EGR對汽油機排放和性能影響的研究

陳郭雷

摘要：為了更好的探究廢氣再循環(huán)對汽油機排放與性能產(chǎn)生的影響，在一款渦輪增壓發(fā)動機中展開性能試驗研究。經(jīng)研究得知，當(dāng)EGR率升高時，汽油機燃油消耗率會不斷降低，但是EGR如果過高，汽油機的燃燒穩(wěn)定性會下降，油耗反而會上升。通過對汽油機系統(tǒng)模塊的分析，了解廢氣再循環(huán)的分類情況，經(jīng)過試驗研究闡述EGR對汽油機排放和性能的實際作用與影響。

關(guān)鍵詞：EGR;汽油機;節(jié)能減排;設(shè)備性能

中圖分類號：U464.171? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0067-02

0? 引言

隨著能源危機的加劇，生態(tài)環(huán)境問題受到人們的普遍關(guān)注，各國紛紛制定了嚴(yán)苛的汽車油耗與汽油機排放標(biāo)準(zhǔn)，促使行業(yè)朝著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。以往汽油機通過節(jié)氣門控制負荷，部分發(fā)動機負荷泵氣損失大，不利于燃油經(jīng)濟性提升。作為企業(yè)的動力源，內(nèi)燃機二氧化碳排放是影響環(huán)境的重要因素，為達到節(jié)能減排目標(biāo)，有必要發(fā)揮EGR技術(shù)在汽油機中的實踐應(yīng)用，從而實現(xiàn)對氮氧化物排放的有效控制。

1? 汽油機熱力學(xué)模型分析

1.1 進排氣系統(tǒng)模塊

研究一款1.5L4缸水冷渦輪增壓GDI汽油機，壓縮比為10，噴油方式為缸內(nèi)直噴;進氣方式為渦輪增壓;氣缸布置為直列4缸;氣門數(shù)共16個;缸徑為75mm。利用GT-Power軟件創(chuàng)建熱力學(xué)模型，模型中主要包含三個部分，其中最主要的就是進排氣系統(tǒng)模塊。該模塊中包含以下部分：①進排氣管道。進排氣管道模塊需要將管道的直徑和長度，同時做好對流邊界的設(shè)置，要求空氣濾清器標(biāo)準(zhǔn)壓差是0.03MPa，軟件按照氣體流量和溫度情況計算壓差即可。②增壓器模塊。輸入Map表示工況狀態(tài)，設(shè)置中冷器標(biāo)準(zhǔn)壓差是0.02MPa，溫度大概是55℃。③進排氣門應(yīng)輸入升程曲線，進排氣道輸入氣道流量系數(shù)，并根據(jù)當(dāng)前工況設(shè)置氣道溫度和傳熱系數(shù)。④EGR模塊中需要輸入EGR率，將EGR冷卻器出口溫度設(shè)置在100℃[1]。

1.2 氣缸模塊

汽油機中氣缸模塊內(nèi)包含眾多模型，主要如下：

①噴油器模型，該模型關(guān)系到燃油噴射量情況，按照汽車發(fā)動機進氣量、當(dāng)量比1：1完成燃油噴射即可。

②燃燒模型，應(yīng)用Wiebe模型做好燃燒起始點、持續(xù)期、形狀參數(shù)的設(shè)定，并擬和發(fā)動機放熱率曲線。使用修正模型對氣缸模塊的燃燒持續(xù)期做出修正，保證相關(guān)參數(shù)準(zhǔn)確無誤。

③傳熱模型，應(yīng)用Woschmi模型，對缸蓋、缸套等部分的溫度進行定義分析。

1.3 控制模塊

該模塊主要分為放氣閥開度控制、爆震控制兩方面內(nèi)容。前者的控制因素就是目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，按照提前設(shè)定的轉(zhuǎn)矩做好放氣閥開度的調(diào)節(jié)，確?？刂颇K運行滿足轉(zhuǎn)矩需求值。爆震控制模塊就是在對燃燒時起始點做出條件，從而避免爆震現(xiàn)象發(fā)生。

2? 廢氣再循環(huán)分類研究

廢氣再循環(huán)簡稱EGR，即將發(fā)動機排除的廢氣送入進氣歧管，將廢氣和新鮮混合氣融合送入氣缸。重新進入氣缸的廢氣會讓混合器稀釋，導(dǎo)致燃燒溫度下降，氮氧化物的排放因此而降低。EGR主要針對氮氧化物進行排氣凈化裝置的設(shè)置，廢氣中二氧化碳無法燃燒，且可以吸收熱，讓氣缸內(nèi)混合氣燃燒溫度下降，使氮氧化物生成量降低。當(dāng)前汽車發(fā)動機應(yīng)用的廢氣再循環(huán)方式就是在進氣管內(nèi)導(dǎo)入燃燒過的廢氣，將其與新鮮空氣混合后再燃燒，以此降低混合氣含氧濃度，減緩燃燒速度，降低燃燒溫度，從而有效減少氮氧化物生成量。

