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EGR和稀燃对GDI发动机性能和排放特性的影响

2020-04-13 20:28:12·  来源：内燃机学报  
　
随着汽车排放法规愈加严格，车辆需要进一步改善燃油经济性和降低尾气排放，汽油直喷(GDI)发动机因为具有较好的燃油经济性和低的CO2排放而受到关注。稀燃技术被认
随着汽车排放法规愈加严格，车辆需要进一步改善燃油经济性和降低尾气排放，汽油直喷(GDI)发动机因为具有较好的燃油经济性和低的CO2排放而受到关注。稀燃技术被认为是提高GDI发动机热效率的有效途径之一，同时稀燃有助于改善发动机的颗粒物排放．稀燃时过量空气有利于燃烧更加充分，并且泵气损失和缸壁传热损失降低，从而使发动机热效率得到提高，但是过量空气系数过高，燃烧稳定性降低。废气再循环(EGR)技术正在逐渐被应用于汽油机，用来降低燃油消耗和NOx排放。此外，EGR还具有减少GDI汽油机颗粒物排放的潜力。EGR和稀燃的结合有望降低NOx排放，同时提高发动机燃油经济性.本次推文在发动机台架上进行了EGR和过量空气稀释的试验，以稀释率为基准，对比了EGR和过量空气稀释对GDI发动机性能和排放影响。同时研究了EGR和过量空气稀释复合作用对发动机性能的影响，测试并分析了颗粒物排放、颗粒物数量(PN)、粒径和颗粒物尺寸分布。

1、试验装置和方法
 
试验使用的发动机为排量1.8L的涡轮增压直喷汽油机，发动机及测试系统如图1所示。利用空气对测试的废气进行二级稀释，一级稀释比为5，二级稀释比为20。发动机试验选择WLTC的典型工况，转速为2100r/min，平均有效压力(BMEP)为0.44MPa，进气温度为21℃，利用单独冷却水对EGR进行冷却，冷却后在26℃以下，在节气门前引入到进气。发动机引入外部冷却废气对进气进行稀释，EGR流量通过手动气阀进行调节，测量进气CO2体积分数和排气CO2体积分数以计算EGR率。过量空气稀释率是过量空气的质量流量与混合气总质量流量的比值。
 
图1 GDI发动机排放测试平台
 
2、EGR和过量空气稀释对燃烧的影响
 
图2为EGR和过量空气稀释下的进气氧体积分数。化学计量比时的EGR和过量空气稀释下的氧体积分数呈不同的变化趋势，EGR的引入导致进气中的氧体积分数大幅降低。当EGR稀释率为21%时，氧体积分数降低到18%。过量空气稀释时，氧体积分数基本保持不变，过量空气稀释后的氧体积分数高EGR稀释后的氧体积分数，有利于扩大过量空气稀释下的失火界限。
 
图2 EGR和过量空气稀释下的氧体积分数
 
图3为过量空气稀释和EGR稀释下的燃烧特性。图3a中，在EGR稀释率为7.5%和过量空气稀释率为8.5%时，过量空气稀释下的放热率峰值高EGR稀释下的放热率峰值，放热率峰值时的相位相当。过量空气稀释率为15.8%时，放热率峰值和相位分别小幅降低和推迟；EGR稀释率为15.8%时，放热率峰值大幅降低，放热率峰值对应的相位明显推迟。相比过量空气稀释，EGR对燃烧放热影响更加明显，这是由于EGR添加使缸内氧体积分数降低，废气的热容效应使新鲜充量的比热容增加，使燃烧放热过程变缓。图3b中，随着过量空气稀释率和EGR稀释率的增加，COV逐渐升高，燃烧稳定性变差，EGR稀释时的COV升高比过量空气稀释时的快。EGR稀释时氧体积分数降低，同时使缸内的非活性气体增加(CO2和水蒸气)，降低燃烧反应速率。燃烧持续期的延长放大了不稳定湍流所导致的循环变动。过量空气稀释时混合气浓度降低，导致燃烧火焰温度的降低，相对不变的氧体积分数对燃烧反应影响较小。
 
图3c和图3d为EGR和过量空气稀释对着火延迟期和速燃期的影响，随着稀释率的增加，着火延迟期(CA0-10)和速燃期(CA10-50)逐渐增加，过量空气稀释下的CA0-10和CA10-50增加幅度相比EGR稀释时的增加幅度小。因为EGR稀释使缸内的氧体积分数降低，工质的比热容增加，抑制混合气的燃烧，燃烧化学反应过程变慢，使混合气燃烧速率降低。
 
