稀释燃烧对高压缩比直喷汽油机性能的影响

楼狄明，赵彬皓，范本正，房 亮，张允华

(1.同济大学 汽车学院，上海 201804；2.上海汽车集团股份有限公司，上海 201804)

近年来，在有效燃油消耗率(BSFC)和排放法规限制带来的能源与环境双重压力下，越来越多的节能减排关键技术被开发并应用于汽油发动机上(如小排量、高压缩比、增压技术、缸内直喷技术和米勒循环等)，为了进一步改善发动机燃油经济性与排放性，稀释燃烧技术凭借明显的节能减排优势[1]获得了国内外研究人员的关注，并逐渐被应用到高效汽油机上.

常见的稀释燃烧技术主要包括两种：利用过量空气稀释的稀燃技术和利用废气稀释的废气再循环技术(EGR).稀燃即空气稀释通过增大工质中空气比例，充分燃烧优化排放性能，并通过提高缸内混合气比热比、降低传热损失，提高发动机热效率[2].朱登豪等[3]研究发现，稀燃可降低发动机小负荷工况下的传热损失与泵气损失，降低BSFC.常龙等[4]则发现在大负荷工况下，稀燃导致的比热比的变化对提高热效率起到决定性作用.Jacobson[5]试验发现，稀燃可提供富氧环境与更长的燃烧持续期，这提高了CO和HC的氧化倾向，降低排放.Park等[6]发现，分层稀燃可帮助拓展稀燃边界，并使BSFC降低约10%，NOx排放降低约45%.但稀燃产生的废气中氧浓度较大，传统的三元催化器无法进一步降低NOx排放.EGR稀释是通过向缸内导入废气提高工质比热容，减缓燃烧从而优化发动机性能，常见的外部EGR系统可分为低压EGR、高压EGR和混合EGR共3种，Takaki等[7]和Reihani等[8]的研究表明，低压EGR系统可以改善各气缸废气分布均匀性问题，提高最大EGR率、降低BSFC并抑制爆震.Heywood[9]与楼狄明等[10]则分别针对进气道喷射(PFI)与汽油缸内直喷(GDI)发动机应用EGR的节能效果展开研究，发现EGR在部分负荷时通过降低泵气损失和传热损失，在大负荷时通过优化燃烧相位来降低发动机BSFC.Gong等[11]研究发现，EGR会阻碍燃烧火焰传播，增大火焰淬熄区域，导致CO与HC排放增多；赵立峰等[12]则指出，EGR可以通过降低燃烧温度与氧体积分数，实现NOx排放的大幅度降低.

由于空气稀释与EGR稀释在汽油机上实际应用的侧重性不同且各有优劣，因此，国内外学者也针对两种稀释燃烧技术展开了对比研究.Tang等[13]与冯浩等[14]研究发现，在相同稀释程度下，相比于空气稀释，EGR稀释的燃烧波动率和BSFC更高，缸内燃烧温度更低，燃烧持续期更长，说明EGR对缸内燃烧的负面影响更大，此外EGR的HC与CO排放更高，NOx排放更低.复合稀释燃烧是指同时应用空气稀释与EGR稀释技术，引入过量空气与循环废气，从而综合利用二者优势，目前也有学者尝试探索复合稀释燃烧模式下燃油经济性与NOx双重优化的可能性，王建昕等[15]与朱棣等[16]针对小负荷工况下的复合稀释燃烧效果展开研究，发现在保证发动机稳定燃烧的条件下，BSFC降低幅度可达6%～8%，并能将NOx、CO和HC排放控制在较低值.王金秋等[17]研究指出，不同压缩比下稀释燃烧特性有所差异.

目前，国内外针对汽油机稀释燃烧的相关研究多数是在较低圧缩比与较小负荷工况下完成的，鲜有针对高压缩比汽油机中大负荷工况下稀释燃烧的对比研究.因此，为充分探究稀释燃烧潜力，进一步改善发动机燃油经济性与排放性，笔者基于一台1.5L高压缩比增压直喷汽油机，通过台架试验开展空气稀释、EGR稀释和复合稀释3种方式对发动机在中速、中负荷工况下燃烧性能、排放性能与BSFC的影响规律探究，并对比相同稀释率、不同组合方式的复合稀释燃烧的应用效果，发现在高稀释率条件下，相比于纯过量空气稀释，复合稀释燃烧具备保证低NOx排放基础上进一步降低BSFC的潜力，为稀释燃烧技术的工程应用和后续优化提供参考.