對廢氣再循環(huán)分類分析，主要有以下幾種：

①內(nèi)部排氣再循環(huán)，該模式下的發(fā)動機進氣門和排氣門由兩根凸輪軸單獨操作，再根據(jù)工況條件進排氣凸輪相位，從氣門疊開時產(chǎn)生排氣再循環(huán)。

②外部排氣再循環(huán)，發(fā)動機需要從排氣管引出部分廢氣，將其通過進氣門混入空氣送回氣缸，這一過程中混入系統(tǒng)的廢氣是冷卻的。廢氣再循環(huán)對汽油機的油耗與排放情況有著重要影響，過量空氣系數(shù)恒定時，EGR不斷增加，油耗先下降再上升，HC排放加大，二氧化氮排放降低。整體來看，EGR率對汽油機油耗與排放的影響和過量空氣系數(shù)發(fā)展趨勢類似，這是因為返回氣缸的廢氣讓沒有氧化的可燃物反應(yīng)幾率降低，強化了火焰激冷效應(yīng)，所以HC與C0排放不斷增加[2]。

3? EGR對汽油機排放與性能影響研究

3.1 EGR對汽油機排放的影響研究

了解汽油機CO、HC、HOX排放隨著EGR率產(chǎn)生的變化規(guī)律，如圖1所示。EGR率在升高的過程中，NOX排放會呈現(xiàn)出減少的趨勢，大概可減少70%以上，一氧化碳的排放減少，而HC排放出現(xiàn)增加。溫度與混合氣體中的氧濃度是影響NOX生成的兩方面因素，其空燃比皆為1。由于混合器未加濃處理，氧的濃度不會對NOX的排放產(chǎn)生過多影響。EGR率在升高的同時，汽油機缸中溫度開始降低，所以NOX的排放也會下降。一氧化碳在生成的過程中受到氧濃度、燃燒時溫度、壓力等因素影響，汽油機大負荷運載時發(fā)生爆燃，此時點火角出現(xiàn)推遲現(xiàn)象，設(shè)備會對混合氣加濃處理，從而保護硬件設(shè)施安全，這時燃料存在不完全燃燒的現(xiàn)象，導(dǎo)致CO一時間排放很高。引入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)后，EGR可有效抑制爆燃，盡可能的降低混合氣的加濃程度，使CO排放降低。當(dāng)汽油機處于中小程度負荷時，一氧化碳的排放情況與動力學(xué)相關(guān)，燃料的完全燃燒會產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳在高溫環(huán)境下分解為一氧化碳，EGR應(yīng)用后汽油機缸中燃燒溫度下降，從而有效抑制二氧化碳進一步分解，所以CO排放降低。HC排放和汽油機發(fā)動機的燃燒室粹熄有關(guān)，也與潤滑油膜吸附作用有關(guān)，有時燃燒室內(nèi)的沉淀物也會影響排放程度。

針對廢氣再循環(huán)的發(fā)動機來說，影響HC排放程度的主要因素是燃燒室粹熄問題，EGR在升高的同時缸內(nèi)溫度下降，粹熄距離拉開，有未燃燒材料不斷出現(xiàn)，HC因此而加大排放。當(dāng)EGR增加到一定程度時可能會存在失火現(xiàn)象，這時HC排放會短時間內(nèi)迅速升高。隨著EGR率增加，當(dāng)排放量保持不變時，過量空氣系數(shù)也會不變，燃燒持續(xù)期的延長給一氧化碳的生產(chǎn)提供了時間，但是缸中燃燒溫度降低對一氧化碳的生成起到抑制性效果，二者可以相互抵消。由于缸中燃燒溫度下降，碳氫化合物因為燃燒持續(xù)期延長而不斷產(chǎn)生，隨著EGR增加，碳氫化合物出現(xiàn)的越來越多，但轉(zhuǎn)速提高后，碳氫化合物上升開始放緩[3]。

