外部EGR技术在高压缩比米勒循环发动机上的试验研究_吴.pdf

收稿日期 2013 07 08 基金项目 国家国际科技合作专项项目 2011DFA72050 内燃机燃烧学国家重点实验室开发课题 K2012 10 作者简介 吴学松 1983 男 博士 研究方向 内燃机先进技术应用 Email wuxs1 外部 EGR 技术在高压缩比米勒循环发动机上的试验研 究 吴学松 1 詹樟松1 尚宇1 刘斌1 胡铁刚1 裴毅强2 1 重庆长安汽车股份有限公司动力研究院 重庆 401120 2 天津大学 天津 300072 Experimental study about external EGR technology in a high compression ratio Miller cycle engine WU Xue song1 ZHAN Zhang song1 SHANG Yu1 LIU Bin1 HU Tie gang1 PEI Yi qiang2 1 Powertrain Engineering R D Center Chongqing Changan Automobile co LTD Chongqing 401120 China 2 Tianjin University Tianjin 300072 China Abstract Under the same intake air mass Miller cycle realized by LIVC and EIVC can reduce the pumping loss Meanwhile more heat energy is converted to mechanical energy because the expansion ratio is higher than the effective compression ratio In this way Miller cycle can improve the fuel economy Considered the power output at the high load the effective compression ratio should not be too small Then the fuel economy at the low load is sacrificed by this effect In order to solve this issue external Exhaust Gas Recirculation EGR technology is introduced in a high compression ratio Miller cycle engine The exhaust gas is reintroduced into the cylinder to optimize the combustion process in the partial load and improve the fuel economy and emission In this study different ratio of EGR is used to explore the effect of EGR technology on the engine performance and emission on a high compression ratio Miller cycle engine Results show that external EGR can obviously reduce the pumping loss and improve the fuel economy Vehicle fuel consumption can be reduced by 2 11 Meanwhile NOx emission is reduced because of the reduced maximum gas temperature and oxygen content In some partial load the NOx emission can be reduced by 88 5 Key words Pumping Loss External EGR High compression ratio Miller cycle NOx 摘要 米勒循环通过进气门早关或晚关 在相同进气量的条件下增大节气门开度 降低泵气损失 同时实现膨胀比大于有效压缩比 使更多的热能转换为机械能 改善燃油经济性 考虑到高负荷的动 力性 有效压缩比不能太小 因此 部分负荷燃油经济性改善程度受到限制 为解决这一难题 在高 压缩比米勒循环发动机上应用外部 EGR 技术 