VCO2EX为排气CO2的体积分数；VCO2为空气中CO2的体积分数[12]。

1.2 试验方案

对试验用车进行稳态工况法测试，将车辆行驶至测功机上，按照操作法规调整驱动轮位置。预热后，测功机会依照车辆整备质量自行施加一定荷载，驾驶员控制车辆，按照图2所示的稳态工况法（ASM）试验运转循环[13-14]进行操作。

图2 稳态工况法（ASM）试验运转循环

试验分为2部分：首先，以EGR阀开度为0、10%、20%、30%等4组数据为基础，分析EGR阀开度对尾气中CO、HC、NOx排放的影响。试验方法是：EGR阀开度为0时，进行ASM5025工况试验，时间范围为0～90s；EGR阀开度为10%、20%、30%时，进行ADM5025和ASM2540工况试验，时间范围为0～180s。然后，在ASM5025工况和ASM2540工况等2种工况下，EGR阀的开度分别为0、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%、60%、70%、80%时，对汽车尾气中的CO、HC和NOx排放进行分析。

2 试验结果与讨论

2.1 EGR阀开度对在用汽油车尾气排放的影响

图3为EGR阀开度对试验用车发动机排放性能的影响。

图3 EGR阀开度对试验用车HC、CO和NOx排放的影响

从图3可以发现，在稳态工况下，HC、CO、NOx排放均有所降低，尤其是NOx排放降低最为显著。随着EGR阀开度逐渐增加，CO、HC排放出现不同程度的下降，NOx排放呈现出急剧下降的态势。相比于EGR阀开度为10%，EGR阀开度为20%时，CO排放降低了24.5%；EGR阀开度为10%时，HC排放稍有上升，EGR阀开度为20%时，HC排放下降了39.3%；EGR阀开度为20%时，NOx排放下降高达74.5%。主要原因是随着EGR阀开度逐渐增大，进入缸内的氧含量逐步降低，新鲜充量减少，降低了火焰传播速率，燃烧变得迟缓，NOx排放量明显下降。

2.2 ASM5025和ASM2540工况排放分析

表2 为ASM5025 和ASM2540 等2 种稳态工况的排放限值。

表2 ASM5025和ASM2540工况的的排放限值

图4 为ASM5025 和ASM2540 工况下的排放情况。

从图4 可以看出，在2 种稳态工况下，EGR 阀开度为0、5%、10%时，在用汽油车的尾气排放均未达标，主要是由于NOx排放超标所致。当EGR阀开度增加时，NOx排放减少，直到EGR阀开度为80%时，NOx排放仍然减少。在ASM5025工况下，CO排放在EGR阀开度为60%时最低，HC排放在EGR阀开度为25%时最低；在ASM2540工况下，CO排放在EGR阀开度为70%时最低；HC排放在EGR阀开度为80%时最低。

图4 ASM5025和ASM2540工况排放情况

2.3 EGR阀开度对尾气排放降低百分比的影响

图5为EGR阀开度对尾气排放降低百分比的影响。

图5 EGR阀开度对尾气排放降低百分比的影响

从图5可以看出，随着EGR阀开度不断加大，CO、HC和NOx排放均出现不同程度的下降。其中，NOx排放平均下降78.7%，最高下降可达86%。HC排放平均下降37.7%，最高下降可达42%。CO排放平均下降22.2%，最高下降可达27%。表明本试验在用汽油车安装EGR阀后，尾气中的3项排放指标均有所下降，尤其是NOx排放下降幅度很大。

2.4 在用汽油车安装EGR系统前后排放与排放限值对比

图6是15辆在用汽油车安装EGR系统前后排放与排放限值的比较。

图6 在用汽油车安装EGR系统前后排放与排放限值对比

从图6可知，通过对比发现，绝大部分车型CO排放呈下降趋势，降低率为3%～86%。极个别车型CO排放出现小幅度上升，但并不影响排放达标。很大一部分车型HC排放呈下降趋势，降低率为0～75%，个别车型HC排放虽有上升，但并不影响排放达标。NOx排放降低率为16%～99%，排放达标。

3 结论

1）随着EGR阀的开度不断增大，CO、HC排放波动不大，下降最多的是NOx排放。这是由于随着EGR阀开度增大，进入缸内的氧含量平缓下降，缸内的最高温度下降，抑制了NOx的生成。

2）当EGR开度为0、5%、10%时，尾气排放不达标。原因是NOx浓度过高。随着EGR开度从15%增大到20%、25%、30%，NOx排放大幅度降低。

3）在用汽油车安装EGR系统后，NOx排放下降。随着EGR阀开度的增加，在用汽油车的NOx排放明显降低，远远低于排放限值。

4）安装EGR系统后，大部分在用汽油车的CO和HC排放有所下降。