1 试验设备及方案

1.1 试验设备

试验所用的1.5L、4缸米勒循环增压直喷汽油发动机的原配活塞压缩比为11.5，为探究高压缩比下发动机稀释燃烧性能参数变化规律，自主设计了压缩比为15的活塞，并加装低压EGR系统，具体包括EGR中冷器、电控EGR阀以及相应进/排气管路，用于进行笔者所述试验，发动机参数如表1所示.

表1 试验发动机参数Tab.1 Engine specifications

试验台架的布置如图1所示，低压EGR系统将三元催化转化器(TWC)后的废气引出，通过EGR中冷器和EGR阀，引入压气机前，预先与新鲜空气混合，再进行增压进气.试验基于PUMA台架控制系统、AVL电力测功机等设备进行，通过ETAS-INCA读取并调整发动机工作过程中的控制参数，通过空燃比测量仪和五气分析仪来测量和计算过量空气系数φa与EGR率，并利用各类传感器采集进/排气流量、压力和温度等参数，通过AVL Indicom燃烧分析仪记录Kistler 6115CF型号缸压传感器采集的数据，进而分析计算CA50等燃烧性能参数，采用735油耗仪测量燃油消耗率，通过Horiba MEXA气态物分析仪采集分析气态物原始排放数据.

图1 试验设备示意Fig.1 Schematic of the experiment set-up

1.2 试验方案

结合混动发动机实际运行情况，选取发动机万有特性最低油耗点附近且运转稳定性较高的转速为3000r/min、平均有效压力(BMEP)为1.0MPa的中速、中负荷工况点展开试验，对比分析不同稀释燃烧方式下的发动机燃烧与排放性能.

燃烧性能的关键评价参数是：定义燃烧重心为累积放热率50%时所对应的曲轴转角CA50，燃烧持续期为累积放热率10%到90%之间的曲轴转角间隔CA10-90.工程上常将7°～9°CA BTDC的CA50值作为最佳燃油消耗率对应的标定区间[10]，为保证试验过程中CA50可维持在该范围内，实现当前工况最佳燃油消耗率，削弱燃烧相位改善对发动机性能影响的权重，试验选择了辛烷值为104的调制汽油作为燃料，其抑制爆震效果更好，可提高更大稀释程度下的发动机工作稳定性.

试验中，通过INCA开环控制φa，采用设置EGR阀的开度调节EGR流量，以控制EGR率.EGR率ηEGR测算选用目前较为通用的二氧化碳测量法[17]，即

式中：φCO2,in和φCO2,ex分别代表进/排气管中CO2的体积分数，对大气环境CO2体积分数忽略不计.

空气稀释和EGR本质上都是对缸内工质进行稀释，为便于在相同稀释程度下比较空气稀释与EGR对发动机性能的影响，采用稀释率的概念[17]，并定义稀释率为缸内所有工质质量(包括稀释充量，但不包括燃油)与理论当量比燃烧所需的空气质量之比为

式中：R为稀释率；mf为燃油质量；α为理论空燃比；mo为稀释部分的工质总质量.对于空气稀释，mo为引入的过量空气的质量，由φa的定义可知，此时有R=φa.

对于EGR稀释而言，考虑到废气摩尔质量与空气摩尔质量的比值对计算质量EGR率的影响较小[18]，可以忽略不计.因此，稀释率计算公式为

式中：me为引入的再循环废气质量；ma为新鲜空气质量.

