楊如枝 滿興家 周正群 梁源飛 李露露

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007）

引言

隨著國家實現(xiàn)碳中和及碳達峰目標年限的明確提出，作為實現(xiàn)碳中和及碳達峰目標的重要措施，節(jié)能減排得到了更多的關注。作為汽車生產(chǎn)和保有量大國，我國長期致力于汽車的節(jié)能減排?；旌蟿恿ζ嚹軌蚪档?5%～40%的油耗，是節(jié)能減排的重要路線，而高熱效率的混合動力汽車專用發(fā)動機則是此路線的關鍵?；旌蟿恿ζ嚹軌蛲ㄟ^電機的輔助使發(fā)動機更多地工作在高效率區(qū)，因此，對于混合動力汽車專用發(fā)動機，可以采用針對高效率區(qū)間的優(yōu)化措施。

米勒循環(huán)以其較高的熱效率在混合動力汽車專用發(fā)動機上得到較為普遍的應用。米勒循環(huán)是通過進氣門的早關或晚關來實現(xiàn)有效壓縮比的變化，同時保持高膨脹比，實現(xiàn)壓縮比與膨脹比的分離[1-2]，進而提高發(fā)動機熱效率。但米勒循環(huán)由于較高的幾何壓縮比，爆震傾向大，會導致點火時刻推遲，油耗降低有限。EGR 的引入，能夠抑制爆震，使發(fā)動機的點火時刻能夠得到更大幅度的提前，從而改善燃燒，提高熱效率。此外，EGR 還起到減小泵氣損失和降低燃燒溫度的作用，能更大幅度地降低油耗，提高熱效率[3-4]。已有較多關于米勒循環(huán)和EGR 分別對燃燒特性與熱效率影響的研究[5-7]，但EGR 與米勒循環(huán)耦合研究較少。

增壓汽油機的EGR 分為高壓EGR 和低壓EGR，相比高壓EGR，低壓EGR 以其更好的混合氣冷卻效果、更好的缸-缸EGR 分配和更快的增壓器響應速率優(yōu)勢，更適合于汽油機[8-9]。此外，在大負荷時，相比高壓EGR，低壓EGR 可以實現(xiàn)更高的EGR 率。同時，由于低壓EGR 對排氣背壓的影響較小，對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的提高有更好的效果[10]。因此，本文基于某款混合動力汽車專用增壓米勒循環(huán)汽油機，在不同負荷下，通過試驗研究低壓EGR 對燃燒特性和經(jīng)濟性的影響，為混合動力汽車專用發(fā)動機熱效率提高提供理論依據(jù)。

1 試驗設備及試驗方法

1.1 試驗設備

試驗發(fā)動機為一臺混合動力汽車專用直列四缸增壓米勒循環(huán)PFI 汽油機，其基本參數(shù)如表1 所示。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

試驗采用的主要設備及測試參數(shù)如表2 所示。

表2 試驗設備

低壓EGR 系統(tǒng)回路如圖1 所示，從三元催化器后端取廢氣，引入到壓氣機前端。

圖1 低壓EGR 系統(tǒng)回路

1.2 試驗方案

1.2.1 試驗工況選擇

為了更全面地研究低壓EGR 對發(fā)動機性能的影響，參考搭載該發(fā)動機的串并聯(lián)混合動力車型的WLTC 循環(huán)試驗運行工況，部分負荷工況選取轉速分別為1 600、2 000、2 800 和3 600 r/min，負荷分別為0.4、1.0 和1.4 MPa，分別代表發(fā)動機的小、中和高負荷工況。由于混合動力汽車專用發(fā)動機對外特性轉矩的要求降低，所以考慮在外特性工況引入EGR，綜合考慮轉矩降低與油耗降低收益，選取外特性轉速分別為2 000 r/min 和4 000 r/min。

1.2.2 試驗測試方法

在原機標定的基礎上，保持進、排氣VVT 不變，通過控制節(jié)氣門或廢氣旁通閥開度，保持發(fā)動機的負荷不變。然后通過調節(jié)EGR 閥和混合閥的開度，實現(xiàn)不同廢氣量的引入，得到不同的EGR 率。EGR率從0 持續(xù)增加，直至燃燒出現(xiàn)不穩(wěn)定而無法保持發(fā)動機負荷。針對每個穩(wěn)態(tài)工況，通過調節(jié)點火時刻和當量比等參數(shù)使燃油消耗率達到最低。此外，爆震傾向大的工況，盡量將發(fā)動機調節(jié)到爆震極限。

試驗工況的EGR 率通過測量進氣歧管、排氣管路以及大氣環(huán)境中的CO2體積分數(shù)，應用公式（1）計算得到：

式中：φ（CO2）in為進氣歧管的CO2體積分數(shù)，%；φ（CO2）exh為排氣管的CO2體積分數(shù)，%；φ（CO2）air為空氣中的CO2體積分數(shù)，%。

