壓縮比及EGR對直噴米勒循環(huán)汽油機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究

李云虹，杜家坤，秦博，陳泓，江梟梟，李艮坤

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

為應(yīng)對全球能源危機(jī)及環(huán)境污染，節(jié)能減排已成為了汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。發(fā)動機(jī)小型化，是指通過提高平均有效壓力來降低氣缸容積而保持功率不變，或者提高功率和扭矩而不增加氣缸容積，同時(shí)提高發(fā)動機(jī)效率。發(fā)動機(jī)小型化是目前最有前途的用來改善油耗及滿足排放法規(guī)的方法之一[1]。為了保證小型化發(fā)動機(jī)正常的功率和扭矩輸出，增加壓縮比是最有效的手段之一[2-4]，但同時(shí)會增加缸內(nèi)燃燒溫度，爆震傾向加劇，一定強(qiáng)度的爆震，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)各組件磨損嚴(yán)重，扭矩和功率迅速下降。對性能直接的影響是造成點(diǎn)火時(shí)刻的推遲，燃燒相位推遲，進(jìn)而造成燃燒惡化，限制了壓縮比增加對汽油機(jī)中高負(fù)荷熱效率和油耗的改善效果。目前已有研究表明，通過提高空燃比和引入EGR等途徑可有效抑制爆震的發(fā)生[5]。Cairns等[6-7]的試驗(yàn)證明，在有效抑制爆震的基礎(chǔ)上，部分負(fù)荷工況下發(fā)動機(jī)使用更高的壓縮比，能使發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)更大的熱效率。

廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)作為降低NOx排放最有效的手段[8]，在柴油機(jī)國Ⅳ和國Ⅴ階段已經(jīng)被大量應(yīng)用。隨著汽油機(jī)小型化的發(fā)展，一些先進(jìn)的柴油機(jī)技術(shù)已經(jīng)被逐步應(yīng)用到汽油機(jī)的發(fā)展上。引入EGR，可提高缸內(nèi)工質(zhì)的比熱容，進(jìn)而降低缸內(nèi)燃燒溫度，可大幅度降低NOx排放，同時(shí)可緩解爆震傾向，降低排氣溫度，從而燃燒相位提前，彌補(bǔ)了壓縮比增加導(dǎo)致點(diǎn)火推遲的不利影響，有效實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性的提升。Diana等[9]利用EGR的稀釋作用，將汽油機(jī)的壓縮比提高到了13.5。Grandin等[10]將渦輪增壓與EGR技術(shù)相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)EGR技術(shù)可在提高平均有效壓力(BMEP)或壓縮比(CR)的情況下有效地抑制爆震。Shojaeefard等[11]基于GT-Power研究了EGR在渦輪增壓汽油機(jī)高負(fù)荷下對爆震和油耗的影響，結(jié)果表明，EGR能有效抑制爆震，并能大大降低燃油消耗及CO、NOx排放。

高壓縮比可有效提高汽油機(jī)的熱效率，但容易引發(fā)爆震，而EGR可在降低排放的同時(shí)有效地抑制爆震，兩種技術(shù)路線相耦合對燃油經(jīng)濟(jì)性和排放的綜合影響目前研究較少，因此，本研究基于一臺1.5 L的汽油機(jī)，研究了壓縮比和EGR耦合對發(fā)動機(jī)燃燒性能和排放的影響。

1 試驗(yàn)研究平臺和試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)裝置與測試設(shè)備

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為一臺排量1.5 L的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，EGR系統(tǒng)采用催化器后取氣引入壓氣機(jī)前的低壓EGR方案，并對EGR進(jìn)行冷卻，通過節(jié)流閥和EGR閥控制EGR率。試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)中發(fā)動機(jī)壓縮比的提升是通過增加活塞頂高度，即縮小活塞上止點(diǎn)位置時(shí)活塞頂距缸蓋的距離實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)燃燒，對奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣凸輪軸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，通過減小進(jìn)氣凸輪包角并配合降低氣門升程實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門提前關(guān)閉，形成米勒(EIVC)效應(yīng)。試驗(yàn)中所選凸輪軸方案見圖1。