对于同时引入过量空气与废气稀释的复合稀释燃烧模式而言，稀释率为

试验保持燃油单次喷射，在标定基础上保证进气门开启时刻(IVO)和排气门关闭时刻(EVC)不变，稀释燃烧对比试验时需分别在φa＝1.0时依次增加EGR率、在EGR率为0时依次增大φa，由于试验工况点负荷较高，节气门需保持全开，再通过调节废气旁通阀开度控制进气，并调整点火提前角，使BMEP保持不变且CA50处于最佳区间；针对复合稀释燃烧试验，需分别在EGR率为0、5%、10%和15%下改变φa，达到目标稀释率，并通过调整其他控制参数达到试验工况最佳燃油消耗率.随着稀释率增大，发动机燃烧稳定性会降低[19]，试验时会控制循环波动率(CoV)不超过5%.待发动机工作稳定后，记录不同稀释程度下发动机的性能参数，以得出稀释方式、稀释率以及相同稀释率下不同φa与EGR率组合对发动机性能的影响.其他各边界条件如进气压力、进气温度、中冷后温度、发动机出水温度、燃油温度及环境温度等受到严格控制.

2 试验结果与分析

2.1 空气稀释与EGR对发动机性能影响对比

图2为无稀释燃烧、稀释率约为1.2时空气稀释与EGR稀释两种稀释燃烧方式下发动机缸内压力与累积放热率变化.由图2a可知，稀释后压缩行程后期缸内压力及缸内压力峰值均有所上升，由于试验中将CA 50控制在8°CA BTDC左右，因而缸内压力达到峰值时刻较为接近.稀释燃烧可将点火角提前，相比于过量空气稀释，废气稀释的点火提前角更大，导致其缸内压力快速升高时刻更早.图2b所示结果也表明废气稀释放热时间更早，稀释燃烧会导致放热减缓，瞬时放热率峰值降低，累积放热率达100%的时刻滞后，而废气稀释对燃烧的抑制效果更明显.

图2 空气稀释与EGR对缸内压力和累积放热率的影响Fig.2 Effect of lean burn and EGR on cylinder pressure and integrated heat release rate

图3a为不同稀释率下空气稀释与EGR对燃烧持续期的影响，将稀释燃烧减缓放热的作用反映到燃烧持续期的变化中，可以发现随着稀释率的增大，燃烧持续期明显延长，这是因为过量空气稀释和废气稀释均会引入更多工质，导致混合气浓度降低，缸内工质总热容升高，火焰传播受到抑制.而相比于空气稀释，EGR抑制燃烧的能力更强，燃烧持续期随稀释率的涨幅更大，废气稀释率为1.24和过量空气稀释率为1.51时的燃烧持续期接近相等，这主要是因为废气中CO2和H2O等惰性分子占比更大，降低了缸内氧体积分数，反应活性分子碰撞概率更低，且比热容的提升更大，燃烧反应速度更慢，这也是其点火提前角进一步增大的原因.此外，受燃烧效率、循环波动阈值和实际可循环废气量的影响，相比于空气稀释，EGR的稀释边界更窄，这导致在稀释率接近的情况下，EGR比空气稀释更容易出现发动机燃烧不稳定的情况.

图3 不同稀释率下空气稀释与EGR对燃烧持续期和排气温度的影响Fig.3Effect of lean burn and EGR on combustion duration and exhaust manifold temperature at different dilution rates

图3b所示排气温度随稀释率增大而降低，这主要也与稀释燃烧提高缸内工质总热容并降低混合气浓度有关，导致缸内燃烧温度降低，进而降低排气温度.而相比于空气稀释，EGR的高热容对于燃烧温度的降低效果更明显，排气温度更低.

泵气损失是进/排气过程中克服进/排气道阻力所消耗的功的代数和，图4a的结果表明发动机的泵气损失随稀释率增加而增大，这主要是因为在中速、中负荷工况下，单纯依靠节气门控制无法提供足够的空气以维持设定负荷，需要保持节气门全开后，再利用涡轮增压提高进气压力.而稀释率越大，所需进气压力越大，废气旁通阀的开度越小，排气背压越大，最终导致泵气损失增大[10].由于废气的引入替换了部分空气所占体积，导致相同稀释率下，发动机需要更大的进气压力来满足功率输出，因而EGR的泵气损失更大.