2 試驗結果及分析

2.1 低壓EGR 對發(fā)動機小負荷性能的影響

2.1.1 小負荷燃燒特性

燃燒參數(shù)主要包括CA50 和燃燒持續(xù)期，CA50定義為累計放熱量為50%時所對應的曲軸轉角，而燃燒持續(xù)期則被定義成累積放熱量從10%到90%的曲軸轉角間隔期。在進行發(fā)動機臺架標定時，通過調節(jié)點火時刻，將CA50 控制在8～12°CA 的范圍內，這是油耗最低的區(qū)間，能得到高熱效率。

圖2 為小負荷時點火提前角與EGR 率的關系曲線。

圖2 小負荷點火提前角與EGR 率的關系曲線

從圖2 可以看出，在負荷為0.4 MPa、不同轉速的各工況下，隨著EGR 率的增大，點火提前角增大。原因是隨著EGR 率的增加，進入氣缸的廢氣量增多，廢氣對缸內燃油混合氣的稀釋作用增強，導致氧氣分子與燃油分子的碰撞幾率降低[11]。而且，缸內混合氣的比熱容隨之增大，燃燒溫度降低，導致點火時刻推遲。因此，可通過點火時刻的提前使之保持油耗最低。此外，由于廢氣的稀釋作用，缸內火焰?zhèn)鞑ニ俾氏陆?，導致CA50 增大，遠離最低油耗區(qū)域，需要增大點火提前角。

圖3 為小負荷時CA50、燃燒持續(xù)期與EGR 率的關系曲線。

從圖3 可以看出，隨著EGR 率的增大，CA50 呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。原因是當EGR 率增大到一定程度，燃燒穩(wěn)定性變差，導致COV 增大（如圖4 所示）。此時，雖然點火時刻仍然保持提前，但大量廢氣的稀釋作用阻礙了火焰的傳播，導致燃燒速率進一步下降，CA50 增大。

圖3 小負荷CA50、燃燒持續(xù)期與EGR 率的關系曲線

圖4 小負荷COV 與EGR 率的關系曲線

隨著EGR 率的增大，燃燒持續(xù)期延長。EGR 率增大，加入缸內的廢氣量增多，會進一步降低火焰?zhèn)鞑ニ俾?，使得燃油混合氣的燃燒速度放緩，即燃燒持續(xù)期延長。

2.1.2 小負荷經(jīng)濟性

圖5 為小負荷時節(jié)氣門開度與EGR 率的關系曲線。

圖5 小負荷節(jié)氣門開度與EGR 率的關系曲線

從圖5 可以看出，節(jié)氣門開度隨著EGR 率的增大而增大。原因是EGR 率增大，引入到壓氣機前的廢氣量增加，導致新鮮空氣量減少。為了保持發(fā)動機負荷不變，要求節(jié)氣門開度增大，增加進氣量[12]。節(jié)氣門開度增大，使得進氣歧管的壓力升高（如圖6 所示）。而進氣壓力的升高，則使節(jié)氣門兩側的壓差減小，進而減小了泵氣損失，油耗降低，熱效率提高。

圖6 小負荷進氣壓力與EGR 率的關系曲線

圖7 為小負荷時油耗與EGR 率的關系曲線。

圖7 小負荷油耗與EGR 率的關系曲線

從圖7 可以看出，隨著EGR 率的增加，油耗呈現(xiàn)出先下降后升高的趨勢。隨著EGR 率的增大，點火時刻提前，CA50 減小，加上泵氣損失減?。ㄈ鐖D8所示），油耗下降。與原機相比，1 600、2 000、2 800和3 600 r/min 工況的油耗分別下降了2%、0.5%、0.83%和0.88%。但當EGR 率增大到一定程度，廢氣對燃燒速率的阻礙作用增大，導致CA50 增大。雖然泵氣損失減小，但燃燒速率下降的影響占主導地位，從而導致油耗升高，經(jīng)濟性惡化。

