EGR 对GDI 发动机性能优化潜力的研究

张朝辉，黄琳，任培恩，尹丛勃

（1.201805 上海市 上汽大众汽车有限公司；2.200093 上海市 上海理工大学机械工程学院）

0 引言

随着乘用车节能减排法规越发严格，实现内燃机高效燃烧和清洁排放已经成为全世界内燃机科研工作者共同关注的热点问题。根据目前内燃机技术的发展，可变气门正时（VVT）[1]、涡轮增压[2]、可变进气滚流[3]等进气控制手段被认为是降低汽油机燃油消耗率的核心技术。通过VVT 与涡轮增压技术结合，不同行驶工况下发动机都能获得最佳的充气效率，结合可变进气滚流，弥补了低小负荷下缸内混合气湍动能差、燃烧持续期长的问题，很大程度上提升了发动机热效率。

然而高负荷时的过高的充气效率增加了爆震倾向。为进一步提高发动机热效率，降低汽油机燃油消耗率，废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技术应运而生。EGR 技术应用于缸内直喷式发动机上能起到抑制爆震、降低油耗、减少NOX排放的效果，但同时废气的热容效应和稀释作用又会影响发动机工作稳定性和排放[4-7]。过高的EGR 率不仅会导致燃烧效率降低，燃油消耗率增大，CO 和HC 排放上升还会带来燃烧速度缓慢、燃烧循环变动过大和排放恶化等问题[8-9]。

对于点燃式发动机，点火时刻是影响其燃烧过程以及燃烧特性的重要因素。本文拟在上述技术基础之上，探索EGR 优化发动机性能的潜力。本文与已有研究不同之处在于，研究对象为前期标定好的商用缸内直喷汽油机，原机性能指标已经达到较高水平。在动力性边界条件以及不增加燃烧恶化（较大循环变动、过长燃烧持续期）的前提下，通过点火时刻与EGR 率的匹配，寻求EGR 改善发动机经济性及排放的最优解，为现有成熟商业化发动机的性能提升提供技术参考。

1 实验设备及方法

1.1 实验用发动机及测控系统

为了探究低压EGR 系统对发动机综合性能的影响规律，本发动机台架试验设备采用的是2.0 L 4缸缸内直喷涡轮增压SI 发动机。发动机基本的规格参数见表1，发动机搭载低压EGR 系统的总体布置示意图如图1 所示。

表1 发动机参数Tab.1 Engine parameters

图1 台架示意图Fig.1 Schematic diagram of bench

1.2 研究方案

本文选用在乘用车常用转速2 000 r/min 下的涵盖由小到大具有代表性的6 个负荷（BMEP=0.2，0.5，0.8，1.1，1.4，1.8 MPa）进行实验。BMEP=1.8 MPa为2 000 r/min 全负荷工况。实验分2 步进行：（1）通过正交实验法研究单一负荷下EGR 率与点火提前对发动机性能的影响；（2）在2 000 r/min 具有代表性的6 个负荷下，随EGR 率的增加配合最佳点火时刻提前来弥补扭矩下降，找到能维持动力性不变情况下废气稀释上限。

其中计算EGR 率的公式为

式中：CO2（air）、CO2(in)、CO2(exh)——由排放试验设备（信号）测量的环境、进气和排气中的二氧化碳浓度。

为了分析低压EGR 对增压GDI 汽油机性能和燃烧的影响，采用燃烧诊断模型计算了增压GDI汽油机的放热率（HRR）[10-11]，介绍了燃烧诊断模型的假设，根据热力学第一定律，在相态条件下，进气门关闭前后关闭发动机循环的排气门开度HRR可定义为

2 实验结果及分析

图2 为2 000 r/min 全负荷下EGR 率与点火角对发动机燃油消耗率（Brake Specific Fuel Consumption，BSFC）的影响。由图2 可见，随着EGR 率持续上升，废气中的惰性物质会抑制燃烧化学反应速率，降低燃烧效率和燃烧稳定性，造成燃油消耗增大。在EGR 率区间为[0，9]、点火角区间为[-3，-9]时燃油消耗率最低为235 g/(kW·h)，而当点火角为4 °CA时，随EGR 率不断提升，燃油消耗率几乎与油耗的增长呈正相关，最高油耗可达300 g/(kW·h)较最低燃油消耗率增加27%，可以看出EGR 率与点火角的匹配对发动机经济性的提升有着十分重要的意义。

图2 DOE 油耗示意图Fig.2 DOE fuel consumption diagram

图3 为2 000 r/min 全负荷下EGR 率与点火角对发动机扭矩的影响。由图3 可见，在点火角一定的情况下，随EGR 率不断上升，发动机动力性不断下降。结合图4 定点火角随EGR 率上升缸压曲线的变化可以看出，EGR 的稀释和热容效应导致可燃混合气浓度降低，燃料燃烧所释放的能量降低，最大爆发压力随EGR 率上升不断下降，最大下降3 MPa，燃烧持续期延长，燃烧重心不断向后偏移，发动机热效率降低。