图4 不同稀释率下空气稀释与EGR对泵气损失和BSFC的影响Fig.4 Effect of lean burn and EGR on PMEP and BSFC at different dilution rates

图4b为发动机BSFC随稀释率的变化规律.针对试验工况，空气稀释与EGR两种稀释燃烧方式均可以降低发动机BSFC，且随着稀释率增大，BSFC均呈现先降低后升高的趋势，并在稀释率分别为1.41和1.17时达到最低，相比无稀释燃烧，BSFC分别降低了12.12g/(kW·h)和3.67g/(kW·h).继续增大稀释率，导致引入额外工质过多，燃烧效率降低，燃烧稳定性明显下降，且泵气损失继续升高，使得BSFC有所回升.对于EGR而言，惰性气体加重了对燃烧反应的抑制，更长的燃烧持续期也放大了循环波动的影响，导致BSFC回升时的稀释率更小.空气稀释降低BSFC的效果要优于EGR，这与前人研究结果相符.

由于试验控制了CA50所在区间，使得稀释对燃烧相位的优化作用被削弱，且泵气损失随稀释率增加而增大，因而空气稀释与EGR主要是通过增大缸内混合气比热比[20]，提高发动机循环热效率，降低发动机BSFC；相比于EGR，空气稀释引入的是O2、N2等比热比更大的双原子气体.因此，空气稀释理想循环热效率更高，对燃油经济性的改善更明显.

空气稀释与EGR两种方式下的气态污染物原始排放随稀释率的增大呈现不同的变化规律.图5a所示废气稀释对于CO排放有一定的降低作用，这可能与燃烧持续期更长、给予CO更多的氧化时间有关[14]，而过量空气稀释时氧含量更高，更利于CO氧化，使得CO排放远低于废气稀释，相差超过80%.但随着稀释率继续增大，两种稀释方式下的CO排放均有所回升，这可能是因为稀释率越大，缸内温度越低，CO的氧化反应越弱，并且循环波动率升高，不完全燃烧比例增多，CO生成也有所增加.

图5 不同稀释率下空气稀释与EGR对气态物排放的影响Fig.5 Effect of lean burn and EGR on exhaust gaseous emissions at different dilution rates

图5b所示HC排放，废气稀释时HC排放随稀释率增大单调上升，这是由于稀释率越大，缸内燃烧温度越低，火焰淬熄效应越强，HC生成越大；并且稀释率越大氧体积分数越小，燃烧不完全性增强，燃烧波动率高，导致HC升高幅度逐渐增大.而过量空气稀释时，HC排放随稀释率增大呈现先降低后升高的趋势，这是氧体积分数提高与燃烧温度降低动态博弈的结果，稀释率较小时，氧体积分数提高利于HC氧化、排放降低；稀释率较大时，燃烧温度低导致淬熄效应增强，且发动机着火与燃烧稳定性降低，HC排放回升.

图5c表明废气稀释时NOx排放随着稀释率增大单调下降，这主要是由于稀释率越大，缸内燃烧温度越低，同时氧体积分数降低，破坏了NOx生成所需的高温富氧条件，稀释率为1.24时NOx排放降幅达89.4%.而过量空气稀释时NOx排放受缸内温度与氧体积分数双重影响，由于高压缩比下缸内温度水平较高，导致随着稀释率的增大，NOx排放因氧体积分数增多呈先上升的趋势，在稀释率约为1.15时达到峰值.当稀释率继续增大，缸内温度降低对于NOx生成的阻碍作用要强于富氧环境的助益，NOx排放呈迅速下降的趋势，但整体减排效果不如EGR.从结果上看，空气稀释的稀释率为1.50时与EGR的稀释率为1.10时NOx排放水平相当，也说明当过量空气稀释率足够大时，可获得较低NOx排放.

2.2 不同稀释率下复合稀释燃烧对发动机性能影响

为进一步探究稀释燃烧改善发动机性能的潜力，尝试综合空气稀释与EGR在节能减排上各自的优势，研究并分析相同稀释率下，EGR率约为0、5%、10%和15%时耦合不同φa的稀释组合的复合稀释燃烧对发动机性能的影响，表2为复合稀释燃烧试验方案.