圖8 小負荷PMEP 曲線

2.2 低壓EGR 對發(fā)動機中負荷性能的影響

2.2.1 中負荷燃燒特性

圖9 為中負荷時CA50 與EGR 率的關系曲線。

圖9 中負荷CA50 與EGR 率的關系曲線

從圖9 可以看出，在1 600、2 000 和2 800 r/min工況，在加入EGR 前，CA50 均未能保持在8～12°CA區(qū)間。可知在中低速工況加入EGR 前，爆震傾向較大，點火時刻均有不同程度的推遲，導致CA50 偏離最低油耗區(qū)間。在3 600 r/min 工況，引入EGR 前后，CA50 均保持在8～12°CA 區(qū)間內。原因是在高速中負荷工況，發(fā)動機爆震傾向小，可通過提前點火來實現(xiàn)最低燃油消耗率。在2 000 r/min 和2 800 r/min 工況，引入EGR 后，由于EGR 廢氣的比熱容較大，可吸收部分放熱量，能降低燃燒溫度和壓力，減小了發(fā)動機的爆震傾向。因此，可通過加大點火提前角使CA50 減小，實現(xiàn)油耗最低。在1 600 r/min 工況，雖然引入EGR 后，CA50 減小，但始終無法達到最低油耗區(qū)間。原因是在低速工況，爆震傾向較嚴重，引入EGR 雖能降低爆震，但降低幅度不大。此外，由于低速工況催化器后和壓氣機前壓力差較小，能引入的最大EGR 率較小，也限制了爆震降低的幅度。

圖10 為中負荷時燃燒持續(xù)期、點火提前角與EGR 率的關系曲線。

圖10 中負荷燃燒持續(xù)期、點火提前角與EGR 率的關系曲線

從圖10 可以看出，隨著EGR 率的增大，點火時刻提前，燃燒持續(xù)期延長。其原因首先是引入EGR廢氣使點火時刻延遲；其次是EGR 可減小低速工況的爆震傾向。因此，能將點火時刻修正為油耗較低的位置。燃燒持續(xù)期延長則是因為EGR 廢氣的稀釋使缸內混合氣比熱容增大，缸內壓力和溫度下降，導致火焰?zhèn)鞑ニ俾式档汀?/p>

圖11 為中負荷時pmax、Apmax與EGR 率的關系曲線。圖中，pmax為缸內燃燒壓力峰值，Apmax為缸內燃燒壓力峰值對應的曲軸轉角。

圖11 中負荷pmax、Apmax 與EGR 率的關系曲線

由圖11 可知，壓力峰值pmax隨EGR 率的增大而增大，而Apmax則呈現(xiàn)減小的趨勢，壓力峰值出現(xiàn)時刻提前。原因是EGR 的稀釋作用和比熱容增大效果，使壓力峰值減小，燃燒速率降低，Apmax減小。但點火提前角的大幅增加，能使中負荷工況運行在爆震邊界。因此，氣缸壓力峰值pmax增大，且Apmax減小，壓力峰值出現(xiàn)時刻提前。

2.2.2 中負荷經(jīng)濟性

圖12 為中負荷時油耗與EGR 率的關系曲線。

圖12 中負荷油耗與EGR 率的關系曲線

從圖12 可以看出，隨著EGR 率的增大，油耗呈下降趨勢。在1 600、2 000、2 800 和3 600 r/min 的中負荷工況，與原機相比，油耗最大降幅分別為4.1%、4.8%、5.6%和2.5%。在2 800 r/min 工況，油耗下降幅度最大。原因在于原機的CA50 增大較多，加入EGR后，能較大幅度降低爆震傾向，導致CA50 減小較多，處于最低油耗區(qū)間。而在1 600 r/min 和2 000 r/min工況，雖然也通過增大點火提前角來減小CA50，但由于最大EGR 率引入的限制，導致CA50 未能達到油耗最低的區(qū)間，使油耗降幅低于2 800 r/min。在3 600 r/min 工況，油耗降幅最小，則是由于原機爆震傾向小，引入EGR 率后，CA50 減幅小，且泵氣損失有所增加。

在2 800 r/min 和3 600 r/min 工況，當EGR 率增大到一定程度后，油耗變化不大，甚至會有所增加。原因是隨著EGR 率的增加，缸內進氣量減少，為了保持負荷不變，需要提高增壓壓力，而此時節(jié)氣門已全開，只能通過減小廢氣旁通閥開度WG 來提高增壓壓力（如圖13 所示），但這樣會導致排氣背壓增加，使泵氣損失增加（如圖14 所示）。泵氣損失增加帶來的油耗升高影響接近或大于CA50 減小帶來的油耗下降收益，導致油耗降幅變小。

圖13 中負荷廢氣旁通閥開度與EGR 率的關系曲線

圖14 中負荷泵氣損失與EGR 率的關系曲線

2.3 低壓EGR 對發(fā)動機大負荷性能的影響

2.3.1 大負荷燃燒特性

圖15 為大負荷時CA50 與EGR 率的關系曲線。

圖15 大負荷CA50 與EGR 率的關系曲線

從圖15 可以看出，在不同轉速的大負荷工況，CA50 均較大，遠離最低油耗區(qū)間。說明大負荷工況，原機的爆震傾向較大，只能通過推遲點火來避免爆震。而且，CA50 隨轉速的增加而減小，說明低轉速大負荷工況的爆震傾向最大。隨著引入EGR 率的增大，不同轉速的點火提前角增大（如圖16 所示），CA50 呈減小趨勢。因為EGR 對爆震有抑制作用，降低了爆震傾向，可將點火時刻提前以獲得更小的CA50，降低油耗。但中低速工況的CA50 始終難以減小至油耗最低的區(qū)域8～12°CA，僅3 600 r/min 工況能保持在12°CA 附近。說明EGR 能較好地解決較高轉速工況因爆震引起的點火推遲問題。

