廢氣再循環對米勒循環汽油機性能及顆粒物排放特性的影響

李艮坤 李云虹 于士博 章 成 莫德志 楊科文

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 廣東 廣州 511434）

引言

隨著地球環境污染加深及石油資源減少，節能減排成為汽車行業發展的主流[1]。目前，大部分汽車企業通過發動機排量小型化及提高壓縮比來實現節能減排[2]。與此同時，也面臨著排放惡化及爆震傾向加劇等問題。采用廢氣再循環（EGR）技術，可提高缸內工質的比熱容，降低缸內燃燒溫度，優化燃燒過程，使燃燒相位得到提前，從而有效地抑制爆震，提高發動機的燃油經濟性及熱效率[3]。賈寧等[4]的試驗證明，汽油機采用合適的EGR 率后發動機爆震發生次數減少。吳達等[5]從降低缸內燃燒溫度及減少泵氣損失角度所進行的試驗證明，引入EGR 有助于提高發動機熱效率。

同時，隨著人們對空氣質量要求的提高，對大氣中懸浮顆粒的危害越發重視。而汽油機尾氣是大氣環境中顆粒物排放的主要來源[6]，城市空氣中40%的NOx、60%的CO 及70%的HC 產自汽車發動機尾氣排放[7]。隨著排放標準的愈加嚴格，如何實現發動機燃料更清潔燃燒成為各汽車企業面臨的主要問題[8]。劉鴻淼等[9]的研究表明，引入EGR 可顯著降低NOx排放，但進入氣缸內的廢氣不利于降低發動機顆粒物數量排放。潘鎖柱等[10]在直噴汽油機上進行的EGR對發動機燃燒及排放特性研究表明，NOx排放隨著EGR 率的提高而降低，但HC 和CO 排放隨著EGR率的提高而升高。Thomas Lattimore 等[11]進行的EGR 對直噴汽油機顆粒物排放的影響表明，隨著EGR 率的提高，積聚態微粒數量增加而核膜態微粒數量減少。

以往的研究在傳統奧托循環汽油機領域取得了大量研究成果，但由于米勒循環汽油機通常采用更高的壓縮比，需要更高的EGR 率，使得燃燒及排放與傳統奧托循環汽油機產生較大差異?；谝陨涎芯勘尘?，本文針對發動機EGR 廢氣溫度及EGR 率對發動機性能及顆粒物排放的影響進行了研究，旨在為米勒循環汽油機EGR 系統開發提供理論指導。

1 試驗研究平臺及試驗條件

1.1 試驗裝置及試驗條件

本試驗研究采用一臺單缸熱力學汽油發動機，進氣壓力采用模擬增壓系統進行控制，采用可編程的時序控制模塊對噴油時刻、噴油脈寬及點火提前角進行調整。試驗用發動機主要技術參數見表1。

表1 試驗用發動機主要技術參數

單缸熱力學汽油發動機帶有一套EGR 廢氣溫度控制系統，再循環廢氣通過水冷散熱器進行散熱，EGR 廢氣出口端溫度由K 型傳感器采集并反饋到溫度控制模塊，溫度控制模塊根據設定溫度目標值控制電動球閥開度，對進入散熱器的冷卻水流量進行調節，達到控制EGR 廢氣溫度的目的。

測控系統主要包括AVL PUMA 瞬態測功機、AVL577 油水恒溫循環控制單元、AVL 515 進氣溫度壓力控制單元、Scienlab 噴油控制單元、自研35 MPa燃油控制系統及時序控制單元等。氣缸壓力采用Kistler 6054BR 氣缸壓力傳感器進行測量；曲軸轉角信號由AVL 365C 角標儀輸出；利用AVL Indicom 系統對燃燒過程氣缸壓力及曲軸轉角信號進行采集，曲軸轉角信號采集分辨率為0.5°CA，采集過程中對每50 個循環進行平均以消除誤差。排放設備包括：一臺HORIBA MEXA-7100DEGR，用于CO2濃度測量；一臺Combustion DM500 發動機瞬態顆粒排放分析儀，用于尾氣顆粒物測量。DM500 測量粒徑的范圍為5 nm～1 μm，響應時間為200 ms，采集頻率為10 Hz。

圖1 為試驗臺架示意圖。

圖1 試驗臺架示意圖

1.2 試驗方法

試驗用發動機的轉速為2 750 r/min，進氣溫度保持在（30±2）℃，冷卻水溫度保持在（65 ±2）℃，固定進排氣門正時相位，噴油壓力控制在35 MPa，缸內平均指示壓力循環變動系數（COV）控制在3%以內，采用單次噴射。在上述條件下，分別調整噴油量、進氣量及點火時刻，使缸內平均有效壓力IMEP=0.7 MPa 及IMEP=1.05 MPa，并保持空燃比為14.7。通過HORIBA MEXA-7100DEGR 分別測量26 ℃、36 ℃EGR 廢氣溫度下發動機進出口CO2濃度?；谶M排氣CO2濃度計算的EGR 率為：

式中：CO2in為經過再循環廢氣稀釋后進氣中的CO2體積分數；CO2exh為排氣中的CO2體積分數；CO2amb為大氣環境中的CO2體積分數。

在不同EGR 率下對發動機測量參數、燃油消耗率及排放顆粒物進行測量記錄。AI50 定義為發動機燃料燃燒時產生50%放熱量所對應的曲軸轉角，°CA；燃燒持續期（AI10～AI90）定義為燃料燃燒時產生10%～90%放熱量所對應的曲軸轉角，°CA。

2 試驗結果與分析

2.1 EGR 對發動機燃燒特性的影響

圖2 為不同EGR 率下EGR 廢氣溫度對燃燒特征參數的影響對比。圖2d 中，縱坐標上的負值表示點火提前角，°CA BTDC。負值越大，表示點火提前角越大，點火越提前。

