關(guān)于廢氣再循環(huán)在汽油機(jī)上的潛力分析

隨著實(shí)際車輛行駛排放（RDE）法規(guī)的推出，對廢氣排放具有重要意義的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場范圍明顯擴(kuò)大，與此同時(shí)，在小型化發(fā)動(dòng)機(jī)上也涉及當(dāng)今流行的非化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行范圍。Mahle公司在現(xiàn)代量產(chǎn)廢氣渦輪增壓汽油機(jī)的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)使用高壓和低壓廢氣再循環(huán)以過量空氣系數(shù)=1達(dá)到廣泛且燃油耗優(yōu)化運(yùn)行。

1超出廢氣排放限值的可能性

現(xiàn)代高度小型化的渦輪增壓直噴汽油機(jī)配備帶三效催化轉(zhuǎn)化器的簡單的排氣后處理系統(tǒng)，并能以過量空氣系數(shù)λ=1運(yùn)行。在目前生效的新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）中，汽油機(jī)以化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行能完全滿足廢氣排放法規(guī)要求。

在用全球統(tǒng)一的輕型載貨車行駛試驗(yàn)循環(huán)[1]替代NEDC的進(jìn)程中，必須同時(shí)滿足實(shí)際車輛行駛排放（RDE）法規(guī)要求。在對汽油機(jī)最不利的情況下，RDE意味著要在寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)滿足嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)。在這方面，現(xiàn)代汽油機(jī)具有2個(gè)臨界運(yùn)行范圍，即為保護(hù)零件而加濃的運(yùn)行范圍和為提高扭矩的掃氣燃燒過程運(yùn)行范圍，此時(shí)，三效催化轉(zhuǎn)化器就不再能完全凈化廢氣中的有害物，并且在寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)或許會超出廢氣排放限值。

2用于化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行的方式

為采用不同方式使臨界運(yùn)行范圍以λ=1運(yùn)行，例如可以在設(shè)計(jì)廢氣渦輪增壓器時(shí)采用更耐高溫的材料，避免全負(fù)荷時(shí)加濃，但存在成本問題。將排氣歧管集成在氣缸蓋上也能減輕熱負(fù)荷，但排氣門的熱負(fù)荷仍非常高的，為此，Mahle公司提供了名為“Evotherm”或“Toptherm”（譯注：高耐熱）的中空充鈉冷卻排氣門[2]。通常將高壓廢氣再循環(huán)(EGR)作為有效減少全負(fù)荷加濃的措施。

為了提高扭矩，在現(xiàn)代渦輪增壓小型化汽油機(jī)上采用掃氣燃燒過程，并借助于優(yōu)化的配氣正時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)用吸入的新鮮空氣進(jìn)行掃氣，增大了渦輪前的熱焓,直接導(dǎo)致催化轉(zhuǎn)化器前λ稀薄,使以化學(xué)計(jì)量比工作的排氣后處理系統(tǒng)不能有效地發(fā)揮功效,并使三效催化轉(zhuǎn)化器短暫的吸附能力隱沒在這種境況中。

在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷運(yùn)行范圍內(nèi)，可以采用電輔助曲軸旋轉(zhuǎn)或輔助增壓機(jī)組的方法實(shí)施λ=1的運(yùn)行，即使在取消超化學(xué)計(jì)量比掃氣的情況下也能保持發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。

原則上也能采用總λ=1運(yùn)行，即燃燒室中采用濃混合氣運(yùn)行，而在氣門重疊較大的情況下，催化轉(zhuǎn)化器中的混合氣處于化學(xué)計(jì)量比狀態(tài)，此時(shí)燃油耗明顯增大。因催化轉(zhuǎn)化器將易著火的空燃混合氣直接進(jìn)行轉(zhuǎn)化，因而要防止催化轉(zhuǎn)化器出現(xiàn)高過熱現(xiàn)象，以避免催化轉(zhuǎn)化器的熱損壞。因該方法在燃油耗及催化轉(zhuǎn)化器的熱負(fù)荷方面存在缺陷，促使提出有關(guān)替代方案的問題，例如采用外部EGR。

3發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

選擇目前量產(chǎn)的1.0 L3缸增壓直噴汽油機(jī)作為試驗(yàn)載體，并采用近發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR管路布置方案，不僅可用于試驗(yàn)臺架上，而且能裝配在試驗(yàn)汽車上。無論是裝配式的高壓EGR，還是低壓EGR，都采用Mahle公司最佳的EGR冷卻器和EGR調(diào)節(jié)閥。