圖16 大負荷點火提前角與EGR 率的關系曲線

圖17 為大負荷時燃燒持續(xù)期與EGR 率的關系曲線。

圖17 大負荷燃燒持續(xù)期與EGR 率的曲線

從圖17 可以看出，隨著EGR 率的增大，燃燒持續(xù)期延長。主要原因在于EGR 的稀釋作用和混合氣比熱容提高，火焰?zhèn)鞑ニ俾式档汀?/p>

2.3.2 大負荷經(jīng)濟性

圖18 為大負荷時泵氣損失與EGR 率的關系曲線圖。

圖18 大負荷泵氣損失與EGR 率的關系曲線

從圖18 可以看出，隨著EGR 率的增大，泵氣損失PMEP 呈增大趨勢。其原因是在大負荷工況，節(jié)氣門已全開，為了保持EGR 未引入前的負荷，需要增大進氣壓力，使進氣量增加，但只能通過減小廢氣旁通閥的開度來增大進氣壓力，導致泵氣損失增加。而泵氣損失增加，會導致油耗升高。但圖19 顯示，隨著EGR 率的增大，油耗降低。1 600、2 000、2 800 和3 600 r/min 工況的油耗最大降幅分別為7.54%、8.91%、9.87%和15.9%。由此可知，燃燒優(yōu)化帶來的油耗下降收益大于泵氣損失增加導致的油耗升高惡果，使得油耗下降。大負荷的油耗降幅隨轉速的增大而增大，主要原因是高轉速時，能夠引入的EGR 率更大，能更大程度地抑制爆震，使CA50 減小。

圖19 大負荷油耗與EGR 率的關系曲線

2.4 低壓EGR 對發(fā)動機外特性性能的影響

外特性的研究選取最大轉矩的最小轉速和最大轉速，分別為2 000 r/min 和4 000 r/min。外特性可引入的EGR 率有限，最大僅10%。

圖20 為外特性CA50、點火提前角與EGR 率的關系曲線。

圖20 外特性CA50、點火提前角與EGR 率的關系曲線

從圖20 可以看出，隨著EGR 率的增大，點火提前角增大。隨著EGR 率的增大，2 000 r/min 工況的CA50 減??；在4000r/min 工況，當EGR 率增加到10%時，燃燒穩(wěn)定性變差，COV 增加，導致CA50 增大。

在外特性工況，過高的排氣溫度會損壞渦輪，為保護渦輪，將渦前溫度的最大值設為930 ℃。為保證渦前溫度不超過限值，會增加噴油，加濃混合氣，這樣會導致油耗升高。

圖21 為外特性當量比、油耗與EGR 率的關系曲線。

圖21 外特性當量比、油耗與EGR 率的關系曲線

從圖21 可以看出，引入EGR 后，EGR 能夠降低缸內燃燒溫度和爆震傾向，減少混合氣加濃，降低油耗。引入EGR 后，在2 000 r/min 工況，混合氣當量比從0.88 增大到1；在4 000 r/min 工況，混合氣當量比則從0.77 增大到0.9，2 000 r/min 和4 000 r/min 工況的油耗降幅分別為8.3%和19%。但由于EGR 的引入，使外特性新鮮空氣量減少，導致2 000 r/min 和4 000 r/min 工況的轉矩分別降低了14%和6.7%，如圖22 所示。

圖22 外特性轉矩與EGR 率的關系曲線

3 結論

1）在小負荷工況，隨著EGR 率的增大，點火提前角增大，燃燒持續(xù)期延長，CA50 呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。由于泵氣損失減小，使油耗降低，但油耗降低幅度較小，最大降幅僅為2%。

2）在中負荷工況，隨著EGR 率的增大，點火提前，CA50 減小，燃燒持續(xù)期延長，缸內燃燒壓力峰值增大，壓力峰值出現(xiàn)時刻提前。由于EGR 對爆震的抑制作用較大，燃燒重心CA50 減小，油耗降幅較大，最大降幅為5.6%。

3）在大負荷工況，由于原機爆震傾向大，EGR 對爆震的抑制作用，使燃燒重心CA50 明顯減小，促進油耗降低，最大降幅達15.9%。

4）在外特性工況，由于EGR 使缸內溫度降低，使渦前溫度降低，可減少缸內燃油混合氣的濃度，降低了油耗，2 000 r/min 和4 000 r/min 工況的油耗最大降幅分別為8.3%和19%，但新鮮空氣的減少導致2 000 r/min 和4 000 r/min 工況的轉矩分別降低了14%和6.7%。