残余废气系数对缸内直喷发动机热-功转换过程影响研究

尹东升 代国勇 刘长峰 邵聪慧 马喆

摘 要：为研究残余废气系数对缸内直喷发动机热-功转换过程影响，基于一台1.5L的缸内直喷发动机进行试验。试验工况为：n=1700r/min，BMEP=10bar、n=2200r/min，BMEP=10bar、n=3000r/min，BMEP=10bar;研究结果表明：适当的残余废气系数可提前CA50位置、PCP位置，延长燃烧持续期，增加COVIMEP，但均可提高发动机的热效率，与高转速工况相比，低转速工况热效率改善效果更为明显。

关键词：残余废气系数;缸内直喷型发动机;热效率

中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）20-109-03

Abstract： In order to study the influence of residual exhaust gas coefficient on the heat-to-work conversion process of a direct-injection cylinder engine， based on a 1.5L direct-injection cylinder engine Conduct the test. The test conditions are： n=1700r/min， BMEP=10bar， n=2200r/min. BMEP=10bar， n=3000r/min， BMEP=10bar; the results of the study showed that the appropriate The residual exhaust gas factor can advance the CA50， PCP position， increase the combustion duration， COVIMEP， but can enhance the Engine thermal efficiency， Compared with the high speed condition， the thermal efficiency improvement is more obvious in the low speed condition.

Keywords： Residual exhaust gas coefficient; Direct injection engine; Thermal efficiency

CLC NO.： U464  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）20-109-03

1 引言

废气再循环技术最早应用于柴油机，主要目的是为了降低排气污染物中的NOx。现如今，国家号召节能减排。为响应国家号召，提升发动机热效率，提高发动机燃油经济性，废气再循环技术逐渐进入汽油机开发人员视野。

为研究残余废气系数对汽油机性能的影响，研发人员已经做了大量准备工作。Konstantinos Siokos等人的研究表明：适当的残余废气系数可降低汽油机的节流损失，且EGR冷却器具有不可替代的作用[1]。Kumano等人的研究表明：随着残余废气系数的增加，发动机爆震倾向逐渐减弱，且发动机排气温度明显降低[2]。Jinyoung Cha等人的研究表明：随着残余废气系数的增加，发动机燃烧稳定性降低，导致发动机性能降低和排放恶化[3]。Haiqiao Wei等人的研究结果表明：通过比较废气再循环技术在缸内直喷汽油机和传统汽油机的性能影响，得出废气再循环技术和缸内直喷发动机相结合是汽油机的未来发展趋势[4]。

基于上述研究成果和理论的分析，本试验使用一台排量为1.5L的缸内直喷汽油机，以探究残余废气系数对缸内直喷汽油机热-功转换过程影响。

2 试验

2.1 台架试验

为了探究残余废气系数对高压缩比缸内直喷发动机热-功转换过程的影响，基于一台试制的高压缩比缸内直喷发动机开展稳态台架试验。

在此次试验中，使用Hoffman台架采集台架数据，试验机带有缸压火花塞，通过AVL燃烧分析仪采集燃烧数据，以探究残余废气系数对燃烧的影响，同时搭配HORIBA排放分析仪采集排放数据，以计算残余废气系数。

2.2 试验工况

在此试验中，通过改变EGR阀门开度，以控制残余废气系数。考虑到乘用车常用行驶工况，为了使试验结果更具有现实意义，在此试验中，选取以下工况为：n =1700r/min，BMEP =10bar;n=2200r/min，BMEP=10bar;n=3000r/min，BMEP=10bar。隨着阀值增加，残余废气系数逐渐增加，直至循环变动系数COV>3%，或发动机出现扭矩波动时，认为此时残余废气系数已经达到最大。

3 残余废气系数对发动机热-功转换过程影响分析

3.1 放热量50%对应的曲轴转角（CA50）

图1显示了残余废气系数对放热量50%对应的曲轴转角（CA50）的影响。CA50是衡量缸内混合气燃烧时刻早晚的关键参数。根据经验值，通常CA50处于上止点后6～8°之间，可认为混合气燃烧时刻较为合适。若混合气提早或滞后燃烧，均会降低发动机热效率。

从图中可以看出，对于n=1700r/min，BMEP=10bar;n=2200r/min，BMEP=10bar工况点，随着残余废气系数的增加，CA50其更为靠近上止点。这可归因于发动机排放气体中存在惰性燃烧反应产物，当与汽油混合气混合时，降低了燃烧室内O2的浓度，这将降低燃烧反应速率。燃烧后气体热容较高，在燃烧反应中可以吸收大量的热量。随着残余废气系数的增加，抑制了发动机爆震的产生，使发动机最佳点火角（MBT）提前。

但对于n=3000r/min，BMEP=10bar工况点，从图中可以看出，随着残余废气系数的增加，CA50基本无变化。这可归因于缸内着火延迟期仅与燃料本身物理性质有关，不会随发动机转速变化而改变。因此，MBT更为提前，通过增加MBT以减少燃烧生成物对燃烧的影响，因此，对于此工况点，随着残余废气系数的增加，CA50基本无变化。

3.2 燃烧持续期（CA10-CA90）

图2显示了残余废气系数对燃烧持续期的影响。通常，将CA10～CA90经历的曲轴转角定义为燃烧持续期。燃烧持续期是表征发动机缸内燃烧快慢的关键参数。

从图中可以看出，对于高转速工况点，随着残余废气系数的增加，燃烧持续期增加，这可归因于随着残余废气系数的增加，惰性气体成分降低了缸内火焰传播速度。因此导致燃烧持续期延长。

