稀燃和EGR对汽油发动机性能影响研究

李钰怀，罗亨波，陈 泓，沈 凯，杜家坤，刘 洋

（1. 广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 511434；2. 上海理工大学 机械工程学院，上海 200093）

节能减排已成为内燃机的研究重点，小排量发动机配合增压技术，有低摩擦、低泵气损失、高升功率的优点，在应对新油耗法规时显示出明显的优势，逐渐成为市场的主流［1-2］。为进一步提高小排量涡轮增压发动机的燃油经济性，空气稀释（稀薄燃烧）与废气稀释（废气再循环）等稀释燃烧技术是提高发动机热效率的有效途径［3-5］。稀释燃烧技术在小负荷时通过引入稀释气体提高进气歧管压力，降低泵气损失，在大负荷时通过稀释气体降低缸内燃烧温度，抑制爆震，提前燃烧相位，能有效降低发动机燃油消耗率，同时有利于降低传热损失和提高充量绝热指数，从而提高热效率。另一方面，稀释燃烧降低的燃烧温度可以大幅降低 NOx排放［6-7］。

相同稀释率下，废气稀释中废气含有大量比热容较高的CO2、H2O等三原子分子，相比空气稀释能够更加降低燃烧温度。空气稀释中N2、O2等单元素双原子气体占比大，因此提高绝热指数的能力更大；另一方面空气稀释中氧气含量高，稀释极限更高。废气稀释需要加装从排气管取气的废气再循环系统，增加了发动机成本。空气稀释燃烧的废气中含有大量氧气，使得传统的三元催化转化器无法正常工作，需要配合氮氧化物捕集技术 (lean NOxtrap，LNT)等后处理技术，同样提高了发动机成本［5, 8-9］。

稀释燃烧增加了缸内混合气热容，降低了燃烧温度，使得点火角可以更加提前，改善了燃油经济性；另一方面，废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）和空气稀释也使得缸内气体的绝热指数发生变化，从而影响理论热效率，进而影响燃油经济性。

EGR和稀燃（新鲜空气稀释）改善燃油经济性和排放的原理相似，但方法又有差异。本文基于一台带低压EGR系统的1.5 L广汽小排量涡轮增压直喷汽油发动机，通过进行相同稀释率下的稀燃、EGR试验和模拟，分析各种稀释燃烧的区别。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

本试验中EGR系统采用催化器后取气引入压气机前的低压EGR方案。试验发动机的基本参数如表1所示，试验发动机示意图如图1所示，其中TWC1、TWC2均为三元催化转化器。

试验中使用AVL733S瞬态油耗仪测量发动机燃油消耗量，缸内压力曲线通过Kisler 6115型传感器测量，缸内压力采集及燃烧数据计算使用AVL indicom燃烧分析仪，发动机原始排放通过HORIBA MEXA-7100DEGR测量。

1.2 研究方案

试验选取万有特性最低油耗点 2 750 r·min-1、平 均 有 效 压 力（ brake mean effective pressure，BMEP）1 100 kPa 的工况进行燃烧特性和经济性对比研究。

喷油策略为单次喷油，通过调节废气稀释阀开度改变废气稀释率。试验过程中保持各边界条件不变，固定气门正时相位及喷油策略，通过点火时刻调节燃烧重心CA50到压缩上止点后8°左右或爆震边界，平均指数压力循环变动系数CI不超过3%。

图1 试验发动机示意图Fig. 1 Schematic diagram of the test engine

本文中定义滞燃期为火花塞点火到10%放热量的曲轴转角，燃烧持续期定义为10%放热量到90%放热量的曲轴转角，燃烧重心的定义为50%放热时的曲轴转角。废气稀释率的定义为

由于稀燃和EGR都是通过稀释提高缸内充气密度，为在统一的基础上比较稀燃和EGR，本文定义进气稀释率为稀释气体量（废气或新鲜空气）与总进气量（当量燃烧空气量与稀释气体量）的比值。对于稀燃和EGR来讲，稀释率分别为

