陈郭雷

摘要：为了更好的探究废气再循环对汽油机排放与性能产生的影响，在一款涡轮增压发动机中展开性能试验研究。经研究得知，当EGR率升高时，汽油机燃油消耗率会不断降低，但是EGR如果过高，汽油机的燃烧稳定性会下降，油耗反而会上升。通过对汽油机系统模块的分析，了解废气再循环的分类情况，经过试验研究阐述EGR对汽油机排放和性能的实际作用与影响。

关键词：EGR;汽油机;节能减排;设备性能

中图分类号：U464.171                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）16-0067-02

0  引言

随着能源危机的加剧，生态环境问题受到人们的普遍关注，各国纷纷制定了严苛的汽车油耗与汽油机排放标准，促使行业朝着节能环保的方向发展。以往汽油机通过节气门控制负荷，部分发动机负荷泵气损失大，不利于燃油经济性提升。作为企业的动力源，内燃机二氧化碳排放是影响环境的重要因素，为达到节能减排目标，有必要发挥EGR技术在汽油机中的实践应用，从而实现对氮氧化物排放的有效控制。

1  汽油机热力学模型分析

1.1 进排气系统模块

研究一款1.5L4缸水冷涡轮增压GDI汽油机，压缩比为10，喷油方式为缸内直喷;进气方式为涡轮增压;气缸布置为直列4缸;气门数共16个;缸径为75mm。利用GT-Power软件创建热力学模型，模型中主要包含三个部分，其中最主要的就是进排气系统模块。该模块中包含以下部分：①进排气管道。进排气管道模块需要将管道的直径和长度，同时做好对流边界的设置，要求空气滤清器标准压差是0.03MPa，软件按照气体流量和温度情况计算压差即可。②增压器模块。输入Map表示工况状态，设置中冷器标准压差是0.02MPa，温度大概是55℃。③进排气门应输入升程曲线，进排气道输入气道流量系数，并根据当前工况设置气道温度和传热系数。④EGR模块中需要输入EGR率，将EGR冷却器出口温度设置在100℃[1]。

1.2 气缸模块

汽油机中气缸模块内包含众多模型，主要如下：

①喷油器模型，该模型关系到燃油喷射量情况，按照汽车发动机进气量、当量比1：1完成燃油喷射即可。

②燃烧模型，应用Wiebe模型做好燃烧起始点、持续期、形状参数的设定，并拟和发动机放热率曲线。使用修正模型对气缸模块的燃烧持续期做出修正，保证相关参数准确无误。

③传热模型，应用Woschmi模型，对缸盖、缸套等部分的温度进行定义分析。

1.3 控制模块

该模块主要分为放气阀开度控制、爆震控制两方面内容。前者的控制因素就是目标转矩，按照提前设定的转矩做好放气阀开度的调节，确保控制模块运行满足转矩需求值。爆震控制模块就是在对燃烧时起始点做出条件，从而避免爆震现象发生。

2  废气再循环分类研究

廢气再循环简称EGR，即将发动机排除的废气送入进气歧管，将废气和新鲜混合气融合送入气缸。重新进入气缸的废气会让混合器稀释，导致燃烧温度下降，氮氧化物的排放因此而降低。EGR主要针对氮氧化物进行排气净化装置的设置，废气中二氧化碳无法燃烧，且可以吸收热，让气缸内混合气燃烧温度下降，使氮氧化物生成量降低。当前汽车发动机应用的废气再循环方式就是在进气管内导入燃烧过的废气，将其与新鲜空气混合后再燃烧，以此降低混合气含氧浓度，减缓燃烧速度，降低燃烧温度，从而有效减少氮氧化物生成量。

对废气再循环分类分析，主要有以下几种：

①内部排气再循环，该模式下的发动机进气门和排气门由两根凸轮轴单独操作，再根据工况条件进排气凸轮相位，从气门叠开时产生排气再循环。

②外部排气再循环，发动机需要从排气管引出部分废气，将其通过进气门混入空气送回气缸，这一过程中混入系统的废气是冷却的。废气再循环对汽油机的油耗与排放情况有着重要影响，过量空气系数恒定时，EGR不断增加，油耗先下降再上升，HC排放加大，二氧化氮排放降低。整体来看，EGR率对汽油机油耗与排放的影响和过量空气系数发展趋势类似，这是因为返回气缸的废气让没有氧化的可燃物反应几率降低，强化了火焰激冷效应，所以HC与C0排放不断增加[2]。

3  EGR对汽油机排放与性能影响研究

3.1 EGR对汽油机排放的影响研究

了解汽油机CO、HC、HOX排放随着EGR率产生的变化规律，如图1所示。EGR率在升高的过程中，NOX排放会呈现出减少的趋势，大概可减少70%以上，一氧化碳的排放减少，而HC排放出现增加。温度与混合气体中的氧浓度是影响NOX生成的两方面因素，其空燃比皆为1。由于混合器未加浓处理，氧的浓度不会对NOX的排放产生过多影响。EGR率在升高的同时，汽油机缸中温度开始降低，所以NOX的排放也会下降。一氧化碳在生成的过程中受到氧浓度、燃烧时温度、压力等因素影响，汽油机大负荷运载时发生爆燃，此时点火角出现推迟现象，设备会对混合气加浓处理，从而保护硬件设施安全，这时燃料存在不完全燃烧的现象，导致CO一时间排放很高。引入废气再循环系统后，EGR可有效抑制爆燃，尽可能的降低混合气的加浓程度，使CO排放降低。当汽油机处于中小程度负荷时，一氧化碳的排放情况与动力学相关，燃料的完全燃烧会产生二氧化碳，二氧化碳在高温环境下分解为一氧化碳，EGR应用后汽油机缸中燃烧温度下降，从而有效抑制二氧化碳进一步分解，所以CO排放降低。HC排放和汽油机发动机的燃烧室粹熄有关，也与润滑油膜吸附作用有关，有时燃烧室内的沉淀物也会影响排放程度。