通过将发动机的部分废气重新引入气缸 实现对部分 负荷燃烧过程的优化控制 改善发动机的燃油经济性和排放性能 在一台高压缩比米勒循环发动机上 将不同比率的废气重新引入气缸 探究外部 EGR 技术对高压缩比米勒循环发动机的性能和排放的影 响 结果表明 在高压缩比米勒循环发动机上应用外部 EGR 技术 可有效降低发动机部分负荷下的 泵气损失 改善燃油经济性 整车百公里油耗改善 2 11 同时可降低缸内最高燃烧温度及含氧量 大量减少 NOx 排放 部分工况点甚至可降低 88 5 关键词 泵气损失 外部 EGR 高压缩比 米勒循环 NOx 排放 中图文类号 TK411 7 文献标识码 A 网络出版时间 2014 03 14 13 49 网络出版地址 收稿日期 2013 07 08 基金项目 国家国际科技合作专项项目 2011DFA72050 内燃机燃烧学国家重点实验室开发课题 K2012 10 作者简介 吴学松 1983 男 博士 研究方向 内燃机先进技术应用 Email wuxs1 0 概述概述 近年来能源危机与环境污染愈演愈烈 综合我国严格的三阶段油耗法规和国五排 放标准 对动力总成进行技术升级优化 提 高燃油经济性 满足节能减排的需求已成为 目前汽车行业的当务之急 1 2 米勒循环通过进气门早关或晚关 在相 同进气量的条件下保持较大的节气门开度 降低部分负荷泵气损失 同时也使发动机膨 胀比大于有效压缩比 令其能将更多的热能 转化为机械能 提高热效率 改善燃油经济 性 但在高负荷时进气门早关或晚关 进气 量不足 使其扭矩下降 损失其动力性 3 4 因此 为兼顾高负荷动力性和低负荷燃油经 济性 米勒循环的进气凸轮包角设计范围受 到限制 即部分负荷泵气损失改善效果受到 限制 2 5 同时 由于应用米勒循环技术后 发动机实际有效压缩比低于几何压缩比 为 保证发动机动力性能 米勒循环技术通常配 合高压缩比技术共同应用 在改善整机油耗 的同时兼顾动力性能 乘用车常用工况大部分在部分负荷点 为进一步提升米勒循环发动机部分负荷燃 油经济性 应用外部 EGR 技术 在部分负 荷时把一定量的废气重新引入到发动机的 进气歧管 和新鲜混合气混合后再次进入气 缸燃烧 进一步减小部分负荷泵气损失 并 保证高负荷动力性 6 7 同时 增加外部 EGR 后 缸内温度得到降低 可有效降低 NOx 排放 8 9 本研究在一台由长安自主开发的 1 6L 自然吸气高压缩比米勒循环汽油机上开展 试验过程中为确保缸内燃烧正常稳定 选取 EGR 率控制范围为 0 到 25 进行燃烧开发 试验 探究不同 EGR 率对高压缩比米勒循 环发动机油耗 排放等方面的影响 1 试验装置及方案和分析方法试验装置及方案和分析方法 1 1 试验装置试验装置 本试验基础机为长安某款 1 6L 自然吸 气高压缩比米勒循环汽油机 发动机具体参 数见表 1 试验过程中 使用 AVL 7351CME 型油 耗仪测量发动机油耗 原始排放使用 HORIBA MEXA 7100DEGR 型排气分析仪 测量 气缸压力使用 AVL ZI31 Y5S 型缸压 传感器测量 空燃比使用 ETAS LA4 型空燃 比仪 保证过量空气系数为 1 测量 表 1 发动机基本参数 基础机 缸径 mm 行程 mm 排量 ml 几何压缩比 进气凸轮包角 CA 78 83 6 1598 12 6 1 285 试验台架如图 1 所示 在试验中 通过 外部 EGR 控制管道 将部分废气由排气歧 管引出 并引入进气歧管和新鲜混合气混合 后再次进入气缸燃烧 流通路径如图2所示 图 1 发动机台架实物图 图 2 EGR 流通路径 1 2 1 2 试验方案试验方案 选取基础机的一组整车权重点为试验 工况点 采用外部 EGR 技术 同时优化点 火提前角和微调 VVT 相位 在保证燃烧稳 定性的基础上 对发动机的燃烧及排放特性 进行测量与分析 具体试验工况点见表 2 本试验中 EGR 率为体积比 EGR 率 引入气缸的废气体积 进入气缸的空气体积 引入气缸的废气体积 2 10 表 2 整车权重点 EGR 试验工况点 工况点 编号 试验工况点 r min MPa EGR 率 1 2 3 4 5 6 1750 0 07 1750 0 17 2250 0 27 2250 0 46 2500 0 10 3000 0 46 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 1 3 1 3 分析方法分析方法 首先 开展权重点加 EGR 试验研究 在上述各试验工况点分别加入 EGR 率为 5 10 15 20 25 的废气 间隔为 5 利用控制变量法调节电喷参数 点火 提前角 进排气 VVT 获得各 EGR 率下 最佳油耗 基于经验可知 随着 EGR 率的 增加 油耗变化呈现先下降后上升的趋势 