孙宾宾，常思勤，刘 梁

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

前言

废气再循环(EGR) 已被证实是降低汽油机NOx排放的有效措施之一[1]。内部EGR由于需要可变配气机构以及存在废气冷却困难等问题，目前应用还较少。文献[2]中研究了利用可变排气正时(开启和关闭时刻) 实现汽油机内部EGR的技术方案，并通过多目标遗传优化算法对排气正时进行了优化，取得NOx排放和有效燃油消耗率(BSFC)平均 分别降低71%和6%的结果。文献[3]中在乘用车柴油机上研究了各种以降低NOx排放和BSFC为目的的内部EGR方案，主要由于高温废气难以冷却的原因，内部EGR未能取得满意的效果。文献[4]中通过“负气门重叠角”(排气门提前关闭，进气门延迟开启)技术，采用“废气滞留(exhaust gas trap, EGT)”方案来实现内部EGR。在一台直喷汽油机上的试验结果表明，采用EGT方案时，由于缸内压力提高(主要在排气行程后期和进气行程前期)、压差减小和油门开度加大，降低了部分负荷工况下的泵气损失，使燃油经济性提高5%～16%，排放降低。尤其是由于最高燃烧温度的降低，NOx排放下降了70%以上；但随着EGT程度的提高，循环波动加大，燃烧过程延长，不过这可通过增加点火提前角等措施来改善。

另一方面，全柔性的可变配气机构是近年来发动机技术领域的前沿之一[5-7]，应用全柔性的可变配气机构取代常规发动机中的凸轮驱动配气机构，能够实现根据工况对发动机每一气门的运动规律进行独立、连续可变、实时的调节。充分利用全柔性的可变配气机构所提供的设计与控制的自由度和优化空间，可以显著提高发动机的节能与环保性能。

1 技术方案

自行研制的EMVT[8-9]是一种全柔性的可变配气机构(图1)，已研制了多轮样机并进行了性能测试，具备了在发动机上应用的基本条件。

本文中提出了一种应用EMVT在排气过程中通过单进气门二次开启来实现发动机内部EGR的技术方案，并针对这一方案对进气门正时和升程进行了试验调试(排气门曲线采用原机数据)。试验结果表明，基于该EMVT的进气门可以满足这一技术方案的调节需求，如图2所示。

2 汽油机基本参数与仿真模型

所研究的汽油机的主要参数见表1。

表1 汽油机主要参数

采用发动机工作过程一维数值仿真软件AVL BOOST建立汽油机工作过程的仿真模型，缸内传热采用Woschnil1978模型，摩擦损失压力采用Chen-Flynn的关系式，燃烧模型采用Fractal准维燃烧模型，并根据原机试验数据进行验证(图3)，模型的误差可以控制在5%以内。因此，可以利用该模型进行发动机内部EGR的研究。

在上述模型的基础上，将节气门装置拿掉，并将进气门的驱动方式改为电磁驱动形式，且保持第二次进气开启角为360°CA不变，排气门仍采用凸轮驱动，完成基于EMVT的内部EGR仿真建模。由于进气门二次开启方案会使进气道的温度提高，为保证模型的精度需要考虑进气道传热。

与韦伯燃烧模型相比，Fractal准维燃烧模型可以通过一些影响燃烧过程的基本物理量来预测汽油机的燃烧规律而不是预先给定燃烧速率曲线[10-12]。该模型的燃烧速率公式如下：

dmb/dt=ρuATSL

(1)

式中:ρu为未燃混合物密度；AT为湍流火焰面积，它反映了湍流对燃烧速率的影响程度。有关湍流的产生和耗散参数参考文献[13]进行了修正，该文献研究了这款发动机应用EMVT后缸内湍动能较原机的变化情况。SL为层流火焰传播速度，由于该值与残余废气量、缸内温度和压力直接相关，在进行内部EGR仿真分析时需要重点研究该值。

对于AVL BOOST程序，参考文献[10]中的公式对层流火焰速度进行了计算，即

SL=SL0(Tu/Tu.ref)γ(P/Pref)β(1-mfRG)d

(2)