但对于n=1700r/min，BMEP=10bar工况点，随着残余废气系数的增加，燃烧持续期基本无变化。这可归因于虽然废气中的惰性成分会降低缸内火焰传播速度，但通过增加MBT或增加缸内气体密度等措施，提高发动机火焰传播速度。因此燃烧持续期基本没有变化。

3.3 最大爆发压力对应的曲轴转角（PCP）

图3显示了残余废气系数对缸内最大爆发压力对应的曲轴转角（PCP）的影响。缸内最大爆发压力对应的曲轴转角是对燃烧时刻和燃烧速度的一种侧面表征。大量试验数据表明，当PCP位置处于上止点后12～15°时，此时发动机的能量转换效率最高。

从图中可以看出，对于n=1700r/min，BMEP=10bar;n= 2200r/min，BMEP=10bar工况点，随着残余废气系数的增加，PCP位置从上止点后19°左右降低到14°左右。这可归因于通过增加MBT或缸内气体密度等措施，较为明显的改善其燃烧过程，使PCP位置更为靠近上止点。

但对于n=3000r/min，BMEP=10bar工况点，随着残余废气系数的增加，PCP位置不变，且处在上止点后12～15°之间，这可归因于其通过增加MBT或缸内气体密度等措施改善缸内燃烧过程较为有限，无法进一步优化。因此，PCP位置基本不变。

3.4 指示平均有效压力对应的循环变动系数（COVIMEP）

图5显示了残余废气系数对指示平均有效压力对应的循环变动系数（COVIMEP）的影响。循环变动系数是衡量数据离散程度的重要指标。理论上，COVIMEP越低，意味着发动机转矩波动性越小，发动机运转越平稳。

从图中可以看出，对于n=1700r/min，BMEP=10bar;n= 2200r/min，BMEP=10bar工况点，随着残余废气系数的增加，COVIMEP略有增加。这可归因于此时发动机转速较低，通过增加MBT或缸内气体密度等措施，对发动机缸内燃烧过程优化较为明显，CA50、CA10～CA90、PCP处于较佳位置，因此COVIMEP略有增加，发动机运转较为稳定。

但对于n=3000r/min，BMEP=10bar工况点，随着残余废气系數的增加，COVIMEP呈现增长趋势。这可归因于此时发动机转速较高，爆震倾向较低，通过增加MBT或缸内气体密度等措施对改善缸内燃烧过程的作用较为有限，火焰传播速度降低，燃烧持续期增加，因此COVIMEP呈现增长趋势，发动机运转波动性较大。

3.5 发动机的热-功转换效率（η）

图5显示了残余废气系数对发动机的热-功转换效率（η）的影响。发动机的热-功转换效率又称热效率，是衡量发动机经济性的重要指标。提升发动机热效率是发动机开发人员的最终目标。一方面，提升热-功转换效率可以降低对石油等不可再生能源的依赖，另一方面，降低碳排放对于改善地球温室效应具有重要意义。

从图中可以看出，对于n=1700r/min，BMEP=10bar;n= 2200r/min，BMEP=10bar;n=3000r/min，BMEP=10bar工况点，随着残余废气系数的增加，热效率均有改善。其中，n=1700r/min，BMEP=10bar工况点热效率的改善最为明显。这可归因于通过对发动机运行因素的干预，对CA50、CA10～CA90、PCP等参数改善较大，从而优化缸内燃烧过程，提升发动机热效率。

对于n=3000r/min，BMEP=10bar工况点，随着残余废气系数的增加，热效率改善较小，这可归因于虽然残余废气系数系数的增加，延长了燃烧持续期和COVIMEP，给燃烧带来了不利的影响。但与此同时降低了缸内燃烧温度，降低了发动机冷却损失和排气损失，因此，发动机热效率略有改善。

4 结论

（1）随着残余废气系数的增加，对于低转速工况点，CA50%位置、PCP位置更为靠近上止点，燃烧持续期略有增加;对于高转速工况点，CA50%位置、PCP位置变化并不明显，燃烧持续期明显增加。

（2）随着残余废气系数的增加，不同工况点的指示平均有效压力对应的循环变动系数均有所增加。对于低转速工况点，增加趋势较低。

（3）随着残余废气系数的增加，不同工况点的热-功转换效率均有所改善。对于低转速工况点，热效率的改善更为明显。

参考文献

[1] Konstantinos Siokos， Rohit Koli， Robert Prucka， Jason Schwanke and Julia Miersch. Assessment of Cooled Low Pressure EGR in a Turbocharged Direct Injection Gasoline Engine. SAE International Journal of Engines， Vol. 8， No. 4 （September 2015）， pp. 1535-1543.

[2] Kumano， K.and Yamaoka， S. Analysis of Knocking Suppression Effect of Cooled EGR in Turbo-Charged Gasoline Engine. SAE Technical Paper 2014-01-1217，2014.

[3] Jinyoung Cha， Junhong Kwon， Youngjin Cho & Simsoo Park. The effect of exhaust gas recirculation （EGR） on combustion stability， engine performance and exhaust emissions in a gasoline engine. KSME International Journal volume 15， pages 1442-1450（2001）.

[4] Haiqiao Wei， Tianyu Zhu， Gequn Shu， Linlin Tan， Yuesen Wang. Gasoline engine exhaust gas recirculation-A review. Applied Energy， Volume 99， November 2012， Pages 534-544.