米勒增压直喷汽油机应用LPEGR 的试验研究*

吴威龙 林思聪 陈砚才 侯 龙 李钰怀 郑险峰

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东 广州 511434）

引言

近年来，为了满足严格的油耗和排放法规，各种发动机新技术得到不断应用。汽油机增压直喷小型化是改善整车循环油耗的有效举措，但是，进一步小型化会面临爆震、早燃和可靠性不佳等问题[1-2]。EGR技术可以有效缓解这些问题，同时有利于燃油经济性进一步改善。因此，增压直喷小型化汽油机应用EGR 技术已成为业内关注的焦点[2-4]。相比于HPEGR（high pressure exhaust gas recirculation，高压废气再循环）和混合EGR，LPEGR（low pressure exhaust gas recirculation，低压废气再循环）在应用工况范围、爆震抑制能力等方面更有优势[5]。

本文首先就LPEGR 对米勒增压直喷汽油机小、中、大负荷油耗和排放的影响进行了分析，接着阐述了进气节流阀的效果，最后对不同漏气量的2 种节流阀优化EGR 阀压比的效果进行了比较分析。

1 试验装置和试验方法

试验装置如图1 所示。

图1 试验装置示意图

试验用发动机是一台3 缸直列米勒增压直喷汽油机，其主要结构参数见表1。

表1 试验发动机主要结构参数

小漏气量节流阀管内径为60 mm，阀板直径为60 mm；大漏气量节流阀管内径为60 mm，阀板直径为57 mm。

在每个测试工况，逐步增加EGR 到发动机稀释边界（指示平均有效压力变化系数COV_IMEP=4%）。

2 结果及讨论

2.1 LPEGR 对小负荷油耗的影响

图2 为EGR 率对小负荷COV_IMEP 和燃烧持续期的影响。

图2 小负荷COV_IMEP 和燃烧持续期随EGR 率的变化

从图2 可以看出，小负荷时，随着EGR 率逐步加大，COV_IMEP 逐渐增加，造成燃烧不稳定。在2 000 r/min@0.5 MPa 时应用20%EGR，COV_IMEP增加到7.3%，这是不能接受的。随着EGR 率增加，燃烧持续期逐渐加长，主要是因为EGR 的稀释作用降低了燃烧速度。

图3 为EGR 率对小负荷进气压力和PMEP（泵气损失）的影响。

图3 小负荷进气压力和PMEP 随EGR 率的变化

从图3 可以看出，随着EGR 率逐渐增加，泵气损失持续下降。引入EGR 后，为了达到相同的BMEP（平均有效压力），需要加大节气门开度，从而使进气压力逐渐增加。

图4 为EGR 率对小负荷比油耗和油耗下降率的影响。

图4 小负荷比油耗和油耗下降率随EGR 率的变化

因为小负荷时，通过VVT 优化，充分利用了米勒效应和内部EGR 来降低泵气损失，其燃烧相位处在最优位置，再引入外部EGR，虽然一定程度上可以进一步降低泵气损失，但是引入的外部EGR 延长燃烧持续期和降低燃烧效率的作用越来越突出，最终使得节油效果不理想。从图4 可以看出，2 000 r/min@0.4 MPa 时的油耗甚至有少许升高。

2.2 LPEGR 对中负荷油耗和排放的影响

图5 为EGR 率对中负荷点火提前角和AI50 的影响。

图5 中负荷点火提前角和AI50 随EGR 率的变化

从图5 可以看出，中负荷时，随着EGR 率增加，点火提前角可以逐渐加大，从而使燃烧相位AI50 得到改善，逐渐提前到最优位置8°CA 附近。主要是因为EGR 中的惰性气体（CO2和水蒸气）比热容较大，造成混合有废气的缸内工质的总热容升高，也就是废气的热容作用降低了缸内气体的燃烧温度和延迟了自燃[6]，抑制了爆震，使得点火角提前可以加大。

图6 为EGR 率对中负荷气缸压力和瞬态放热率的影响。

图6 中负荷气缸压力和瞬态放热率随EGR 率的变化

从图6 可以观察到，随着EGR 率的增加，缸内爆发压力增加，并且其相位逐渐靠近上止点；而放热率峰值呈下降趋势，但整个燃烧相位向上止点逐渐逼近。

图7 为EGR 率对中负荷进气压力和EWG（电子废气旁通阀）开度的影响。

图7 中负荷进气压力和EWG 开度随EGR 率的变化

引入到气缸的废气取代了一部分新鲜空气，降低了氧的浓度。EGR 的这种稀释作用使得进入缸内的新鲜空气减少，为了达到相同的BMEP，需要增大进气压力以保证一定的进气量。从图7 可以看出，随着EGR 率的增加，进气压力逐渐升高。但是进气压力的升高会受到增压器增压能力的限制。随着EGR率的增加，EWG 开度越来越小。2 000 r/min@1.2 MPa时应用28%EGR，EWG 几乎全关，进气压力上不去，也就达不到相同的BMEP。所以，中负荷时，EGR 的应用除了受到燃烧稳定性的限制，还受到增压能力的限制。