2 试验结果与分析

2.1 稀燃和 EGR 燃烧特性对比

本文选取万有特性最低油耗点 2 750 r·min-1、BMEP 1 100 kPa的工况进行稀燃和 EGR 燃烧特性对比研究。

图2为不同稀释率下稀燃和EGR的着火延迟期、燃烧重心、燃烧持续期。稀燃着火延迟期随着稀释率上升而上升，主要原因是稀释造成火核向外界传热损失增加，火焰传播速率下降；EGR中CO2、H2O等惰性分子占比大，降低了火焰传播速率，使得EGR滞燃期长于稀燃。稀释率小于10%时，EGR进气中惰性气体占比小，EGR和稀燃着火延迟期相差较小；稀释率大于10%时，EGR进气中惰性气体比例增大，EGR着火延迟期明显比稀燃的长。

EGR对燃烧重心的影响较大。随着稀释率的上升，燃烧重心一直提前，而稀燃燃烧重心在稀释率小于25%时变化较小，稀释率大于25%后燃烧重心开始提前。试验用发动机有较高的几何压缩，同时进气包角为170°CA，导致实际压缩比较高，爆震趋势大。EGR中CO2和H2O等惰性气体比热容大，降低燃烧温度的作用明显，降低爆震能力强。随着稀释率上升，缸内压力上升，EGR热容对爆震的减小效应大于缸内压力上升的作用。稀燃中增加的O2、N2气体比热容相对较小，且O2浓度的增加有助燃作用。另外随着稀释率上升，缸内压力上升，稀释率小于25%时，缸内压力上升对爆震的增加作用略大于热容增加对爆震的抑制作用，使得燃烧重心略有上升，而稀释率大于25%后，热容增加抑制爆震的作用增强，燃烧重心开始提前。

图2 不同稀释率下稀燃和EGR的着火延迟期、燃烧重心、燃烧持续期Fig. 2 Ignition delay, combustion center and combus-tion duration at different dilution rates

燃烧持续期随着稀释率上升而延长，EGR和稀燃的燃烧持续期相差较小，虽然EGR中H2O等惰性气体减缓了火焰传播速度，但EGR使得燃烧重心提前，火焰传播时活塞离上止点较近，减少了火焰传播距离，所以EGR和稀燃的燃烧持续期相差较小。图3为20%稀释率时EGR和稀燃的缸内压力、放热率，EGR的最高爆发压力比稀燃大，对应位置提前，放热提前，最大放热率接近。

图3 稀释率20%时稀燃和EGR的缸内压力、放热率Fig. 3 Effect of EGR and lean combustion on incylinder pressure and heat release rate at the dilution rate of 20%

2.2 稀燃和 EGR 燃油经济性对比

本文选取万有特性最低油耗点 2 750 r·min-1、BMEP 1 100 kPa 的工况进行稀燃和 EGR 燃油经济性对比研究。

图4为不同稀释率下稀燃和EGR的有效燃油消耗率（brake specific fuel consumption，BSFC），在平均指数压力循环变动系数CI不超过3%的限制下，稀燃的稀释率小于40%，EGR的稀释率小于25%。随着稀释率上升，EGR和稀燃的有效燃油消耗率均明显下降，且在稀释率分别为20%、35.9%时，有效燃油消耗率达到最小，相比稀释率为0%时减小4.7%、7.2%。随着稀释率上升，EGR的BSFC比稀燃小，且与文献［1］中给出的随着稀释率上升EGR的BSFC比稀燃大这一趋势相反。这是由于本试验中几何压缩比为12.2，进气包角为170°CA，导致实际压缩比大，爆震限制了燃烧重心提前，而相同稀释率下EGR缸内较大的热容抑制爆震的能力比稀燃强，EGR点火角可以更加提前，燃烧重心提前，燃油经济性更高。

图4 不同稀释率下稀燃和EGR的有效燃油消耗率Fig. 4 Brake specific fuel consumption at different dilution rates

图5 为稀释率分别为20%、0%时缸内平均温度。稀释率为20%时EGR和稀燃的最高燃烧温度基本相等，相比稀释率为0%时减小360 K左右，降幅较大。燃烧末期90°CA ATDC时，EGR的缸内平均温度比稀燃的减小98 K。图6为不同稀释率下稀燃和EGR的涡前温度。随着稀释率上升，EGR和稀燃的涡前温度下降。EGR的涡前温度比稀燃低，说明相同稀释率下EGR的排气损失小。