针对废气再循环的发动机来说，影响HC排放程度的主要因素是燃烧室粹熄问题，EGR在升高的同时缸内温度下降，粹熄距离拉开，有未燃烧材料不断出现，HC因此而加大排放。当EGR增加到一定程度时可能会存在失火现象，这时HC排放会短时间内迅速升高。随着EGR率增加，当排放量保持不变时，过量空气系数也会不变，燃烧持续期的延长给一氧化碳的生产提供了时间，但是缸中燃烧温度降低对一氧化碳的生成起到抑制性效果，二者可以相互抵消。由于缸中燃烧温度下降，碳氢化合物因为燃烧持续期延长而不断产生，随着EGR增加，碳氢化合物出现的越来越多，但转速提高后，碳氢化合物上升开始放缓[3]。

3.2 EGR对汽油机性能的影响研究

低压中冷EGR在一定程度上可以抑制爆燃，所以EGR对汽油机的动力性有一定的影响。每分钟1900r全负荷状态下，EGR率不断增加，转矩增加5Nm左右，随着EGR的持续性增加，转矩开始减少，这对汽油机动力性的提升不利，此时燃烧稳定性也会变差。与其他负荷相同，EGR率的提升使缸中燃烧温度下降，爆燃现象得到有效抑制，所以点火角与CA50间的角度差可以突出燃烧放缓现象，这就是燃烧稳定性变差的主要原因。在全负荷优化过程中，应充分考虑燃烧稳定性和动力性两方面影响因素，确保EGR率达到最佳。

分析低压EGR对外特性性能产生的影响情况。应用低压EGR技术提高汽油机运行的经济性效益，并有效降低氮氧化物排放。没有经过标定的排放模型在精度方面存在不足，且汽油机燃烧时对排放进行控制的压力较小，本次实验研究不考虑低压EGR对汽油机排放产生的影响。应用低压废气再循环的时候，为了确保动力性维持在一定水平，应提高增加压力，让新鲜空气进气量保持不变，通过短米勒循环计算外特性不同转速下EGR率时，汽油机发动机性能变化。EGR率在增加的过程中，汽油机缸中温度出现明显降低，这与EGR废气比热容大有关，或者为了维持功率稳定，提升增压压力保证新鲜空气流量不变，所以EGR和新鲜空气总量增加，方便缸内温度的下降。

汽油机缸中最高温度会随着EGR率的增加而下降，此时爆震倾向也会降低，所以可以对CA50适当提前，提高汽油机运行的经济效果，但是燃烧持续期会增加，所以在运行中应做好燃烧持续期的控制。EGR与新鲜空气总量增加时，气缸做功气体的质量和燃烧压力随之增加，对汽油机经济性有益处。在允许范围内，EGR上升会突出汽油机运动的经济性，使涡前排温降低。当转速不同时，应用废气再循环可以对涡前排温有效改善。比如EGR率为16%的时候，与没有EGR对比而言，每分钟1000r時油耗下降6.7%，涡前排温降低120K;每分钟2000r时油耗降低2.7%，涡前排温降低90K;每分钟2800r时油耗降低4.7%，涡前排温降低110K;每分钟4000r时油耗出现上升的发展趋势，而涡前排温依然下降，从110K降低到114K。出现油耗上升的原因与增强器不能再提供充足的增压压力有关，所以功率不能维持到达目标值。由此得知，低压EGR虽然可以提升汽油机运行的经济效果，但也会引发部分负面影响，比如外特性引入废气再循环后会增加冷却系统散热压力，不利于系统散热，当废气再循环率达到16%的时候，4000r/min的废气再循环冷却器散热功率为9.6kE，评估后发现冷却系统运行存在一定风险。废气再循环率过高后，中冷后冷凝水增加，因此，将EGR率保持在8%即可。

4  总结

总而言之，经过实验研究发现，随着EGR率的不断升高，汽油机油耗率得到改善，但是EGR率过高会影响燃烧的稳定性。小负荷的EGR可以让泵气损失减少，中等负荷的EGR能够改善油耗，使氮氧化物排放减少，一氧化碳排放减少，而HC的排放有小幅度的增加。与此同时，EGR率升高时，全负荷转矩经历着先增加后减小的变化趋势，此时汽油机燃烧稳定性受到影响。

参考文献：

[1]叶华国，刘军.基于PSO和EGR的汽油机尾气排放研究[J].常州工学院学报，2021，34（01）：6-11.

[2]江枭枭，李艮坤.压缩比及EGR对直喷米勒循环汽油机性能影响的试验研究[J].车用发动机，2020（06）：19-23.

[3]黄德永，张振东.高压EGR率和温度对汽油机性能和排放的影响[J].农业装备与车辆工程，2020，58（05）：119-122.

[4]付玉生，运红丽.中低转速下不同EGR率对氢燃料发动机性能的影响[J].汽车实用技术，2020（01）：15-17.