图8 为EGR 率对中负荷COV_IMEP 和PN 的影响。

从图8 可以看出，当EGR 率小于22%时，中负荷的COV_IMEP 没有明显变化，对EGR 率不敏感，即中负荷时，在燃烧稳定性方面可以容忍较高的EGR 率；而中负荷时采用EGR，可以降低PN，下降率高达76%。

图8 中负荷COV_IMEP 和PN 随EGR 率的变化

图9 为EGR 率对中负荷比油耗和油耗下降率的影响。

图9 中负荷比油耗和油耗下降率随EGR 率的变化

由图9 可以看出，随着EGR 率的增加，中负荷的油耗先呈下降趋势。这主要得益于EGR 减轻了爆震倾向，优化了点火提前角，使燃烧相位和缸内爆发压力向上止点迁移，提高了热效率。2 000 r/min@1.2 MPa 时应用22%EGR，节油率最高可达5.6%。当EGR 率增加至28%时，油耗反而会升高。主要是因为COV_IMEP 急剧增加到7%（见图8），燃烧不稳定和燃烧效率下降所致。

图10 为EGR 率对中负荷THC 和NOx排放的影响。

图10 中负荷THC 和NOx 排放随EGR 率的变化

从图10 可以看出，随着EGR 率的增加，中负荷的THC 排放逐渐增加。主要是因为EGR 较强的稀释作用导致燃烧不稳定和降低了缸内气体温度，产生较严重的壁面淬熄。另外，缸内燃烧温度降低，使后期的氧化能力下降[7]。综合使得THC 排放逐渐增加；随着EGR 率的增加，NOx排放逐渐下降。当EGR率增加至20%时，NOx排放下降率达76%。主要是因为燃烧持续期延长和缸内温度下降，使得NOx生成大幅下降。

2.3 LPEGR 对大负荷油耗和排放的影响

图11 为EGR 率对大负荷COV_IMEP 和涡前排气温度的影响。

图11 大负荷COV_IMEP 和涡前排气温度随EGR 率的变化

从图11 可以看出，大负荷时，随着EGR 率的逐步加大，COV_IMEP 逐渐增加，并且对EGR 率比较敏感。2 000 r/min@1.6 MPa 时应用11%EGR，COV_IMEP 就会大于4%。大负荷时，EGR 应用上限同样受到COV_IMEP 和增压能力的限制。另外，随着EGR 率的增加，涡前排气温度逐渐下降。这主要是因为EGR 的稀释作用和热容作用，加上点火提前角加大，使得涡前排气温度下降。2 000 r/min@1.4 MPa 时引入15%EGR，涡前排气温度可降低57 ℃。若在高转速加浓工况引入EGR，可以减少加浓，进一步达到节油效果。

图12 为EGR 率对大负荷PMEP 和指示热效率的影响。

图12 大负荷PMEP 和指示热效率随EGR 率的变化

从图12 可以看出，随着EGR 率的增加，大负荷的泵气损失逐渐增加。这主要是因为大负荷时，EWG开度本来相对较小，引入EGR 后，为了提高进气量，需要进一步减小EWG 开度，致使排气压力上升较大，从而增大了排气损失。

图13 为EGR 率对大负荷油耗下降率和AI50的影响。

图13 大负荷油耗下降率和AI50 随EGR 率的变化

从图13 可以看出，引入EGR，抑制了爆震，可使点火提前角加大，改善燃烧相位。另外，引入EGR后，缸内燃烧温度降低，使缸内传热损失降低，最终使指示热效率逐渐增加，从而实现节油。2 000 r/min@1.4 MPa 时应用15%EGR，可以节油3%。

图14 为EGR 率对大负荷THC 和NOx排放的影响。

图14 大负荷THC 和NOx 排放随EGR 率的变化

从图14 可以看出，与中负荷类似，大负荷时，随着EGR 率的增加，THC 排放逐渐增加，NOx排放逐渐下降。

2.4 进气节流阀的效果

采用节流阀与不采用节流阀的EGR 率比较如图15 所示。

图15 有节流阀与无节流阀的EGR 率差值

从图15 可以明显看出，采用节流阀产生压差，在2 500 r/min 以下转速，可以引入更多的EGR。转速越低，可以引入的EGR 相对更多，进气节流阀的效果越突出。