油耗曲线的最低拐点对应的 EGR 率即为各 工况点的最佳 EGR 率 该 EGR 率下工况点 的油耗值最低 2 10 因此 本试验中各工况 点的实际 EGR 率控制 只需增大至油耗出 现最低拐点即可 若 EGR 率为 25 时仍未 出现油耗拐点 考虑缸内燃烧稳定性 则不 再继续增大 EGR 率 然后 开展整车油耗计算 对比应用外 部 EGR 技术前后的整车油耗 评估外部 EGR 技术对高压缩比米勒循环发动机搭载 整车的经济性影响 最后 通过试验结果及数据分析 明确 外部 EGR 技术对高压缩比米勒循环发动机 的燃烧特性及排放特性的影响 2 试验结果与分析试验结果与分析 2 1 试验结果试验结果 图 3 给出了在各试验工况点增加不同 EGR 率后的比油耗变化情况 由图可知 应 用外部 EGR 技术后各试验工况点比油耗均 有所改善 且随着 EGR 率增加 比油耗呈 现先下降后上升的趋势 7 10 12 0 200 400 600 800 1000 051015202530 比油耗比油耗 g kw h EGR率率 1750r min 0 07MPa1750r min 0 17MPa2250r min 0 27MPa 2250r min 0 46MPa2500r min 0 1MPa3000r rpm 0 46MPa 图 3 各工况点比油耗随 EGR 率增大的变化曲线 由上述分析可知 各工况点均存在最佳 EGR 率 即在该 EGR 率下此工况点油耗最 低 表 3 给出了各工况点最佳 EGR 率下油 耗改善情况 由表 3 可以看出 各试验工况 点在最佳 EGR 率条件下 油耗均有明显改 善 其中工况点 2500r min 0 1MPa 在 EGR 率为 5 的条件下 节油效果达到 2 13 表 3 各工况最佳 EGR 率节油效果 工况点 编号 EGR 率 比油耗 g kWh 油耗改善 1 0 886 4 0 64 5 880 7 2 0 478 8 0 89 5 474 5 3 0 378 0 1 56 10 372 1 4 0 295 1 1 66 15 290 2 5 0 630 9 2 13 5 617 5 6 0 298 0 2 24 15 291 3 图4给出了整车权重点及其所占权重的 情况 由图可得 整车权重点多为中低负荷 工况点 通过整车权重点计算整车油耗的方 法 得出整车 NEDC 估计油耗 如图 5 所示 由图可知 增加外部 EGR 技术后 NEDC 循环整车百公里油耗改善 2 11 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 100015002000250030003500 转速 转速 r min 负荷 负荷 MPa 1750r min 0 07MPa1750r min 0 17MPa2250r min 0 2MPa 2250r min 0 46MPa2500r min 0 1MPa3000r min 0 46MPa 图 4 整车权重点计算法 6 55 6 6 6 65 6 7 6 75 6 8 NEDC循环百公里油耗 循环百公里油耗 L 基础机 目标机 图 5 整车油耗对比 由分析可知 外部 EGR 技术不仅对燃 油经济性有一定的改善效果 同时对排放也 有一定影响 10 13 图 6 图 8 给出了 NOx CO 及 HC 等原始排放随 EGR 率的变化趋 势 由图 6 可得 增加外部 EGR 技术后 各工况点 NOx 排放量均明显减少 由图 7 可得 EGR 技术对 CO 的影响较为复杂 无 明显规律 由图 8 可得 随着 EGR 率的增 加 HC 排放逐渐增加 表 4 给出了各工况 点最佳 EGR 率下排放变化情况 可以看出 最佳 EGR 率下的各 NOx 排放均有所降低 CO 排放无明显规律 HC 排放均有所升高 但仍可通过常规后处理系统处理 其中 2250r min 0 46MPa 在最佳 EGR 率下 NOx 排放降低 70 4 改善效果最为明显 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 051015202530 NOX EGR率率 1750r min 0 07MPa1750r min 0 17MPa2250r min 0 27MPa 2250r min 0 46MPa2500r min 0 1MPa3000r min 0 46MPa 图 6 NOx 排放随 EGR 率增大的变化曲线 3 5 4 4 5 5 5 5 6 6 5 7 7 5 051015202530 CO EGR率率 1750r min 0 07MPa1750r min 0 17MPa2250r min 0 27MPa 2250r min 0 46MPa2500r min 0 1MPa3000r