表2 复合稀释燃烧试验方案Tab.2 Experiment scheme of lean dilution combustion

图6为不同稀释率下复合稀释燃烧对BSFC影响.在稀释率为1.2时，随着EGR率增大，BSFC逐渐上升；而在稀释率为1.3和1.4时，随着EGR率增大，BSFC呈先下降后上升的趋势.说明大稀释率下纯空气稀释对BSFC的改善能力减弱，此时若在空气稀释基础上通入少量废气可进一步提高发动机燃油经济性，且当稀释率越接近稀释边界时，该效应越明显，意味着在稀释边界附近可能存在使发动机BSFC最低的EGR率与φa的最佳组合.针对此结果，在EGR率为4.91%、φa为1.34时，相比无稀释燃烧，发动机BSFC降低了12.9g/(kW·h)；相比纯空气稀释φa为1.40时BSFC降低0.8g/(kW·h).

图6 不同稀释率下复合稀释燃烧对BSFC影响Fig.6 Effect of lean dilution combustion on BSFC at different dilution rates

图7a为不同稀释率下复合稀释燃烧对燃烧持续期的影响.从燃烧角度分析，发现EGR率越高，燃烧持续期越长，这与前文结论保持一致，且增长幅度在大稀释率时较小，这是因为高φa对燃烧持续期的影响更大，导致EGR率的影响权重降低.图7b显示在不同稀释率下排气歧管温度随EGR率增大均呈降低趋势，但稀释率为1.3和1.4、EGR率为15%时，排气歧管温度下降趋势明显回缩，推测这可能与较高稀释率下，EGR率大导致燃烧稳定性更差，存在部分混合气后燃有关.

图7 不同稀释率下复合稀释燃烧对燃烧持续期和排气歧管温度的影响Fig.7Effect of lean dilution combustion on combustion duration and exhaust manifold temperature at different dilution rates

图8a为CO排放，针对稀释率为1.2、EGR率为15%工况，由于此时φa为1.0，CO排放较高，而稀释率为1.3和1.4的复合稀释燃烧的φa均大于1.0，对CO有明显的减排效果.此外，稀释率增大或相同稀释率下EGR率增大，均导致CO排放呈上升趋势，这与前述结论一致，CO整体排放水准受空气稀释影响更大.图8b表明相同稀释率下EGR率增大导致HC排放呈上升趋势，这主要是因为当稀释率大于1.2时，空气稀释与EGR均有增大HC排放的倾向，而相比于引入过量空气导致的过稀混合气不完全燃烧，引入废气导致的淬熄效应和循环波动提升对HC排放的恶化影响更大.

图8 不同稀释率下复合稀释燃烧对气态物排放的影响Fig.8 Effect of lean dilution combustion on exhaust gaseous emissions at different dilution rates

图8c为NOx排放，相同稀释率下随着EGR率增大，NOx排放均呈降低的趋势，说明复合稀释燃烧时EGR降低缸内温度对NOx生成的抑制作用超过了空气稀释高氧含量对NOx生成的促进作用.并且NOx排放的降低梯度随稀释率增大逐渐减小，这是因为稀释率足够大时，空气稀释也可大幅降低NOx排放，使得排放量基数本身较低，降幅随之减小.

综合图4b、图5、图6和图8可知，纯废气稀释虽能大幅降低NOx排放，但其对BSFC的改善幅度不到2%；纯过量空气稀释的节油效果更好，但NOx减排效果远不如EGR，复合稀释燃烧为NOx与BSFC的协同优化带来了新的思路，稀释率为1.4、EGR率为5%和10%时，相比原机可以实现5.4%～5.7%的BSFC降幅与33%～38%的NOx降幅.若能提高发动机着火与燃烧稳定性及燃烧效率，拓展稀释燃烧边界，可在继续改善燃油经济性的基础上使NOx排放进一步下降，并控制未燃HC的排放.

2.3 复合稀释燃烧能量平衡分析

为探究复合稀释燃烧降低BSFC的原因，尝试通过能量平衡进行分析.发动机能量平衡主要包括有用功、机械损失、排气损失、未燃损失和传热损失.图9为不同组合方式的复合稀释燃烧的发动机能量平衡分析.其中，有效热效率基于BSFC及燃料热值计算得出，机械损失考虑摩擦损失与泵气损失，而摩擦损失基于摩擦平均有效压力计算得出，排气损失基于排气歧管废气能量与进气能量的差值计算得出，未燃损失主要考虑排气中HC与CO组分，基于相应的质量流量和热值计算得出，传热损失则为燃料总能量与有用功及其他损失之差，最终针对各部分能量与消耗燃料总能量的比值进行比较.

