废气再循环对米勒循环汽油机性能及颗粒物排放特性的影响

李艮坤 李云虹 于士博 章 成 莫德志 杨科文

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东 广州 511434）

引言

随着地球环境污染加深及石油资源减少，节能减排成为汽车行业发展的主流[1]。目前，大部分汽车企业通过发动机排量小型化及提高压缩比来实现节能减排[2]。与此同时，也面临着排放恶化及爆震倾向加剧等问题。采用废气再循环（EGR）技术，可提高缸内工质的比热容，降低缸内燃烧温度，优化燃烧过程，使燃烧相位得到提前，从而有效地抑制爆震，提高发动机的燃油经济性及热效率[3]。贾宁等[4]的试验证明，汽油机采用合适的EGR 率后发动机爆震发生次数减少。吴达等[5]从降低缸内燃烧温度及减少泵气损失角度所进行的试验证明，引入EGR 有助于提高发动机热效率。

同时，随着人们对空气质量要求的提高，对大气中悬浮颗粒的危害越发重视。而汽油机尾气是大气环境中颗粒物排放的主要来源[6]，城市空气中40%的NOx、60%的CO 及70%的HC 产自汽车发动机尾气排放[7]。随着排放标准的愈加严格，如何实现发动机燃料更清洁燃烧成为各汽车企业面临的主要问题[8]。刘鸿淼等[9]的研究表明，引入EGR 可显著降低NOx排放，但进入气缸内的废气不利于降低发动机颗粒物数量排放。潘锁柱等[10]在直喷汽油机上进行的EGR对发动机燃烧及排放特性研究表明，NOx排放随着EGR 率的提高而降低，但HC 和CO 排放随着EGR率的提高而升高。Thomas Lattimore 等[11]进行的EGR 对直喷汽油机颗粒物排放的影响表明，随着EGR 率的提高，积聚态微粒数量增加而核膜态微粒数量减少。

以往的研究在传统奥托循环汽油机领域取得了大量研究成果，但由于米勒循环汽油机通常采用更高的压缩比，需要更高的EGR 率，使得燃烧及排放与传统奥托循环汽油机产生较大差异。基于以上研究背景，本文针对发动机EGR 废气温度及EGR 率对发动机性能及颗粒物排放的影响进行了研究，旨在为米勒循环汽油机EGR 系统开发提供理论指导。

1 试验研究平台及试验条件

1.1 试验装置及试验条件

本试验研究采用一台单缸热力学汽油发动机，进气压力采用模拟增压系统进行控制，采用可编程的时序控制模块对喷油时刻、喷油脉宽及点火提前角进行调整。试验用发动机主要技术参数见表1。

表1 试验用发动机主要技术参数

单缸热力学汽油发动机带有一套EGR 废气温度控制系统，再循环废气通过水冷散热器进行散热，EGR 废气出口端温度由K 型传感器采集并反馈到温度控制模块，温度控制模块根据设定温度目标值控制电动球阀开度，对进入散热器的冷却水流量进行调节，达到控制EGR 废气温度的目的。

测控系统主要包括AVL PUMA 瞬态测功机、AVL577 油水恒温循环控制单元、AVL 515 进气温度压力控制单元、Scienlab 喷油控制单元、自研35 MPa燃油控制系统及时序控制单元等。气缸压力采用Kistler 6054BR 气缸压力传感器进行测量；曲轴转角信号由AVL 365C 角标仪输出；利用AVL Indicom 系统对燃烧过程气缸压力及曲轴转角信号进行采集，曲轴转角信号采集分辨率为0.5°CA，采集过程中对每50 个循环进行平均以消除误差。排放设备包括：一台HORIBA MEXA-7100DEGR，用于CO2浓度测量；一台Combustion DM500 发动机瞬态颗粒排放分析仪，用于尾气颗粒物测量。DM500 测量粒径的范围为5 nm～1 μm，响应时间为200 ms，采集频率为10 Hz。

图1 为试验台架示意图。

图1 试验台架示意图

1.2 试验方法

试验用发动机的转速为2 750 r/min，进气温度保持在（30±2）℃，冷却水温度保持在（65 ±2）℃，固定进排气门正时相位，喷油压力控制在35 MPa，缸内平均指示压力循环变动系数（COV）控制在3%以内，采用单次喷射。在上述条件下，分别调整喷油量、进气量及点火时刻，使缸内平均有效压力IMEP=0.7 MPa 及IMEP=1.05 MPa，并保持空燃比为14.7。通过HORIBA MEXA-7100DEGR 分别测量26 ℃、36 ℃EGR 废气温度下发动机进出口CO2浓度。基于进排气CO2浓度计算的EGR 率为：

式中：CO2in为经过再循环废气稀释后进气中的CO2体积分数；CO2exh为排气中的CO2体积分数；CO2amb为大气环境中的CO2体积分数。

在不同EGR 率下对发动机测量参数、燃油消耗率及排放颗粒物进行测量记录。AI50 定义为发动机燃料燃烧时产生50%放热量所对应的曲轴转角，°CA；燃烧持续期（AI10～AI90）定义为燃料燃烧时产生10%～90%放热量所对应的曲轴转角，°CA。

2 试验结果与分析

2.1 EGR 对发动机燃烧特性的影响

图2 为不同EGR 率下EGR 废气温度对燃烧特征参数的影响对比。图2d 中，纵坐标上的负值表示点火提前角，°CA BTDC。负值越大，表示点火提前角越大，点火越提前。