式中：SL0为参考层流火焰速度，其值与燃料性质有关；Tu.ref=298K和Pref=101.3kPa分别为参考温度和参考压力；γ和β分别为温度和压力指数；mfRG为残余废气系数；d为残余废气对层流火焰速度的影响参数(文献[10]中推荐为2)。

文献[14]中通过试验总结了各种燃料-空气混合物在内燃机中的层流火焰速度经验公式：

SL=SL0(Tu/Tu.ref)γ(P/Pref)β(1-2.1Ydil)

(3)

式中Ydil为残余废气系数。

研究结果表明，当EGR率较小时，式(2) 中d取2计算得到的层流火焰速度较式(3) 计算得到的值相差很小;但是当EGR率较高时，若不对d值进行修正，那么其计算得到的层流火焰速度要明显高于式(3) 得到的值，而且EGR率越高，差值越大。这说明在较高EGR率时取d为2实际是低估了废气对层流火焰速度的影响，需要参考式(3) 进行修正以得到正确的层流火焰速度与残余废气的关系。

仿真模型中的NOx计算模型服从于扩展的Zeldovich机理：

N2+O=NO+N,R1=K1·[N2]e·[O]e

O2+N=NO+O,R2=K2·[N]e·[O2]e

N+OH=NO+H,R3=K3·[N]e·[OH]e

N2O+O=NO+NO,R4=K4·[N2O]e·[O]e

O2+N2=N2O+O,R5=K5·[N2]e·[O2]e

OH+N2=N2O+H,R6=K6·[N2]e·[OH]e

3 内部EGR仿真方案的确定和分析

3.1 内部EGR仿真方案的确定

在车用发动机工作的中低转速、部分负荷的典型工况下，与双进气门模式相比，单进气门模式在泵气损失增加不多的情况下可减少气门驱动功耗，并在一定程度上提高工质的运动强度，见图4和图5。

表2给出了1 600r/min、30%负荷工况EGR率为20%时不同的单进气门第一次开启时刻发动机的泵气损失、气门开启背压以及缸内温度的变化情况。进气门在190°CA第一次开启时(排气门开启角为146°CA)泵气损失相对较小，而且开启时缸内的压力和温度都最小，这有利于降低EMVT自身的功率损耗，减少自身产生的热量和高温废气对其传热量，提高EMVT的可靠性，延长其使用寿命。

表2 不同进气门开启时刻的相关参数

综上所述，选择190°CA作为单进气门第一次开启时刻，通过调节第一次和第二次进气门开启持续期的大小，在保证新鲜充气量与原机相同的条件下，得到不同的缸内残余废气系数，最终实现不同的内部EGR率。

3.2 基于仿真的内部EGR对汽油机NOx生成量的影响

本文中所研究的原机在低转速、中低负荷工况时通过VCT来调节进/排气门正时以获得不同的气门重叠角，实现内部EGR以降低NOx的生成量(如图10所示，1 600r/min、30%负荷工况时基于VCT的EGR率为12%)。但应用VCT的内部EGR方案面临着在改善NOx排放的同时，会发生经济性恶化和NOx降低效果变差的矛盾。一是进一步增大气门重叠角会影响充气效率；二是提高EGR率需要增大点火提前角，否则会造成失火现象，但是随着EGR率的提高，废气对进气加热作用会变得更强，此时若再增加点火提前角可能会引起爆燃；三是EGR率的提高会造成压缩始点和燃烧温度提高，导致降低NOx的效果变差。而应用EMVT的内部EGR方案可以有效地解决上述问题。首先，对于所研究的部分负荷工况可利用进气门早关(EIVC) 技术，通过推迟进气早关角来增加充量体积以弥补其密度变小的问题。其次，与原机相比，应用EIVC技术的发动机会出现缸内残余废气量降低的同时NOx的生成量却仍有不同程度下降的现象。这是因为在该技术方案下，进气门在活塞还未到达进气下止点之前就已经关闭了，在活塞随后的下行过程中缸内工质对外膨胀做功，使进气、压缩以及燃烧初期缸内温度下降(见图6)，进、而降低整个燃烧过程的温度以及NOx的生成量。正是基于EIVC技术方案的降温特点，所以能够解决上述提到的由高温引起的爆燃以及NOx降低效果变差的问题。在此基础上再通过进气门二次开启内部EGR方案可以使NOx排放进一步大幅下降。研究结果表明，1 600r/min、30%负荷工况，应用EMVT的EGR方案在EGR率为20%时进气和压缩冲程缸内温度才与原机相当，而此时NOx的生成量和BSFC较原机分别下降了73.8%和13.6%(图7和图9)。由此可见，应用EMVT 的内部EGR方案可以有效解决上述提到的在改善NOx排放的同时，会发生经济性恶化以及NOx降低效果变差的矛盾。