仔細(xì)設(shè)計(jì)了高壓EGR管路引入口的位置。為了確保再循環(huán)廢氣能盡可能均勻地分布，結(jié)合一維和三維模擬，試驗(yàn)了多種方案，并確保測量的正確性。同時(shí)，采用幾何形狀和尺寸優(yōu)化的開口逆流引入的方案，獲得了最佳的再循環(huán)廢氣分布狀況，并將發(fā)動(dòng)機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化到汽車上。下文示出了3種運(yùn)行工況點(diǎn)（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 250 r/min、平均有效壓力1.82 MPa；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 350 r/min、平均有效壓力1.40 MPa；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min、全負(fù)荷）的試驗(yàn)結(jié)果。通過測量進(jìn)氣管中的CO2含量來決定所提供的EGR率。

4低壓EGR用于運(yùn)行工況點(diǎn)1

圖1示出了低壓EGR用于運(yùn)行工況點(diǎn)1（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 250r/min、平均有效壓力1.82 MPa、全負(fù)荷）的測量值。其中，λ=1.11，超越了目標(biāo)窗口，通過改變噴油量實(shí)現(xiàn)λ=1，但這會使所考察的負(fù)荷工況點(diǎn)的燃油耗增加約2 g/(kW·h)。在該運(yùn)行工況點(diǎn)時(shí)廢氣放氣閥是完全關(guān)閉的，只能通過加大氣門重疊角來保持平均有效壓力1.82 MPa的負(fù)荷。如果同時(shí)應(yīng)用EGR和較大的氣門重疊角會導(dǎo)致燃油耗明顯增加，這樣并不能達(dá)到目標(biāo)，因此，在該運(yùn)行工況點(diǎn)因廢氣放氣閥關(guān)閉而應(yīng)用EGR是不明智的。

5低壓EGR用于運(yùn)行工況點(diǎn)2

對運(yùn)行工況點(diǎn)2（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 350 r/min、平均有效壓力1.40 MPa）試驗(yàn)結(jié)果的分析表明（圖2），一旦部分打開廢氣渦輪增壓器的放氣閥就顯現(xiàn)出低壓EGR的潛力。最初使用λ=1運(yùn)行會使燃油耗增加9 g/（kW·h），而應(yīng)用低壓EGR就能使燃油耗只增加約3 g/（kW·h），原則上能進(jìn)一步提高EGR率，并且不會受到穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)的限制。所選擇的EGR率在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是由相應(yīng)的EGR閥打開的橫截面來限定的，以便用于汽車上。

6低壓EGR用于運(yùn)行工況點(diǎn)3

圖3示出了運(yùn)行工況點(diǎn)3（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500r/min、全負(fù)荷）的試驗(yàn)結(jié)果。在量產(chǎn)中應(yīng)用掃氣燃燒過程的情況下，采用廢氣放氣閥部分打開的方法來達(dá)到平均有效壓力2.14 MPa 的目標(biāo)扭矩，此時(shí)，燃油耗在以λ=1運(yùn)行時(shí)增加26 g/（kW·h），而使用12%的低壓EGR率僅增加7g/（kW·h）。

圖4示出了運(yùn)行工況點(diǎn)3在壓氣機(jī)特性曲線場中的測量點(diǎn)。隨著低壓EGR質(zhì)量流量的增大，通過增加壓氣機(jī)的總質(zhì)量流量，測量點(diǎn)先平行于壓氣機(jī)限制界線移動(dòng)，在低壓EGR率為14%時(shí)，氣門重疊角增大到約20oCA，使最終測量的運(yùn)行點(diǎn)向更大的壓氣機(jī)質(zhì)量流量移動(dòng)。

如果在這個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)采用減小氣門重疊角替代低壓EGR,會使通過渦輪和壓氣機(jī)的質(zhì)量流量減小,進(jìn)而增大熱的內(nèi)部EGR而使燃燒變差,并提高了對增壓壓力的需求,因此，這種應(yīng)用方法會出現(xiàn)壓氣機(jī)特性曲線場中的運(yùn)行點(diǎn)向壓氣機(jī)限制界限移動(dòng)。隨著廢氣渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展，可以期待未來壓氣機(jī)具有更寬廣的特性曲線場，從而使壓氣機(jī)限制界線移向更小的質(zhì)量流量，屆時(shí)將重新評價(jià)減小氣門重疊角的潛力。