 
图3 过量空气稀释和EGR稀释下的燃烧特性
 
3、EGR和过量空气稀释对热效率和排放的影响
 
图4为EGR和过量空气稀释对发动机热效率的影响。随着稀释率的增加，过量空气稀释条件下发动机热效率升高，在稀释率为21.9%时发动机热效率升高6.3%。在EGR稀释作用下，发动机热效率升高幅度小于2%。随着稀释率的增加，节气门开度增加，降低了泵气损失，发动机热效率增加。EGR稀释率较大时，增加的CO2和N2会抑制燃烧反应，燃烧持续期延长，导致燃烧效率和发动机稳定性变差，发动机效率开始下降。
 
图4 过量空气稀释和EGR稀释对发动机热效率的影响
 
图5为EGR和过量空气稀释对发动机气体排放的影响。EGR稀释(化学计量比混合气)时的NOx排放随着EGR稀释率的增加而大幅降低。在EGR稀释率为21% 时，NOx 排放降低到 354×10-6，EGR的引入导致高比热容的CO2和H2O增加，工质比热增加，氧体积分数降低，从而导致燃烧温度降低，有利于NOx形成的高温富氧环境的温度和氧体积分数都降低。过量空气稀释导致燃烧温度降低，NOx 排放小幅降低。图5a中，随着过量空气稀释率增加，HC排放逐渐减少，相对富裕的氧体积分数有利于HC氧化。
 
图5 过量空气稀释和EGR对气体排放的影响
 
4、EGR和空气复合稀释对颗粒物排放的影响
 
汽油机颗粒物排放已经成为排放法规中严格限制的项目，笔者对复合稀释下的尾气中的颗粒物排放进行了测量。图6为不同稀释工况下的颗粒物尺寸分布和表面积浓度．EGR稀释下(工况1：EGR率=21%)的颗粒物排放大幅降低，主要是尺寸小于20nm的核模态颗粒物浓度降低，与过量空气稀释率为30%条件时的浓度接近。过量空气稀释(工况2：ϕ＝1.2)条件下，充足的空气和较长的火焰发展持续期有利于改善混合气和减少局部浓混合气现象，过量空气稀释时的颗粒物排放低于化学计量比时的颗粒物排放。EGR和过量空气复合作用(工况3：EGR率＝15%，ϕ＝1.1)时，颗粒物尺寸分布更接近过量空气稀释下的尺寸分布，峰值浓度略有升高。然而，由EGR和过量空气稀释共同作用时的颗粒物表面积浓度尺寸分布(图8b)可知，颗粒物表面积浓度较低。引入EGR，导致颗粒物排放降低，主要是因为燃烧温度降低抑制了燃油热裂解形成的初级碳烟粒子，抑制H因子(燃烧化学反应中的H离子)反应，导致PN浓度大幅降低.EGR和过量空气稀释的复合作用使颗粒物排放具有过量空气稀释时的低颗粒物浓度，同时有低的颗粒物表面积浓度。
 
图6 复合稀释下的颗粒物尺寸分布和表面积浓度
 
在3种模式下的颗粒物粒径如图7a所示，EGR稀释下的粒径最大，EGR和过量空气复合稀释下的粒径低于过量空气稀释下的粒径。3种模式下的核模态和积聚态颗粒物浓度分布如图7b所示，EGR稀释下，核模态和积聚态颗粒物浓度最低，EGR和过量空气复合稀释下的积聚态颗粒物浓度升高，核模态颗粒物降低。充足的空气和较长的火焰发展期有利于改善混合气和降低局部浓混合气。
 
图7 复合稀释下的颗粒物尺寸和数量
 
结论
EGR稀释比过量空气稀释对燃烧稳定性的影响更显著；复合稀释时的燃油消耗率接近过量空气稀释时的燃油消耗率，燃油经济性较好，但燃烧稳定性和EGR稀释时相当。复合稀释下的NOx排放明显降低，获得与EGR稀释相似的低NOx排放；复合稀释时，PN和过量空气稀释时相当。
 
文献来源及推荐阅读
[1]赵立峰,苏向阳,于秀敏.EGR和稀燃对GDI发动机性能和排放特性的影响[J].内燃机报,2020,38(02):126-132.
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