3.3 基于仿真的内部EGR对汽油机经济性影响

原机通过调整节气门开度的大小来控制气量，进而达到控制负荷的目的。部分负荷时，气流通过非全开的节气门时势必会产生局部压力损失，造成较大的泵气损失，影响发动机的经济性。在原机上应用EMVT后，可以通过EIVC技术方案代替节气门实现发动机的负荷调节。节气门的取消会大大降低发动机部分负荷时的泵气损失，见图8和图9，提高指示效率，使经济性得到大幅改善。

研究结果表明，1 600r/min、30%负荷工况下，与原机相比，应用EIVC技术方案可以使发动机的泵气损失降低高达81.3%,BSFC降低11.6%。此外，随着EGR率的提高，发动机的泵气损失仍会有小幅度降低。这是因为随着EGR率的提高，进气门第二次开启过程进入到缸内的废气就越多，进而提高进气过程缸内的压力，使发动机P-V图上换气过程的负功面积减小，即泵气损失降低。而且在1 600r/min、30%负荷工况下，应用EMVT的内部EGR率在20%范围内时，随着EGR率的提高发动机的BSFC仍有较小幅度的改善，而在30%EGR率后该值则会出现急剧增大的问题，这是因为：一方面泵气损失会随着EGR率的提高而降低；另一方面单纯的EIVC技术会使进气、压缩冲程以及燃烧初期的缸内温度降低，造成燃烧初期火焰传播速度下降的问题，进而影响发动机初期放热率。在此基础上，通过引入适量的废气可以提升燃烧初期温度，改善燃烧初期放热率。但是，当EGR率高于30%后，过度的残余废气量会使燃烧急剧恶化，严重影响发动机的经济性，即应用EMVT的内部EGR方案在一定的EGR率后同样会出现上面提到的在改善NOx排放的同时经济性会发生恶化的矛盾，不过该EGR率范围实际应用意义不大，可以忽略。

图10给出了中低转速、部分负荷其他工况下应用EMVT实现内部EGR后发动机相关性能的变化情况。研究结果表明，不同工况下发动机最优BSFC所对应的EGR率会有所改变，但NOx生成量和BSFC的整体变化趋势相同。

4 结论

(1) 提出了一种应用EMVT在排气过程中通过单进气门二次开启来实现发动机内部EGR的技术方案。研究结果表明，在车用发动机工作的中低转速、部分负荷的典型工况下，与应用VCT的原机相比，在一定的EGR率范围内，该方案能有效解决原机在改善NOx排放的同时会发生经济性恶化以及NOx降低效果变差的矛盾，使NOx排放以及经济性均得到明显改善。

(2) 与原机相比，应用EIVC技术方案会使发动机进气、压缩以及燃烧初期缸内温度降低，进而会出现缸内残余废气量降低的同时NOx的生成量却仍有不同程度下降的现象。在此基础上通过进气门二次开启内部EGR方案，可使NOx排放大幅下降。

(3) 应用EMVT的内部EGR方案，由于取消了节气门可以使发动机部分负荷的泵气损失大幅下降，显著改善了发动机的经济性，而且随着内部EGR率的提高，泵气损失仍有所下降。此外，不同工况下发动机最优有效燃油消耗率所对应的EGR率有所不同，但有效燃油消耗率的整体变化趋势相同。

(4) 通过仿真分析得到了发动机不同工况下最优有效燃油消耗率所对应的EGR率值及相应的进气门控制参数，并依据这些参数对进气门进行了试验调试。结果表明，基于EMVT的进气门可以满足这一技术方案的调节需求，为下一步的装机应用打下了良好的基础。

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