7用實(shí)際行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整

在分析發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場廢氣排放和燃油耗時(shí)，通常比較關(guān)注的是NEDC中具有代表性的低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷范圍。將小型化汽油機(jī)與低速化相結(jié)合，使這些運(yùn)行工況點(diǎn)移向中等負(fù)荷范圍。無論是低轉(zhuǎn)速的高負(fù)荷范圍，或高轉(zhuǎn)速的高負(fù)荷范圍，都屬于極端的行駛狀態(tài)（例如帶拖車在高山盤山公路上行駛）。

通過在歐洲試驗(yàn)行駛幾千公里已經(jīng)查明了這種汽油機(jī)搭載于配裝手動(dòng)變速器的C級轎車上的運(yùn)行工況點(diǎn)。在高度落差較小和限速的國家中，很少在采用掃氣燃燒過程或全負(fù)荷加濃的特性曲線場范圍內(nèi)行駛。與此相比，圖5示出了在德國不限速的高速公路和狀況良好的路面行駛情況。因此，與正常補(bǔ)充充氣和順暢的行駛方式一樣，發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場中2種降低廢氣排放技術(shù)的臨界運(yùn)行范圍對于真實(shí)的用戶行駛性能是非常重要的。

8動(dòng)態(tài)EGR在汽車上的應(yīng)用

圖6示出了傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)標(biāo)定（圖中“基本型”）與試驗(yàn)用汽油機(jī)搭載于C級轎車應(yīng)用EGR時(shí)標(biāo)定的比較，運(yùn)用試驗(yàn)臺標(biāo)定所獲得的知識，在汽車從第6檔1 250 r/min全負(fù)荷加速情況下，能良好地標(biāo)定到λ=1，其余偏差處于相應(yīng)配置的三效催化轉(zhuǎn)化器的吸附能力范圍內(nèi)。

9結(jié)語

2017年，汽油機(jī)必須滿足RDE法規(guī)的要求,在可能出現(xiàn)的最不利情況的背景下, Mahle公司通過試驗(yàn)臺和真實(shí)汽車上的試驗(yàn)后確認(rèn),EGR是在寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)實(shí)行λ=1運(yùn)行的最有效的方法。在發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場的掃氣運(yùn)行范圍內(nèi)，在標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定時(shí)增壓器廢氣放氣閥不完全關(guān)閉的情況下，低壓EGR始終具有重要意義，這樣，采用非化學(xué)計(jì)量比氣缸混合氣運(yùn)行的方法能補(bǔ)償在燃油耗方面的多數(shù)缺點(diǎn)。即使低壓EGR在充氣方面有所損失，但無論是在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，還是動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，都能避免扭矩?fù)p失。

處于批量應(yīng)用考慮，從成本-效益觀點(diǎn)來看，應(yīng)用低壓EGR是很有意義的。與高壓EGR系統(tǒng)相比，低壓EGR系統(tǒng)中的零部件承受的熱負(fù)荷明顯較低，而且再循環(huán)廢氣也較為清潔。而在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷運(yùn)行工況，為實(shí)現(xiàn)λ=1運(yùn)行，高壓EGR系統(tǒng)與其他可供選擇的技術(shù)方案存在競爭，例如采用整體式水冷排氣歧管，并與相應(yīng)改進(jìn)的排氣門及優(yōu)化的廢氣渦輪增壓器相結(jié)合的方法。

此外，高壓EGR或低壓EGR都能借助于消除節(jié)流來降低部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的燃油耗?，F(xiàn)代汽油機(jī)的定量調(diào)節(jié)需要精確調(diào)節(jié)EGR質(zhì)量流量，采用合適的EGR閥技術(shù)也能在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)達(dá)到精確的調(diào)節(jié)。RDE法規(guī)將于2017年生效，為了在均質(zhì)運(yùn)行的廢氣渦輪增壓汽油機(jī)上成功地批量應(yīng)用EGR，將面臨降低燃油耗，以及在用戶實(shí)際使用中降低廢氣有害物排放的艱巨任務(wù)。