3.2 EGR對汽油機性能的影響研究

低壓中冷EGR在一定程度上可以抑制爆燃，所以EGR對汽油機的動力性有一定的影響。每分鐘1900r全負荷狀態(tài)下，EGR率不斷增加，轉(zhuǎn)矩增加5Nm左右，隨著EGR的持續(xù)性增加，轉(zhuǎn)矩開始減少，這對汽油機動力性的提升不利，此時燃燒穩(wěn)定性也會變差。與其他負荷相同，EGR率的提升使缸中燃燒溫度下降，爆燃現(xiàn)象得到有效抑制，所以點火角與CA50間的角度差可以突出燃燒放緩現(xiàn)象，這就是燃燒穩(wěn)定性變差的主要原因。在全負荷優(yōu)化過程中，應(yīng)充分考慮燃燒穩(wěn)定性和動力性兩方面影響因素，確保EGR率達到最佳。

分析低壓EGR對外特性性能產(chǎn)生的影響情況。應(yīng)用低壓EGR技術(shù)提高汽油機運行的經(jīng)濟性效益，并有效降低氮氧化物排放。沒有經(jīng)過標(biāo)定的排放模型在精度方面存在不足，且汽油機燃燒時對排放進行控制的壓力較小，本次實驗研究不考慮低壓EGR對汽油機排放產(chǎn)生的影響。應(yīng)用低壓廢氣再循環(huán)的時候，為了確保動力性維持在一定水平，應(yīng)提高增加壓力，讓新鮮空氣進氣量保持不變，通過短米勒循環(huán)計算外特性不同轉(zhuǎn)速下EGR率時，汽油機發(fā)動機性能變化。EGR率在增加的過程中，汽油機缸中溫度出現(xiàn)明顯降低，這與EGR廢氣比熱容大有關(guān)，或者為了維持功率穩(wěn)定，提升增壓壓力保證新鮮空氣流量不變，所以EGR和新鮮空氣總量增加，方便缸內(nèi)溫度的下降。

汽油機缸中最高溫度會隨著EGR率的增加而下降，此時爆震傾向也會降低，所以可以對CA50適當(dāng)提前，提高汽油機運行的經(jīng)濟效果，但是燃燒持續(xù)期會增加，所以在運行中應(yīng)做好燃燒持續(xù)期的控制。EGR與新鮮空氣總量增加時，氣缸做功氣體的質(zhì)量和燃燒壓力隨之增加，對汽油機經(jīng)濟性有益處。在允許范圍內(nèi)，EGR上升會突出汽油機運動的經(jīng)濟性，使渦前排溫降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速不同時，應(yīng)用廢氣再循環(huán)可以對渦前排溫有效改善。比如EGR率為16%的時候，與沒有EGR對比而言，每分鐘1000r時油耗下降6.7%，渦前排溫降低120K;每分鐘2000r時油耗降低2.7%，渦前排溫降低90K;每分鐘2800r時油耗降低4.7%，渦前排溫降低110K;每分鐘4000r時油耗出現(xiàn)上升的發(fā)展趨勢，而渦前排溫依然下降，從110K降低到114K。出現(xiàn)油耗上升的原因與增強器不能再提供充足的增壓壓力有關(guān)，所以功率不能維持到達目標(biāo)值。由此得知，低壓EGR雖然可以提升汽油機運行的經(jīng)濟效果，但也會引發(fā)部分負面影響，比如外特性引入廢氣再循環(huán)后會增加冷卻系統(tǒng)散熱壓力，不利于系統(tǒng)散熱，當(dāng)廢氣再循環(huán)率達到16%的時候，4000r/min的廢氣再循環(huán)冷卻器散熱功率為9.6kE，評估后發(fā)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)運行存在一定風(fēng)險。廢氣再循環(huán)率過高后，中冷后冷凝水增加，因此，將EGR率保持在8%即可。

4? 總結(jié)

總而言之，經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著EGR率的不斷升高，汽油機油耗率得到改善，但是EGR率過高會影響燃燒的穩(wěn)定性。小負荷的EGR可以讓泵氣損失減少，中等負荷的EGR能夠改善油耗，使氮氧化物排放減少，一氧化碳排放減少，而HC的排放有小幅度的增加。與此同時，EGR率升高時，全負荷轉(zhuǎn)矩經(jīng)歷著先增加后減小的變化趨勢，此時汽油機燃燒穩(wěn)定性受到影響。

參考文獻：

[1]葉華國，劉軍.基于PSO和EGR的汽油機尾氣排放研究[J].常州工學(xué)院學(xué)報，2021，34（01）：6-11.

[2]江梟梟，李艮坤.壓縮比及EGR對直噴米勒循環(huán)汽油機性能影響的試驗研究[J].車用發(fā)動機，2020（06）：19-23.

[3]黃德永，張振東.高壓EGR率和溫度對汽油機性能和排放的影響[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2020，58（05）：119-122.

[4]付玉生，運紅麗.中低轉(zhuǎn)速下不同EGR率對氫燃料發(fā)動機性能的影響[J].汽車實用技術(shù)，2020（01）：15-17.