陳郭雷

摘要：為了更好的探究廢氣再循環(huán)對(duì)汽油機(jī)排放與性能產(chǎn)生的影響，在一款渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中展開(kāi)性能試驗(yàn)研究。經(jīng)研究得知，當(dāng)EGR率升高時(shí)，汽油機(jī)燃油消耗率會(huì)不斷降低，但是EGR如果過(guò)高，汽油機(jī)的燃燒穩(wěn)定性會(huì)下降，油耗反而會(huì)上升。通過(guò)對(duì)汽油機(jī)系統(tǒng)模塊的分析，了解廢氣再循環(huán)的分類(lèi)情況，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究闡述EGR對(duì)汽油機(jī)排放和性能的實(shí)際作用與影響。

關(guān)鍵詞：EGR;汽油機(jī);節(jié)能減排;設(shè)備性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.171? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0067-02

0? 引言

隨著能源危機(jī)的加劇，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題受到人們的普遍關(guān)注，各國(guó)紛紛制定了嚴(yán)苛的汽車(chē)油耗與汽油機(jī)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(jī)通過(guò)節(jié)氣門(mén)控制負(fù)荷，部分發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷泵氣損失大，不利于燃油經(jīng)濟(jì)性提升。作為企業(yè)的動(dòng)力源，內(nèi)燃機(jī)二氧化碳排放是影響環(huán)境的重要因素，為達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)，有必要發(fā)揮EGR技術(shù)在汽油機(jī)中的實(shí)踐應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氮氧化物排放的有效控制。

1? 汽油機(jī)熱力學(xué)模型分析

1.1 進(jìn)排氣系統(tǒng)模塊

研究一款1.5L4缸水冷渦輪增壓GDI汽油機(jī)，壓縮比為10，噴油方式為缸內(nèi)直噴;進(jìn)氣方式為渦輪增壓;氣缸布置為直列4缸;氣門(mén)數(shù)共16個(gè);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(gè)部分，其中最主要的就是進(jìn)排氣系統(tǒng)模塊。該模塊中包含以下部分：①進(jìn)排氣管道。進(jìn)排氣管道模塊需要將管道的直徑和長(zhǎng)度，同時(shí)做好對(duì)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(jì)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(jìn)排氣門(mén)應(yīng)輸入升程曲線，進(jìn)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(jī)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(diǎn)、持續(xù)期、形狀參數(shù)的設(shè)定，并擬和發(fā)動(dòng)機(jī)放熱率曲線。使用修正模型對(duì)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(wú)誤。

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

1.3 控制模塊

該模塊主要分為放氣閥開(kāi)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(kāi)度的調(diào)節(jié)，確?？刂颇K運(yùn)行滿足轉(zhuǎn)矩需求值。爆震控制模塊就是在對(duì)燃燒時(shí)起始點(diǎn)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(lèi)研究

廢氣再循環(huán)簡(jiǎn)稱EGR，即將發(fā)動(dòng)機(jī)排除的廢氣送入進(jìn)氣歧管，將廢氣和新鮮混合氣融合送入氣缸。重新進(jìn)入氣缸的廢氣會(huì)讓混合器稀釋?zhuān)瑢?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(duì)氮氧化物進(jìn)行排氣凈化裝置的設(shè)置，廢氣中二氧化碳無(wú)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的廢氣再循環(huán)方式就是在進(jìn)氣管內(nèi)導(dǎo)入燃燒過(guò)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(duì)廢氣再循環(huán)分類(lèi)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(dòng)機(jī)進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)由兩根凸輪軸單獨(dú)操作，再根據(jù)工況條件進(jìn)排氣凸輪相位，從氣門(mén)疊開(kāi)時(shí)產(chǎn)生排氣再循環(huán)。

②外部排氣再循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)需要從排氣管引出部分廢氣，將其通過(guò)進(jìn)氣門(mén)混入空氣送回氣缸，這一過(guò)程中混入系統(tǒng)的廢氣是冷卻的。廢氣再循環(huán)對(duì)汽油機(jī)的油耗與排放情況有著重要影響，過(guò)量空氣系數(shù)恒定時(shí)，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(lái)看，EGR率對(duì)汽油機(jī)油耗與排放的影響和過(guò)量空氣系數(shù)發(fā)展趨勢(shì)類(lèi)似，這是因?yàn)榉祷貧飧椎膹U氣讓沒(méi)有氧化的可燃物反應(yīng)幾率降低，強(qiáng)化了火焰激冷效應(yīng)，所以HC與C0排放不斷增加[2]。