圖1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)進(jìn)氣凸輪軸對比

試驗(yàn)臺架所用測功機(jī)為奧地利AVL電力測功機(jī)，采用AVL 735S油耗儀測量發(fā)動機(jī)燃油消耗量，配有753C油溫控制裝置,缸內(nèi)壓力測量采用Kistler 6115B型缸壓傳感器，利用AVL INDICOM燃燒分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理分析，發(fā)動機(jī)原始排放(CO，HC，NOx，CO2，O2等)通過HORIBA MEXA-7100DEGR進(jìn)行測量。EGR率基于進(jìn)排氣CO2濃度進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：CO2in為經(jīng)過再循環(huán)廢氣稀釋后進(jìn)氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)；CO2exh為排氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)；CO2amb為大氣環(huán)境中的CO2體積分?jǐn)?shù)。

1.2 試驗(yàn)研究方案

選取發(fā)動機(jī)典型的特征工況點(diǎn)，針對EGR及壓縮比對發(fā)動機(jī)燃燒及排放的影響開展試驗(yàn)研究，試驗(yàn)工況點(diǎn)選取見圖2。試驗(yàn)過程中點(diǎn)火角均設(shè)定在MBT位置，同時(shí)對于不同負(fù)荷工況，均通過調(diào)節(jié)配氣相位以達(dá)到對應(yīng)最優(yōu)油耗水平。對于渦輪增壓汽油機(jī)，EGR的引入必然會帶來增壓器工作效率的變化，針對EGR進(jìn)行對比時(shí)，EGR閥處于全開狀態(tài)，結(jié)合進(jìn)排氣管壓差、管路壓損、增壓器工作狀態(tài)及混合氣加濃等發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)因素的影響，綜合評價(jià)EGR對增壓直噴汽油機(jī)整體性能的影響程度。

圖2 試驗(yàn)工況的選取

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 壓縮比對發(fā)動機(jī)燃燒特性的影響

圖3示出發(fā)動機(jī)在中等轉(zhuǎn)速(3 000 r/min)不同負(fù)荷工況條件下，壓縮比對發(fā)動機(jī)燃燒特征參數(shù)的影響規(guī)律。從圖3中可以看出，發(fā)動機(jī)中等轉(zhuǎn)速條件下，壓縮比對發(fā)動機(jī)不同負(fù)荷工況燃燒過程的影響存在顯著差異。主要原因在于，壓縮比的提升可有效提高壓縮沖程末期缸內(nèi)溫度及壓力，燃料與空氣所形成的可燃混合氣熱力狀態(tài)得到改善，化學(xué)反應(yīng)速率加快，缸內(nèi)最高燃燒壓力升高，可燃工質(zhì)做功能力增強(qiáng)，燃油消耗率有所降低。受限于發(fā)動機(jī)的爆震特性，中高負(fù)荷工況下，提高壓縮比會導(dǎo)致燃燒相位(AI50)有所推遲。對于低負(fù)荷工況，壓縮比的提升對燃燒相位影響不明顯，但燃燒持續(xù)期(AI10-90)有所延長，燃燒等容度降低。主要原因在于，對于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，燃燒速度不僅受缸內(nèi)混合氣濃度場分布的影響，而且對燃燒過程缸內(nèi)湍動能分布更為敏感。試驗(yàn)中增加壓縮比后，缸內(nèi)活化氛圍及熱氛圍改善，滯燃期縮短。為保證燃燒相位處于適宜位置，需適當(dāng)推遲點(diǎn)火時(shí)刻，由于湍動能耗散的影響，推遲點(diǎn)火時(shí)刻會使燃燒過程缸內(nèi)湍動能分布出現(xiàn)差異，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒持續(xù)期有所縮短。