图2 EGR 率对发动机燃烧特性的影响

从图2 可以看出：

1）当IMEP=0.7 MPa 时，由于发动机负荷较小，缸内燃烧温度低，EGR 废气对缸内温度的影响效果不明显，AI50 无明显变化；但在不同EGR 废气温度及工况下，燃烧持续期都呈现延长趋势。继续提高EGR 率时，燃烧持续期的增幅趋于平缓。小负荷工况下，燃烧持续期随EGR 率提高而延长的主要原因是EGR 率不断提高后，EGR 废气对发动机缸内的冷却效果越发显著，缸内氧浓度降低，燃烧反应速度减慢，导致燃烧持续期延长。

2）当IMEP=1.05 MPa 时，随着EGR 率的提高，AI50 呈先增加再减小的趋势，发动机滞燃期、燃烧持续期变长，点火提前角先减小后增大；当EGR率提高至5%时，AI50 增加5°CA，点火提前角减小1.5°CA。主要原因在于，当EGR 率较低时，再循环废气对缸内的冷却效果不明显，此时，为达到相同的IMEP 目标，需进一步提高发动机进气压力，导致混合气压缩终了的温度及压力升高，末端混合气所处的环境压力及温度上升，增大了发动机的爆震倾向。因此，需将点火提前角减小，即将点火推迟；同时，AI50 相应增加。EGR 率继续提高，再循环废气对缸内燃烧温度升高的抑制效果增强，发动机的爆震倾向减弱。但缸内氧浓度及燃烧温度降低，导致燃烧持续期延长，使得发动机的燃烧循环波动变大，为了控制COV 处于合理范围，需将点火提前角增大，即点火提前。

2.2 EGR 对发动机性能的影响

图3 为不同EGR 率下EGR 废气温度对燃油经济性影响对比。

图3 EGR 率对燃油消耗率及总指示热效率的影响

从图3 可以看出：

1）小负荷工况，随着EGR 率的提高，燃油消耗率大体呈下降趋势。燃油消率耗下降的原因为：当EGR 率提高时，进入发动机气缸内的再循环废气增加，导致混合气总量及比热容增大，对缸内燃烧温度的抑制进一步增强，燃烧持续期延长，最终导致燃油消耗率下降及热效率升高。

2）大负荷工况，随着EGR 率的提高，燃油消耗率呈现先升高后下降的趋势。低EGR 率时，燃油消耗率升高的原因为：爆震倾向加剧，导致AI50 增加，燃烧持续期延长，为达到相同的IMEP 目标，需进一步加大喷油量，最终导致燃油消耗率上升，热效率下降。

3）对比各IMEP、EGR 废气温度工况0%EGR 率及17%EGR 率的燃油消耗率发现，IMEP=1.05 MPa、EGR 废气温度为26 ℃时，燃油消耗率降低约5.6%，热效率得到相应提高。

2.3 EGR 对发动机颗粒物排放的影响

图4 为EGR 对发动机颗粒物排放的影响。

图4 EGR 对发动机颗粒物排放的影响

从图4a 和图4b 可以看出，小负荷工况、各EGR废气温度下，颗粒物排放曲线呈单峰形态，颗粒物排放主要以50～70 nm 直径的积聚态形式存在；随着EGR 率的提高，颗粒物数量排放峰值升高。这是由于缸内燃烧温度低，未燃碳氢化合物更容易冷凝；加上混合气中含氧量降低，使未燃碳氢化合物难以在后续燃烧中继续氧化，导致颗粒物排放升高。

从图4c 和图4d 可以看出，大负荷工况、各EGR废气温度下，颗粒物排放曲线呈缓和双峰分布形态，核膜态颗粒物排放较多集中于5～20 nm 附近，而积聚态颗粒物排放主要集中于50～60 nm 附近；随着EGR 率的提高，核膜态颗粒物排放峰值降低，积聚态颗粒物峰值升高。这是由于积聚态颗粒物具有较大的表面积，更易于吸附缸内未燃HC 成分，使得核膜态颗粒物数量增长受到抑制，而积聚态颗粒物数量相应增加。

从图4 可以看出，对比不同EGR 废气温度可知，由于不同温度条件下，燃烧过程均为当量燃烧模式，混合气浓度整体相当，因此EGR 废气温度对颗粒物数量排放的影响相对不明显。

3 结论

1）引入再循环废气有助于减小发动机爆震倾向，发动机点火提前角加大，即点火提前。但大负荷工况低EGR 率时，发动机爆震倾向增大。对于转速为2 750 r/min、IMEP=1.05 MPa 工况，EGR 率为5%时，相对于0%EGR 率，AI50 增加5°CA，点火提前角减小1.5°CA；EGR 率提高至17%时，相对于0%EGR率，AI50 减小3.5°CA，点火提前角增大20.5°CA。

2）引入废气再循环技术可有效降低发动机的燃油消耗率，提高发动机热效率。相比于0%EGR 率，17%EGR 率的燃油消耗率降低约5.6%，热效率得到相应提高。

3）各工况下，EGR 率对发动机颗粒物数量排放的影响存在差异。小负荷工况，随着EGR 率的提高，颗粒物数量排放峰值升高。大负荷工况，随着EGR率的提高，核膜态颗粒物排放峰值降低，积聚态颗粒物峰值升高。各工况下，EGR 废气温度对发动机颗粒物数量排放的影响相对不明显。