min 0 46MPa 图 7 CO 排放随 EGR 率增大的变化曲线 1 2 3 4 5 6 7 051015202530 HC EGR率率 1750r min 0 07MPa1750r min 0 17MPa2250r min 0 27MPa 2250r min 0 46MPa2500r min 0 1MPa3000r min 0 46MPa 图 8 HC 排放随 EGR 率增大的变化曲线 由上述数据可得 引入外部 EGR 后 对比原状态 未引入 EGR 整车油耗改善 2 11 NOx 排放大幅度下降 对 CO 排放 影响无明显规律 HC 排放部分增加 4 6 8 10 其中 引入 EGR 后 CO 排放基本都保持在 5 最大为 6 77 HC 排放基本都保持在 3 左右 最大为 3 86 均符合企业标准 可通过常规三元催化器完全处理 表 4 各工况最佳 EGR 率排放情况 工 况 点 编 号 EGR 率 NOx NOx 改善 CO CO 改 善 HC HC 改善 1 0 0 29 23 7 6 41 5 6 3 37 14 6 5 0 22 6 77 3 86 2 0 0 28 46 2 5 88 3 2 2 61 18 2 5 0 15 6 07 3 08 3 0 1 12 57 4 5 57 11 7 2 47 13 7 10 0 48 4 92 2 81 4 0 1 14 70 4 5 02 0 3 2 17 17 2 15 0 34 5 04 2 54 5 0 0 82 20 7 4 52 2 7 2 39 6 4 5 0 65 4 40 2 54 6 0 1 26 62 1 5 24 12 1 1 84 25 5 15 0 48 4 61 2 31 本研究基础机为高压缩比米勒循环发 动机 上述试验数据表明外部 EGR 技术对 发动机产生的影响 论证了外部 EGR 技术 在高压缩比米勒循环发动机上的节能减排 潜力 实现整机油耗进一步改善 2 左右 同时 NOx HC 和 CO 排放均满足企业标准 不会增加整机排放系统成本 2 2 2 2 分析与讨论分析与讨论 上述试验结果表明 在高压缩比米勒循 环发动机上应用外部 EGR 技术后 各工况 点比油耗 NOx 排放 CO 排放及 HC 排放 均有变化 且随着 EGR 率的变化 呈现不 同的变化趋势 为解释上述试验结果 选取 2250r min 0 46MPa 工况点 权重占比最高 对进气总管压力 泵气损失 缸内最高燃烧 温度 指示热效率和 CO 排放等试验数据进 行深入分析探究 2 2 1 2 2 1 外部外部 EGREGR 节油效果分析节油效果分析 图9给出了该工况点下进气总管压力及 泵气损失测量值随 EGR 率的变化曲线 由 图可以看出 随着 EGR 率增大 进气总管 压力逐渐增加 泵气损失降低 2 10 原因是 随着 EGR 率增加 引入进气歧管的废气越 来越多 使得进气总管压力不断提升 节气 门后的真空度降低 泵气损失下降 0 5 10 15 20 25 30 35 40 62 64 66 68 70 72 74 76 0510152025 泵气损失泵气损失 KPa 进气总管压力进气总管压力 kPa EGR率率 进气总管压力泵气损失 图 9 2250r min 0 46MPa 进气总管压力 泵气损 失测量值随 EGR 率增大的变化曲线 图 10 给出了该工况点下 指示热效率 及比油耗随 EGR 率的变化趋势 由图可得 比油耗先下降后上升 结合图 9 可知 随着 EGR 率增加 引入进气总管的压力增加 泵 气损失得到改善 因此油耗减少 但是 由 图 10 所示的指示热效率可知 指示热效率 呈现先增大后降低的趋势 当 EGR 率增加 到一定程度 引入进气系统的废气越来越 多 影响燃烧过程 使其恶化 HC 排放增 加 燃烧效率下降 制约了油耗的进一步改 善 12 14 综合上述分析可得 导致比油耗先减少 后增加的变化趋势 是因为在引入较小 EGR 率废气时 泵气损失有所改善且燃烧效率变 化不大 因此比油耗有所降低 但随着 EGR 率的进一步增加 引入气缸的废气增加 燃 烧过程恶化程度明显 因此比油耗有所增加 11 15 36 2 36 4 36 6 36 8 37 0 37 2 37 4 37 6 289 290 291 292 293 294 295 296 0510152025 指示热效率指示热效率 比油耗比油耗 g kw h EGR率率 比油耗指示热效率 图 10 2250r min 0 46MPa 各参数随 EGR 率变化趋 势 因此 在高压缩比米勒循环发动机上应 用外部 EGR 技术需综合考虑各因素 进行 EGR 率优选 实现降低油耗 2 2 2 2 2 2 外部外部 EGREGR 技术对排放的影响技术对排放的影响 由图 6 图 