图16 为有节流阀与无节流阀的节油率差值对比。

图16 有节流阀与无节流阀的节油率差值

从图16 可以看出，采用节流阀，主要在低转速中小负荷区域带来平均约1%的节油效果。在1 250 r/min@1.0 MPa 工况，节油率可达2.6%。

2.5 不同漏气量节流阀的效果比较

将采用小漏气量节流阀的结果与采用大漏气量节流阀的结果作差处理（相减）。

1）保持EGR 阀和节流阀开度一致。挑选出用到节流阀的工况，保持同样的EGR 阀和节流阀开度，进行测试。

图17 为保持EGR 阀和节流阀开度一致时EGR率差值和EGR 阀前温度差值。

图17 保持EGR 阀和节流阀开度一致时EGR 率差值和EGR 阀前温度差值

从图17 可以看出，总体上小漏气量节流阀可以引入更多的EGR，尤其在小节流阀开度（＜30%）时较为明显。因为引入的EGR 量增加，EGR 阀前温度有所上升。

图18 为保持EGR 阀和节流阀开度一致时EGR阀后压力差值与EGR 阀前压力差值。

图18 保持EGR 阀和节流阀开度一致时EGR 阀后压力差值与EGR 阀前压力差值

从图18 可以看出，保持相同EGR 阀和节流阀开度的情况下，采用小漏气量节流阀。在小节流阀开度时，EGR 阀后压力有小幅下降，但是EGR 阀前压力同样有小幅下降。这主要是因为当前大部分试验工况的EGR 阀开度较大，为60%～80%。

图19 为保持EGR 阀和节流阀开度一致时EGR阀压差差值与EGR 阀压比差值。

从图19 可以看出，采用小漏气量节流阀的EGR阀压差上升幅度较小，EGR 阀压比降低幅度较小。

图19 保持EGR 阀和节流阀开度一致时EGR 阀压差差值与EGR 阀压比差值

2）保持EGR 率一致。挑选出用到节流阀的工况，保持同样的EGR 率进行测试。为了降低EGR 阀压比，将EGR 阀开度关小至40%，同时节流阀也需关小。

图20 为保持EGR 率一致时EGR 阀后压力差值与EGR 阀前压力差值。

图20 保持EGR 率一致时EGR 阀后压力差值与EGR 阀前压力差值

从图20 可以看出，保持相同EGR 率的情况下，采用小漏气量节流阀的EGR 阀后压力下降较为明显，最大下降达60 hPa，而EGR 阀前压力基本没有下降。

图21 为保持EGR 率一致时EGR 阀压差差值与EGR 阀压比差值。

图21 保持EGR 率一致时EGR 阀压差差值与EGR 阀压比差值

从图21 可以看出，保持相同EGR 率的情况下，采用小漏气量节流阀的EGR 阀压差上升幅度较大，EGR 阀压比降低幅度较大，最大达0.06，有利于EGR 模型的控制，可提高EGR 模型控制算法的鲁棒性。

3 结论

1）小负荷通过VVT 优化，充分利用米勒效应和内部EGR 来降低泵气损失，其燃烧相位本是最优，再引入LPEGR 后，节油效果不理想。

2）中负荷应用LPEGR，会受到COV_IMEP 和增压能力限制。当EGR 率小于22%时，中负荷时COV_IMEP 对EGR 不敏感；2 000 r/min@1.2 MPa 时应用22%EGR，可以降低油耗5.6%。主要得益于EGR 抑制了爆震，点火提前角加大，改善了燃烧相位；EGR 可以降低中负荷的PN 和NOx排放，但会增加THC 排放。

3）大负荷时，LPEGR 应用上限同样受到COV_IMEP 和增压能力限制，并且大负荷时COV_IMEP对EGR 比较敏感；EGR 可以降低涡前排气温度；2 000 r/min@1.4 MPa 时应用15%EGR，可以节油3%。主要是因为引入EGR 后，燃烧相位改善和缸内传热损失下降。

4）采用进气节流阀，在低转速中小负荷区域可节油约1%；保持相同的EGR 阀和节油阀开度，EGR阀开度较大时，采用小漏气量节流阀，EGR 阀前后压力会同时下降，EGR 阀压比较难降低；保持相同的EGR 率，采用小漏气量节流阀，EGR 阀压比降低幅度较大，有利于EGR 模型的控制，提高EGR 模型控制算法的鲁棒性。