3? EGR對(duì)汽油機(jī)排放與性能影響研究

3.1 EGR對(duì)汽油機(jī)排放的影響研究

了解汽油機(jī)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(guò)程中，NOX排放會(huì)呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，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(huì)對(duì)NOX的排放產(chǎn)生過(guò)多影響。EGR率在升高的同時(shí)，汽油機(jī)缸中溫度開(kāi)始降低，所以NOX的排放也會(huì)下降。一氧化碳在生成的過(guò)程中受到氧濃度、燃燒時(shí)溫度、壓力等因素影響，汽油機(jī)大負(fù)荷運(yùn)載時(shí)發(fā)生爆燃，此時(shí)點(diǎn)火角出現(xiàn)推遲現(xiàn)象，設(shè)備會(huì)對(duì)混合氣加濃處理，從而保護(hù)硬件設(shè)施安全，這時(shí)燃料存在不完全燃燒的現(xiàn)象，導(dǎo)致CO一時(shí)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(jī)處于中小程度負(fù)荷時(shí)，一氧化碳的排放情況與動(dòng)力學(xué)相關(guān)，燃料的完全燃燒會(huì)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(jī)缸中燃燒溫度下降，從而有效抑制二氧化碳進(jìn)一步分解，所以CO排放降低。HC排放和汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室粹熄有關(guān)，也與潤(rùn)滑油膜吸附作用有關(guān)，有時(shí)燃燒室內(nèi)的沉淀物也會(huì)影響排放程度。

針對(duì)廢氣再循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，影響HC排放程度的主要因素是燃燒室粹熄問(wèn)題，EGR在升高的同時(shí)缸內(nèi)溫度下降，粹熄距離拉開(kāi)，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(shí)可能會(huì)存在失火現(xiàn)象，這時(shí)HC排放會(huì)短時(shí)間內(nèi)迅速升高。隨著EGR率增加，當(dāng)排放量保持不變時(shí)，過(guò)量空氣系數(shù)也會(huì)不變，燃燒持續(xù)期的延長(zhǎng)給一氧化碳的生產(chǎn)提供了時(shí)間，但是缸中燃燒溫度降低對(duì)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?xì)浠衔镆驗(yàn)槿紵掷m(xù)期延長(zhǎng)而不斷產(chǎn)生，隨著EGR增加，碳?xì)浠衔锍霈F(xiàn)的越來(lái)越多，但轉(zhuǎn)速提高后，碳?xì)浠衔锷仙_(kāi)始放緩[3]。

3.2 EGR對(duì)汽油機(jī)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(duì)汽油機(jī)的動(dòng)力性有一定的影響。每分鐘1900r全負(fù)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(kāi)始減少，這對(duì)汽油機(jī)動(dòng)力性的提升不利，此時(shí)燃燒穩(wěn)定性也會(huì)變差。與其他負(fù)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(diǎn)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(fù)荷優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)充分考慮燃燒穩(wěn)定性和動(dòng)力性兩方面影響因素，確保EGR率達(dá)到最佳。

分析低壓EGR對(duì)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(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性效益，并有效降低氮氧化物排放。沒(méi)有經(jīng)過(guò)標(biāo)定的排放模型在精度方面存在不足，且汽油機(jī)燃燒時(shí)對(duì)排放進(jìn)行控制的壓力較小，本次實(shí)驗(yàn)研究不考慮低壓EGR對(duì)汽油機(jī)排放產(chǎn)生的影響。應(yīng)用低壓廢氣再循環(huán)的時(shí)候，為了確保動(dòng)力性維持在一定水平，應(yīng)提高增加壓力，讓新鮮空氣進(jìn)氣量保持不變，通過(guò)短米勒循環(huán)計(jì)算外特性不同轉(zhuǎn)速下EGR率時(shí)，汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化。EGR率在增加的過(guò)程中，汽油機(jī)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(jī)缸中最高溫度會(huì)隨著EGR率的增加而下降，此時(shí)爆震傾向也會(huì)降低，所以可以對(duì)CA50適當(dāng)提前，提高汽油機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效果，但是燃燒持續(xù)期會(huì)增加，所以在運(yùn)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(shí)，氣缸做功氣體的質(zhì)量和燃燒壓力隨之增加，對(duì)汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性有益處。在允許范圍內(nèi)，EGR上升會(huì)突出汽油機(jī)運(yùn)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性，使渦前排溫降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速不同時(shí)，應(yīng)用廢氣再循環(huán)可以對(duì)渦前排溫有效改善。比如EGR率為16%的時(shí)候，與沒(méi)有EGR對(duì)比而言，每分鐘1000r時(shí)油耗下降6.7%，渦前排溫降低120K;每分鐘2000r時(shí)油耗降低2.7%，渦前排溫降低90K;每分鐘2800r時(shí)油耗降低4.7%，渦前排溫降低110K;每分鐘4000r時(shí)油耗出現(xiàn)上升的發(fā)展趨勢(shì)，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(qiáng)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(dá)目標(biāo)值。由此得知，低壓EGR雖然可以提升汽油機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效果，但也會(huì)引發(fā)部分負(fù)面影響，比如外特性引入廢氣再循環(huán)后會(huì)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(dá)到16%的時(shí)候，4000r/min的廢氣再循環(huán)冷卻器散熱功率為9.6kE，評(píng)估后發(fā)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行存在一定風(fēng)險(xiǎn)。廢氣再循環(huán)率過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著EGR率的不斷升高，汽油機(jī)油耗率得到改善，但是EGR率過(guò)高會(huì)影響燃燒的穩(wěn)定性。小負(fù)荷的EGR可以讓泵氣損失減少，中等負(fù)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(shí)，EGR率升高時(shí)，全負(fù)荷轉(zhuǎn)矩經(jīng)歷著先增加后減小的變化趨勢(shì)，此時(shí)汽油機(jī)燃燒穩(wěn)定性受到影響。

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