8 分析可知 外部 EGR 技术 对高压缩比米勒循环发动机排放有一定影 响 图 11 给出了该工况点增加外部 EGR 技 术后 缸内最高燃烧温度和点火提前角的变 化曲线 NOx CO HC 排放与缸内最高燃 烧温度 氧含量和燃烧效率密切相关 2 10 一定量的废气引入进气系统 导致进气 充量中CO2 H2O等高比热的成分比例增加 使得混合气的比热容增高 致使最高燃烧温 度下降 同时 为使燃烧过程最优 试验过 程中同步调节点火提前角 如图 12 所示 点火提前角逐步增大 引起缸内压力逐步增 加 终燃混合气受到的挤压作用增大 因此 缸内最高温度会获得提升 但随着引入气缸 的废气越来越多 高比热气体进一步增多 导致缸内最高燃烧温度升高后又降低 因此 可得到 2250r min 0 46MPa 工况点下如图 11 所示的缸内最高燃烧温度变化曲线 2520 2560 2600 2640 2680 2720 2760 20 25 30 35 40 45 50 0102030 最高燃烧温度最高燃烧温度 C 点火提前角点火提前角 CA EGR率率 点火提前角最高燃烧温度 图 11 2250r min 0 46MPa 最高燃烧温度及点火提 前角随 EGR 率增大的变化曲线 NOx 的生成是由于高温富氧造成 对于 不同工况点 NOx 的生成由温度 含氧量两 个因素影响决定 针对本文分析研究的 2250r min 0 46MPa 工况点 低 EGR 率时 随着废气的引入 缸内含氧量有所下降 成 为抑制 NOx 生成的主要因素 高 EGR率时 随着废气的引入 缸内含氧量及燃烧温度均 下降 共同成为抑制 NOx 生成的因素 因 此可得到图 12 所示 NOx 变化曲线 即随着 EGR 率增大 NOx 排放持续下降 17 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 0510152025 NOX EGR率率 NOX排放 图 12 2250r min 0 46MPa NOx 排放随 EGR 率增 大的变化曲线 HC 排放主要是因为汽油在气缸内不完 全燃烧造成的 增加外部 EGR 后 随着引 入气缸的废气增加 导致燃油与空气的混合 恶化 造成不完全燃烧 因此导致 HC 排放 加剧 18 20 EGR 技术对 CO 排放无明显影 响 如图 13 所示 对于汽油机 三元催化 器几乎可以处理全部常规尾气排放中的有 害物 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5 5 5 6 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 0510152025 CO HC EGR率率 HC排放CO排放 图 13 2250r min 0 46MPa HC 及 CO 排放随 EGR 率增大的变化曲线 3 3 结论结论 1 在高压缩比米勒循环发动机上 外部 EGR 技术可降低部分负荷泵气损失 但随着 EGR 率的增大燃烧恶化 因此 需针对不同 工况点需求优化最佳 EGR 率 2 在高压缩比米勒循环发动机上 外部 EGR 技术可提升燃油经济性 利用整车权重 点方法发现 整车油耗下降 2 11 3 在高压缩比米勒循环发动机上 外部 EGR 技术能明显降低发动机 NOx 排放 对 CO 排放影响无明显规律 引起的 HC 排放 部分增加可通过常规的后处理装置三元催 化器完全解决 无需增加成本 参考文献参考文献 1 王建昕 高效车用汽油机的技术进步 J 内燃机学报 2008 26 83 89 Wang J X Technology Progress in High Efficiency Gasoline Engine for Vehicle J Transactions of CSICE 2008 26 83 89 2 周玉明 内燃机废气排放及控制技术 B 人民交通出版社 北京 2001 3 周龙保 内燃机学 B 机械工业出版社 北京 2010 4 Michael K A Dennis N A Zoran S F First and Second Law Analyses of a Naturally aspirated Miller Cycle SI Engine with Late Intake Valve Closure J SAE 980889 5 Rik S G B Derek E B Ruud P V New EGR Technology Retains HD Diesel Economy with 21st Century Emissions J SAE 960848 6 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