吴凤英，王站成，高定伟,徐　斌，吴　健

(1.河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003；2.长城汽车有限公司动力研究院，河北 保定 071000)

不同废气再循环率和点火时刻对增压汽油机燃烧和排放的影响

吴凤英1，王站成1，高定伟2,徐斌1，吴健1

(1.河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003；2.长城汽车有限公司动力研究院，河北 保定 071000)

摘要：研究了不同废气再循环率和点火时刻对某汽油机的燃烧、排放的影响。研究结果表明：点火时刻一定时，随着废气再循环率的增加，燃烧中点滞后，燃烧持续期变长，循环变动率明显变大，最大缸内压力和压力升高率先降低后基本不变；而当废气再循环率为12.5%时，随着点火时刻的提前，燃烧中点前移，燃烧持续期及循环变动率减小，最大压力升高率增加，但明显低于无废气再循环时的水平；在最经济点火时刻下，随着废气再循环率的增加，CO排放降低，总碳氢化合物(THC)排放基本不变，NOX排放明显降低。

关键词：增压汽油机；废气再循环；点火时刻；燃烧特性；排放特性

基金项目：河南省自然科学基金项目(092300410125);河南省重点攻关基金项目(092102210013)

作者简介：吴凤英(1979-),女,内蒙古呼和浩特人,讲师,硕士,主要研究方向为发动机排放控制.

收稿日期：2014-06-07

文章编号：1672-6871(2015)02-0035-04

中图分类号：TK411.5

文献标志码：志码：A

0引言

与柴油机相比，汽油机功率密度高、噪声小、成本低，在排气污染物控制方面具有明显优势，应用十分广泛。但是，汽油机因为泵气损失大、压缩比低、难以稀燃、燃烧定容度低以及循环变动率大等原因[1-3]，平均油耗要比柴油机高20%~30%[4]。废气再循环(EGR)技术通常应用于柴油机上来降低NOX排放。当其应用于汽油机上时，可以增大部分负荷下的节气门开度，大大降低泵气损失；同时,可以抑制爆震，允许增大发动机的压缩比，以提高热效率。文献[5-7]在一台大滚流比汽油机上研究了EGR废气分层对发动机燃烧、排放特性的影响，通过优化点火时刻，使发动机的最大输出功率提高了约7%。文献[8]在一台1.6 L增压GDI发动机上研究发现:相对于EGR在小负荷工况的稀释作用，大负荷利用EGR抑制爆震、提高压缩比对油耗的降低效果更明显。文献[9]对比了高、低压EGR循环对汽油机性能的影响，发现低压EGR循环能使有效燃油消耗率最大降低约14%。文献[10]给出了汽油机万有特性下各EGR循环的最佳工作区域。文献[11-12]通过模拟计算和实验的方法，研究了EGR在自然吸气汽油机和涡轮增压汽油机上的不同作用效果。文献[13]在一台增压GDI发动机上实验研究发现：EGR降低了末端混合气的峰值温度。相比之下，国内关于汽油机应用EGR技术的研究较少。本文通过台架实验的方法，研究低压EGR对一台1.5 L涡轮增压进气道喷射汽油机的燃烧、排放的影响，为降低汽油机油耗，提高热效率及减少排放提供一定的依据。

1试验设备及方法

试验中使用的汽油机技术参数见表1。对发动机进排气系统进行改造，加装了一套独立水冷的低压EGR循环系统，并通过填补活塞顶面把压缩比提高到11.5。其中，废气从三效催化转化器后引出，经过EGR冷却器，从压气机前引入，试验过程中可以通过电子控制单元(ECU)调节EGR阀的开度来有效控制EGR率。改造后发动机如图1所示，试验过程中使用的主要设备有电力测功机、油耗仪、λ分析仪、缸压传感器、燃烧分析仪、排放分析仪等。试验过程中，控制冷却水温在(85±5) ℃，机油温度在(90±5) ℃，燃油温度为25 ℃。实验室内环境大气温度为25 ℃、压力为100 kPa、相对湿度为40%。

表1　汽油机的技术参数

图1　试验用发动机示意图

试验中EGR率以进、排气中CO2的体积分数定义为：

(1)

其中：ηEGR为EGR率；φCO2in为进气中的CO2体积分数；φCO2out为排气中的CO2体积分数。

通过在发动机缸盖上打孔，分别在第1、第3缸安装缸压传感器，实测缸内压力，使用燃烧分析仪采集信号并计算燃烧特征参数，其中，采样循环数为100，曲轴转角采样间隔为0.5°。基于多循环平均后所得的示功图，计算平均指示压力(IMEP)、燃烧循环变动率(本文用IMEP的循环变动率来表示)、燃烧放热率等参数，计算公式如下[14]：

(2)

(3)

(4)

其中：p为瞬时气缸压力；V为气缸容积；VS为单缸排量；δ为燃烧循环变动率；N为采样循环数；IMEPi为第i个循环的平均指示压力；Qb为汽油燃烧时放出的热量；Qw为工作过程中对外散失的热量；U为气缸内工质的内能；φ为曲轴转角。

累计放热率由瞬时放热率积分得到。本文用累计放热量达到总放热量90%时的曲轴转角作为燃烧终点，用CA90表示。同理，定义CA10作为燃烧始点，CA50作为燃烧中点。燃烧持续期用CA90与CA10之差来表示。