圖3 發(fā)動機(jī)壓縮比對燃燒特征參數(shù)的影響

圖4示出不同壓縮比下燃油消耗率及泵氣損失特性對比。由圖可知，增大壓縮比有助于改善中、低負(fù)荷工況下的燃油消耗率，但對于高負(fù)荷工況改善效果有所減弱。中等以下負(fù)荷工況，通過提高壓縮比，泵氣損失均有不同程度改善，且平均有效壓力0.8 MPa附近改善效果更為明顯，但隨負(fù)荷繼續(xù)升高，泵氣損失有所增加。綜合缸內(nèi)燃燒壓力、燃燒相位及泵氣損失等多方面影響因素，在中、低負(fù)荷工況下提高壓縮比可使燃油消耗率進(jìn)一步降低。

圖4 不同壓縮比下燃油消耗率及泵氣損失特性

為進(jìn)一步揭示壓縮比對發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律，針對發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速外特性工況燃油消耗率進(jìn)行對比分析(見圖5)。由圖5可見，不同壓縮比條件下，隨轉(zhuǎn)速升高，發(fā)動機(jī)燃油消耗率均呈現(xiàn)先減小后升高的趨勢，主要原因在于隨轉(zhuǎn)速升高，活塞運(yùn)動速度增加，進(jìn)氣沖程中新鮮工質(zhì)流過氣門流速增大，缸內(nèi)滾流強(qiáng)度升高，更高的滾流強(qiáng)度有助于壓縮沖程末期缸內(nèi)高強(qiáng)度湍流的形成，改善湍流燃燒速率，一定程度上抑制爆震傾向。但轉(zhuǎn)速過高易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)運(yùn)動件摩擦副摩擦功增大，摩擦損失增加，燃油消耗率有所升高。對比不同壓縮比情況可以發(fā)現(xiàn)，在外特性工況，與中等負(fù)荷工況不同，高壓縮比限制了油耗的進(jìn)一步改善。主要原因在于，由于爆震的限制，過高的壓縮比會導(dǎo)致燃燒相位進(jìn)一步推遲，燃燒過程更多地在排氣沖程進(jìn)行，此時(shí)活塞下行，做功能力減弱，熱功轉(zhuǎn)化效率降低，燃油消耗率有所升高。

圖5 不同轉(zhuǎn)速外特性工況下壓縮比對燃油消耗率的影響

2.2 EGR技術(shù)對發(fā)動機(jī)燃燒和排放的影響

前期研究表明，提高壓縮比有助于改善熱效率，但會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)爆震傾向增大。為進(jìn)一步改善發(fā)動機(jī)爆震特性，采用冷卻EGR技術(shù)改變進(jìn)氣工質(zhì)屬性，研究EGR率對發(fā)動機(jī)燃燒及排放的影響規(guī)律。圖6示出EGR率對發(fā)動機(jī)典型特征工況燃燒相位(AI50)、燃燒持續(xù)期(AI10-90)的影響規(guī)律。從圖中可以看出，引入EGR后，燃燒相位均有不同程度的提前，燃燒持續(xù)期有所延長，且不同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下引入EGR后對燃燒特征參數(shù)的影響程度存在一定差異。在中等轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷工況下，燃燒相位變動幅度可達(dá)8°，而在低速低負(fù)荷工況，燃燒相位變化不大。主要原因在于再循環(huán)的廢氣中含有大量的CO2、N2、NO、H2O等[12-13]，將其引入缸內(nèi)會導(dǎo)致混合氣比熱容的增加，缸內(nèi)燃燒溫度降低，同時(shí)混合氣中的O2濃度降低，燃料分子與氧分子微觀碰撞速率降低，燃燒化學(xué)反應(yīng)速率變慢，進(jìn)一步抑制末端混合氣的自燃傾向，從而對爆震有一定的改善效果，使得AI50可進(jìn)一步提前，但燃燒反應(yīng)速率變慢導(dǎo)致了燃燒持續(xù)期延長。