图5 稀释率为 20%、0% 时缸内平均温度Fig. 5 Average in-cylinder temperature at the dilution rates of 20% and 0%

3 稀燃和 EGR 改善燃油经济性能力差异分析

相同稀释率下稀燃和EGR改善燃油经济性能力存在差异。汽油发动机可近似认为是等容加热循环，其理论热效率主要受压缩比与绝热指数影响。本文中稀燃和EGR压缩比相同，但绝热指数存在差异。本文建立了发动机一维计算模型，分析稀燃和EGR改善燃油经济性能力存在差异的主要原因。

图6 不同稀释率下稀燃和 EGR 的涡前温度Fig. 6 Turbocharger front temperature at different dilution rates

图7 为通过GT-POWER模型计算得到的不同曲轴转角下的绝热指数。GT-POWER模型的边界条件来自试验，且该模型的缸内压力、进气压力、进气流量等均得到了试验验证。绝热指数随着曲轴转角的增加先减小后上升。这是由于绝热指数会随着压力和温度的上升而下降。0～20°CA时，缸内温度上升较快，导致绝热指数急剧下降；20°CA后缸内温度下降，绝热指数开始上升。相同温度和压力下，双原子气体的绝热指数比三原子气体的大。稀燃气体中O2、N2等双原子气体占比大，而EGR中H2O、CO2等三原子气体占比大，导致燃烧初期绝热指数从小到大分别为1.286（EGR）、1.296（稀释率0%）、1.305（稀燃），EGR的燃烧初期绝热指数比稀释率为0%时下降0.7%，而稀燃的燃烧初期绝热指数比稀释率为0%时上升0.8%。20°CA后，由于EGR较大的热容使得缸内平均温度降低较多，稀释率为0%时的平均温度较大，以至于EGR绝热指数超过稀释率0%时，接近稀燃。

图7 稀释率为 20%、0% 时缸内绝热指数Fig. 7 In-cylinder adiabatic index at the dilution rates of 20% and 0%

图8 为不同稀释率下稀燃和EGR（-30°～90°CA）缸内平均绝热指数。随着稀释率上升，稀释降低燃烧温度的效应变强，使得平均绝热指数上升。绝热指数的变化直接影响理论热效率，稀燃绝热指数大，理论热效率更高；但是EGR有更大的热容，从而降低了燃烧温度，抗爆震能力强，使得点火角可以更加提前，同时降低了排气损失，燃油经济性更好。热容对燃油经济性的影响占主导地位，相同稀释率下，CI小于3%时，相比稀燃，EGR有更好的燃油经济性。

4 结 论

本文基于一台带低压EGR系统的1.5 L广汽小排量涡轮增压直喷汽油机进行了稀燃和EGR的燃烧特性和经济性对比试验研究，并搭建了一维发动机模型进行模拟研究。主要结论为：

（1）随着稀释率上升，稀燃和EGR均导致发动机滞燃期、燃烧持续期延长，涡前温度下降；EGR的燃烧重心提前，稀燃燃烧重心先略微推后，后提前。相比稀燃，EGR的滞燃期长，燃烧重心提前，燃烧持续期基本相等，涡前温度低。

（2）随着稀释率上升，稀燃和EGR的有效燃油消耗率均明显下降。相同稀释率下，CI小于3%时，EGR的有效燃油消耗率比稀燃低。稀燃有更大的稀释极限，EGR和稀燃在稀释率分别为20%、35.9%时，有效燃油消耗率达到最小，相比稀释率0%时减小4.7%、7.2%。

（3）相同稀释率下，稀燃的绝热指数比EGR的大，理论热效率更高；但是EGR有更大的热容，从而降低了燃烧温度，抗爆震能力强，使得点火角可以更加提前，同时降低了排气损失，燃油经济性更好。热容对燃油经济性的影响占主导地位，相同稀释率下，CI小于3%时，相比稀燃，EGR有更好的燃油经济性。