2试验结果

本试验的目的是探寻EGR率和点火时刻对汽油机燃烧和排放特性的影响。试验中为了避开大负荷可能引起的爆震燃烧等不确定因素及燃油消耗量对试验结果的干扰，选择固定喷油脉宽为2.4 ms，发动机转速为2 000 r/min下进行试验，试验过程中保持过量空气因数在1左右。首先，在固定点火时刻的条件下(取上止点前34°曲轴转角，是无EGR下油耗最低时所对应的点火时刻)，研究EGR率对发动机燃烧特性的影响，EGR率从0%到12.5%；其次，在EGR率为12.5%时，研究了点火时刻对发动机燃烧特性的影响，点火时刻从上止点前34°曲轴转角到上止点前44°曲轴转角；最后，优化点火时刻，以最低油耗为目标，选取发动机加装EGR后点火时刻为上止点前44°曲轴转角，研究了EGR率对排放的影响。

2.1　固定点火时刻下，EGR率对燃烧特性的影响

表2(表2中CA50单位为上止点后曲轴转角度数)为在点火时刻固定在上止点前34°曲轴转角时，EGR率对燃烧特性的影响。由表2中数据可看出：随着EGR率的增加，CA50的位置逐渐后移，燃烧持续期逐渐变长，且两者都与EGR率近似呈线性关系。这是因为EGR废气不仅稀释了缸内混合气中氧的浓度，而且使缸内工质的比热容变大，降低了燃烧温度，导致燃烧速度减慢，使燃烧持续期变长，CA50滞后；另一方面，燃烧过程中活塞下行，增加了火焰传播距离，也使燃烧持续期变长。随着EGR率的增加，循环变动率近似呈指数增长，说明随着废气量的不断增加，其对燃烧的抑制作用逐渐加强，当EGR率为12.5%时，循环变动率超过了6%，燃烧稳定性明显变差；随着EGR率的增加，由于燃烧速度减慢，燃烧相位滞后，活塞下行，所以最大缸内压力迅速降低；当EGR率大于10%时，最大缸内压力基本保持不变，这是因为燃烧相位太过滞后，此时的最大压力为压缩上止点时的压力。随着EGR率的增加，最大压力升高率亦先迅速降低然后趋于平缓，原因同上。

表2　EGR率对燃烧特性的影响

2.2　EGR率为12.5%时，点火时刻对燃烧特性的影响

表3(表3中点火时刻单位是上止点前曲轴转角度数，CA50单位是上止点后曲轴转角度数)是EGR率为12.5%时，点火时刻对燃烧特性的影响。由表3可以看出：随着点火时刻的提前，CA50不断前移，燃烧持续期逐渐变短，循环变动率逐渐降低。通过优化点火时刻，与无EGR时相比，EGR率为12.5%时的燃烧相位被大幅改善，燃烧持续期和循环变动率被有效控制。说明EGR废气导致燃烧相位滞后是燃烧持续期变长、循环变动率变大的重要原因。同时，随着点火时刻的提前，最大缸内压力不断升高，最高点略低于无EGR时的最大缸内压力；最大压力升高率却缓慢增加，最高点明显低于无EGR时的最大压力升高率。缸内压力间接反映发动机的动力性，压力升高率间接反映发动机工作的粗暴程度，所以引入EGR后，通过优化点火时刻，可以保证发动机动力性的同时，使发动机工作更柔和，降低了对发动机机械强度的要求。

表3　点火时刻对燃烧特性的影响

2.3　最经济点火时刻下EGR率对排放的影响

图2为在转速为2 000 r/min、喷油脉宽为2.4 ms、在不同EGR率所对应的最经济点火时刻下，不同EGR率对发动机一氧化碳(CO)、总碳氢化合物(THC)和氮氧化合物(NOX)排放(体积分数)的影响。由图2可以看出：随着EGR率的增加，CO排放不断降低。这主要是因为试验过程中保持过量空气因数在1左右，且引入的EGR比例也较低，加入EGR后，燃烧持续期变长，使CO有较长的时间进行氧化反应，从而有利于CO排放的减少。随着EGR率的增加，THC排放基本保持不变。这主要是因为2.4 ms的喷油脉宽对应的发动机负荷较小，且引入的EGR比例也较低，通过优化点火时刻，燃烧较稳定，所以对THC排放的影响不大。随着EGR率的增加，NOX排放明显降低，这是由EGR废气的稀释作用和比热容效应综合作用的结果。

图2　EGR率对CO、THC和NOX排放的影响

由三效催化转化器的工作原理可知：只有在理论空燃比下，催化器对CO、THC和NOX三者的转化效率最高；当混合气偏稀时，CO和THC的转化效率一直很高，但NOX的转化效率会大幅度下降，而以上结果说明EGR能够显著降低NOX排放。该汽油机加装的独立水冷低压EGR循环系统可以允许三效催化转化器在较低的NOX转化效率区域工作，使发动机能够燃烧稀混合气，从而降低油耗。

3结论

(1) 在点火时刻一定的条件下，随着EGR率的增加，CA50滞后，燃烧持续期变长，循环变动率明显变大，最大缸内压力和压力升高率先降低后基本保持不变。

(2) EGR率为12.5%时，随着点火时刻的提前，CA50前移，燃烧持续期变短，循环变动率减小，说明EGR导致燃烧相位滞后是燃烧持续期变长、循环变动率变大的重要原因；最大缸内压力得到恢复，最大压力升高率不断增加，但明显低于无EGR时的水平。

(3)在最经济点火时刻下，随着EGR率的增加，CO排放不断降低，THC排放基本保持不变，NOX排放明显降低。

(4)该汽油机引入独立水冷的低压EGR循环系统后，配合优化点火时刻，可以使该发动机稳定燃烧；保证发动机动力性的同时，使发动机工作更柔和，降低了对发动机机械强度的要求。同时，允许应用三效催化转化器的汽油机燃烧稀混合气，从而可以达到降低排放及油耗的目的。

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