圖6 AI50和AI10-90隨負(fù)荷的變化規(guī)律

圖7示出發(fā)動機(jī)不同負(fù)荷下EGR對燃油消耗率和NOx排放的影響對比。小負(fù)荷工況下EGR的引入比較困難，通過增加EGR來減少泵氣損失的效果非常有限，同時(shí)小負(fù)荷工況沒有爆震問題，通過增加EGR優(yōu)化燃燒相位抑制爆震的效果不明顯，因此EGR在小負(fù)荷工況下對油耗的改善效果較小。但在中等負(fù)荷及大負(fù)荷工況，EGR的稀釋效應(yīng)一方面降低了缸內(nèi)平均溫度，發(fā)動機(jī)傳熱損失減少，另一方面通過抑制爆震，使得燃燒過程整體提前，有利于熱功轉(zhuǎn)化，燃油經(jīng)濟(jì)性得到明顯改善。其中，2 000 r/min，平均有效壓力為0.2 MPa時(shí)燃油消耗率較無EGR狀態(tài)降低約0.6%，而對于3 000 r/min，平均有效壓力為1.4 MPa及5 500 r/min外特性工況點(diǎn)，較無EGR狀態(tài)分別改善約6.9%及5.4%。

圖7 燃油消耗率和NOx排放隨負(fù)荷的變化規(guī)律

由圖7還可以看出，引入EGR后，由于燃燒溫度的降低，NOx排放明顯下降。對比圖8 THC及CO的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，由于缸內(nèi)氧濃度及燃燒溫度的降低，中低負(fù)荷工況EGR的引入均會導(dǎo)致未燃HC及CO排放的增加，但在高速外特性工況，由于引入EGR后能夠降低排氣溫度，有助于避免由于排溫過高而采取的混合氣加濃，對燃油經(jīng)濟(jì)性及未完全燃燒產(chǎn)物排放均有益處。

圖8 THC和CO排放隨負(fù)荷的變化規(guī)律

2.3 EGR耦合高壓縮比對燃燒和排放的影響

為進(jìn)一步分析高壓縮比結(jié)合EGR對發(fā)動機(jī)性能的影響，針對不同壓縮比條件下EGR對燃油消耗率的改善率進(jìn)行對比分析。由圖9可以看出，高壓縮比情況下，由于發(fā)動機(jī)爆震區(qū)間增大，EGR對爆震抑制的作用范圍有所擴(kuò)展，中低轉(zhuǎn)速條件下，平均有效壓力為0.5 MPa時(shí)，通過引入EGR，可使燃油消耗率改善約1%。同時(shí)，EGR對燃燒過程的強(qiáng)作用區(qū)逐漸向高速高負(fù)荷方向遷移，并最終使發(fā)動機(jī)在3 250 r/min，平均有效壓力為1.4 MPa時(shí)燃油消耗率由215 g/(kW·h)降低至213 g/(kW·h)。此時(shí)，綜合高壓縮比時(shí)的油耗潛力和EGR對爆震的抑制能力，使得燃燒過程得到進(jìn)一步優(yōu)化，燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善。

圖9 不同壓縮比下EGR對燃油消耗率的改善率分布

3 結(jié)論

a) 提高壓縮比有助于改善中低負(fù)荷工況燃油經(jīng)濟(jì)性，對于3 000 r/min，平均有效壓力為0.2 MPa的典型特征工況點(diǎn)，壓縮比提升一個(gè)單位后，燃油消耗率降低達(dá)5.7%；

b) 提高壓縮比對于大負(fù)荷工況的燃油消耗率改善效果不明顯，尤其對于外特性工況，由于爆震的限制，提高壓縮比會導(dǎo)致油耗明顯惡化；

c) 通過引入再循環(huán)廢氣，可優(yōu)化燃燒過程，降低NOx排放，并抑制爆震的發(fā)生；中等轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷工況下，引入20%EGR后可使燃油消耗率降低達(dá)6.9%，但對于2 000 r/min，平均有效壓力為0.2 MPa的特征工況，油耗改善不明顯；

d) 提高壓縮比并結(jié)合EGR，可擴(kuò)大EGR的作用負(fù)荷工況范圍，進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性，并維持低的NOx排放。