图3 DOE 扭矩示意图Fig.3 DOE torque diagram

图4 定点火角缸压曲线Fig.4 Cylinder pressure curve of fixed fire angle

图5 为不同负荷下扭矩和点火提前角随EGR 率的变化关系。可见，在动力性不变的前提下，通过改变点火提前角可使发动机获得更大的废气稀释上限。

图5 EGR 对动力性影响Fig.5 Effect of EGR on power performance

由图5 可以看出，不同负荷下EGR 的耐受性差异很大，全负荷下（BMEP=1.8 MPa 时）EGR 率的极限为12%，当进一步增大EGR 率，点火角的提前便不再能够弥补动力性的损失。中等负荷下（BMEP=0.8，1.4，1.1，0.8 MPa），EGR 率可提升到20%及以上，主要原因是中负荷下原机状态节气门开度未开到最大，通过提升充气效率配合点火参数优化可在维持动力性不变的情况下获得更大的EGR 率。而低小负荷下（BMEP=0.2 MPa）时，由于低小负荷下可燃混合气质量小，湍动能低不易点燃，若给与过高的EGR 率会导致缸内燃烧恶化，大概率发生失火。

图6 为2 000 r/min BMEP=1.8 MPa 优化点火参数后的缸压曲线。对比图4 同工况定点火角缸压曲线可知，EGR 率与点火角进行最优匹配后随EGR率的提升缸压曲线可维持与原机（EGR 率=0%）相当水平，甚至最大爆发压力可超过原机水平（如图6 所示，当EGR 率=3%，6%配合点火角提前缸内峰值压力均超过原机EGR=0%的状态）。

图6 优化点火参数后的缸压曲线Fig.6 Cylinder pressure curve after optimizing ignition parameters

由图7 可以看出，EGR 的稀释上限随负荷增大呈现“先扬后抑”的趋势，具体原因已在前文阐明。EGR 率在中负荷工况（BMEP=0.8 时）可达到22.5%，配合点火角对燃烧相位的优化，发动机动力性可保持与原机相当水平。

图7 动力性表现Fig.7 Dynamic performance

结合图8可以看出，小负荷工况（BMEP=0.2～0.5 MPa）EGR 对经济性影响有限。这主要是因为低速小负荷工况的发动机泵气损失较大，造成发动机油耗偏大，但是EGR 的引入可以降低燃烧温度，使火焰层流速度减小，进而燃烧速度变缓，起到降低爆震的作用。因此实验过程中引入EGR 后可以对点火提前角适当提前，点火角的提前幅度在10°CA左右。总体来说低速小负荷在加载EGR 后，发动机整体的油耗经济性表现并不是很突出。而中高负荷下（EGR=0.8，1.1，1.4，1.8 MPa），EGR 对发动机的经济性影响显著，各工况EGR 引入后均带来了一定程度的燃油消耗率降低，其中燃油消耗率可降低10～20 g/(kW·h)。最佳经济点（BMEP=1.4 MPa）的燃油消耗率为212 g/(kW·h)（热效率37%）。

图8 经济性表现Fig.8 Economic performance

为有效避免爆震对发动机的损坏，原机在各种工况下的爆震指数控制在0.5 MPa 以下。由图9 可知，采用EGR 后，低负荷工况下的爆震指数明显降低。在BMEP ≥1.1 MPa 的中、大载荷工况下，各工况的爆震指数基本相当于原机，且明显低于原机（EGR=0%）。

图9 爆震指数与循环变动Fig.9 Knock index and cycle variation

采用EGR 后，低负荷工况下的燃烧循环变化有一定程度的降低，降低增幅为1%。在中等负荷0.8～1.4 MPa 的BMEP 下，使用EGR 后的燃烧循环变化没有明显的增加趋势，然而随负荷增大，缸内循环变动呈现快速上升趋势，在中高负荷（BMEP=1.4 MPa）下EGR 引入后COV 略有降低，全负荷工况（BMEP=1.8 MPa）时，EGR 引入后会造成过大的循环变动（COV 达到3.4%，较原机增加1%以上），这也是高负荷下无法进一步提升废气稀释上限的主要原因。

为研究优化点火参数后EGR 对直喷式汽油机排放特性的影响，对引入EGR 前后的NOX、HC 和CO 排放进行了分析。图10 为引入EGR 前后不同工况下的NOX、HC 和CO 排放。从图10 可知，在动力性不变的前提下，EGR 的引入可显著降低NOX的污染排放，特别是在中、高负荷工况（BMEP=0.5～1.4 MPa），NOX下降在60%以上，个别条件的下降率达80%～90%（BMEP=1.1 MPa，NOX下降83%）。在全负荷条件下，NOX的降低也很明显，BMEP=1.8 MPa 时NOX降低了59%。

图10 排放示意图Fig.10 Emission diagram

3 结论

（1）动力性边界条件下，通过优化点火参数，EGR 的废气稀释上限在中等负荷（BMEP=0.8～1.4 MPa）明显高于其他负荷（BMEP=0.2，0.5，1.8 MPa），最高可以达到22.5%。

（2）在中、高负荷（BMEP=0.8，1.1，1.4，1.8 MPa）工况下，EGR 经济优势开始显现。通过优化点火正时，可使AI50 提前2～9°CA，燃油经济性提高2.6%～10%，最低油耗降低到213 g/(kW·h)（ηe=36.8%）。

（3）动力性边界条件下，EGR 引入对NOx排放影响显著，各工况下平均降低60%，个别工况降低80%～90%（BMEP=1.1 MPa，83%）。引入EGR 后HC 排放增加，平均增加32%。与此同时，EGR 的引入可显著降低CO 排放，各工况下平均降低22%。

（4）限制EGR 在高负荷下废气稀释上限的主要因素是循环变动和EGR 出口温度。高负荷下COV 对EGR 的引入反应敏感，BMEP=1.8 MPa 时EGR 的引入造成COV 显著增加（COV 达到3.4%，较原机增加1%以上）。