圖2 EGR 率對發動機燃燒特性的影響

從圖2 可以看出：

1）當IMEP=0.7 MPa 時，由于發動機負荷較小，缸內燃燒溫度低，EGR 廢氣對缸內溫度的影響效果不明顯，AI50 無明顯變化；但在不同EGR 廢氣溫度及工況下，燃燒持續期都呈現延長趨勢。繼續提高EGR 率時，燃燒持續期的增幅趨于平緩。小負荷工況下，燃燒持續期隨EGR 率提高而延長的主要原因是EGR 率不斷提高后，EGR 廢氣對發動機缸內的冷卻效果越發顯著，缸內氧濃度降低，燃燒反應速度減慢，導致燃燒持續期延長。

2）當IMEP=1.05 MPa 時，隨著EGR 率的提高，AI50 呈先增加再減小的趨勢，發動機滯燃期、燃燒持續期變長，點火提前角先減小后增大；當EGR率提高至5%時，AI50 增加5°CA，點火提前角減小1.5°CA。主要原因在于，當EGR 率較低時，再循環廢氣對缸內的冷卻效果不明顯，此時，為達到相同的IMEP 目標，需進一步提高發動機進氣壓力，導致混合氣壓縮終了的溫度及壓力升高，末端混合氣所處的環境壓力及溫度上升，增大了發動機的爆震傾向。因此，需將點火提前角減小，即將點火推遲；同時，AI50 相應增加。EGR 率繼續提高，再循環廢氣對缸內燃燒溫度升高的抑制效果增強，發動機的爆震傾向減弱。但缸內氧濃度及燃燒溫度降低，導致燃燒持續期延長，使得發動機的燃燒循環波動變大，為了控制COV 處于合理范圍，需將點火提前角增大，即點火提前。

2.2 EGR 對發動機性能的影響

圖3 為不同EGR 率下EGR 廢氣溫度對燃油經濟性影響對比。

圖3 EGR 率對燃油消耗率及總指示熱效率的影響

從圖3 可以看出：

1）小負荷工況，隨著EGR 率的提高，燃油消耗率大體呈下降趨勢。燃油消率耗下降的原因為：當EGR 率提高時，進入發動機氣缸內的再循環廢氣增加，導致混合氣總量及比熱容增大，對缸內燃燒溫度的抑制進一步增強，燃燒持續期延長，最終導致燃油消耗率下降及熱效率升高。

2）大負荷工況，隨著EGR 率的提高，燃油消耗率呈現先升高后下降的趨勢。低EGR 率時，燃油消耗率升高的原因為：爆震傾向加劇，導致AI50 增加，燃燒持續期延長，為達到相同的IMEP 目標，需進一步加大噴油量，最終導致燃油消耗率上升，熱效率下降。

3）對比各IMEP、EGR 廢氣溫度工況0%EGR 率及17%EGR 率的燃油消耗率發現，IMEP=1.05 MPa、EGR 廢氣溫度為26 ℃時，燃油消耗率降低約5.6%，熱效率得到相應提高。

2.3 EGR 對發動機顆粒物排放的影響

圖4 為EGR 對發動機顆粒物排放的影響。

圖4 EGR 對發動機顆粒物排放的影響

從圖4a 和圖4b 可以看出，小負荷工況、各EGR廢氣溫度下，顆粒物排放曲線呈單峰形態，顆粒物排放主要以50～70 nm 直徑的積聚態形式存在；隨著EGR 率的提高，顆粒物數量排放峰值升高。這是由于缸內燃燒溫度低，未燃碳氫化合物更容易冷凝；加上混合氣中含氧量降低，使未燃碳氫化合物難以在后續燃燒中繼續氧化，導致顆粒物排放升高。

從圖4c 和圖4d 可以看出，大負荷工況、各EGR廢氣溫度下，顆粒物排放曲線呈緩和雙峰分布形態，核膜態顆粒物排放較多集中于5～20 nm 附近，而積聚態顆粒物排放主要集中于50～60 nm 附近；隨著EGR 率的提高，核膜態顆粒物排放峰值降低，積聚態顆粒物峰值升高。這是由于積聚態顆粒物具有較大的表面積，更易于吸附缸內未燃HC 成分，使得核膜態顆粒物數量增長受到抑制，而積聚態顆粒物數量相應增加。

從圖4 可以看出，對比不同EGR 廢氣溫度可知，由于不同溫度條件下，燃燒過程均為當量燃燒模式，混合氣濃度整體相當，因此EGR 廢氣溫度對顆粒物數量排放的影響相對不明顯。

3 結論

1）引入再循環廢氣有助于減小發動機爆震傾向，發動機點火提前角加大，即點火提前。但大負荷工況低EGR 率時，發動機爆震傾向增大。對于轉速為2 750 r/min、IMEP=1.05 MPa 工況，EGR 率為5%時，相對于0%EGR 率，AI50 增加5°CA，點火提前角減小1.5°CA；EGR 率提高至17%時，相對于0%EGR率，AI50 減小3.5°CA，點火提前角增大20.5°CA。

2）引入廢氣再循環技術可有效降低發動機的燃油消耗率，提高發動機熱效率。相比于0%EGR 率，17%EGR 率的燃油消耗率降低約5.6%，熱效率得到相應提高。

3）各工況下，EGR 率對發動機顆粒物數量排放的影響存在差異。小負荷工況，隨著EGR 率的提高，顆粒物數量排放峰值升高。大負荷工況，隨著EGR率的提高，核膜態顆粒物排放峰值降低，積聚態顆粒物峰值升高。各工況下，EGR 廢氣溫度對發動機顆粒物數量排放的影響相對不明顯。