图9 不同稀释率和不同EGR率下复合稀释燃烧能量平衡分析Fig.9Energy balance analysis of lean dilution combustion at different dilution rate with different EGR rate

图9a为无稀释燃烧与稀释率为1.2的复合稀释燃烧的能量分配.其中，EGR率为0时为纯过量空气稀释，EGR率为15%时为纯废气稀释.相比于无稀释燃烧，稀释燃烧降低了缸内燃烧温度和排气温度，使得传热损失降低，但排气质量流量增大，导致排气损失升高.而EGR率越大，燃烧持续期越长，排气温度越低，导致传热损失越高，排气损失越低.在稀释率为1.2时，相比于无稀释燃烧，纯废气稀释的HC与CO排放更高，未燃损失有所增加，而纯过量空气稀释的CO排放大幅降低，未燃损失降低，二者未燃损失相差2.22%，随着EGR率增大，未燃损失呈升高趋势.此外，稀释燃烧使得机械损失轻微上涨，这可能与进气量增多，导致缸内压力更大，活塞与壁面间摩擦增大有关，并且稀释也会导致泵气损失增大.因此，复合稀释燃烧主要依靠降低传热损失与未燃损失，来提高发动机有效热效率.对于稀释率为1.2的复合稀释燃烧，随着EGR率增大，各种能量分配变化的综合作用使得有效热效率呈下降趋势，其中传热损失与未燃损失的贡献程度较大，EGR率为0时的有效热效率比EGR率为15%时高1.15%.

图9b示出稀释率为1.4时复合稀释燃烧的能量分配，相比于稀释率为1.2时，传热损失占比降低，这与缸内温度更低有关；未燃损失、排气损失与机械损失占比均有所升高，这与HC和CO排放更多、进/排气质量流量更大及泵气损失更大有关.与稀释率为1.2时相同，随着EGR率增大，排气损失呈降低趋势，传热损失与机械损失呈升高趋势，未燃损失主要受HC、CO排放影响.相比φa＝1.4、EGR率为0时的纯空气稀释工况，EGR率为5%和10%时，未燃损失升高幅度较小，且排气损失降低明显，使得有效热效率升高，分别达到40.39%和40.25%，而EGR率为5%时的传热损失更低，其有效热效率更高.

3 结 论

针对空气稀释、废气稀释和复合稀释燃烧对高压缩比增压直喷汽油机在中速、中负荷工况下的性能影响展开研究，主要结论如下：

(1) 对于空气稀释和废气稀释，随着稀释率的增大，BSFC受工质比热比与燃烧稳定性影响呈先降低后升高的趋势，空气稀释BSFC更低；空气稀释的HC与NOx排放随稀释率的变化规律与废气稀释有所不同.

(2) 应用耦合空气与废气稀释的复合稀释燃烧时，BSFC在稀释率为1.3和1.4工况下随EGR率增大先降低后升高，这与排气损失与未燃损失的变化有较大关系；在稀释率为1.4时，相比于纯空气稀释，耦合EGR率为5%的复合稀释的BSFC与NOx降幅均更大，这与低压缩比、中小负荷工况下纯空气稀释BSFC最低的规律有所不同，证明了复合稀释燃烧的节能潜力；考虑到试验发动机的点火系统与缸内滚流强度均存在优化空间，因而复合稀释燃烧具备保证NOx排放较低的前提下进一步降低发动机BSFC的潜力.

(3) 结合前人研究，若以全局工况下BSFC最低为目标，可选用纯空气稀释燃烧模式；若针对特定工况下的最佳BSFC及NOx排放性能做综合优化，可通过试验标定结果选用复合稀释燃烧模式，尽管相比于纯空气稀释，HC和CO排放有所升高，但其可在TWC内氧化分解，总体排放性能仍得到改善.