进气富氧和EGR对汽油机燃烧和排放性能影响的研究

摘要

随着石油资源逐渐枯竭、环境污染加剧以及车量尾气排放法规逐渐严苛，在以内燃机为动力源的汽车制造行业的产品更新过程中，提升发动机的有效热效率与降低有害气体排放就变得尤为必要。为了满足最新排放法规的要求，点燃式发动机上均配备了较为先进的车载技术，如复合喷射、可变配气机构以及多种废气后处理技术等。其中，废气再循环（EGR）技术由于其对提高发动机热效率与降低氮氧化物排放具有明显效果而被广泛地应用；而通过提高进气组分中氧气比例以实现缸内富氧燃烧，由于其可以使燃料燃烧更加彻底，使发动机的碳氢排放及微粒排放显著下降，能够有效地提升发动机的动力输出，逐渐被一些科研人员所关注。鉴于此，本文通过发动机台架试验探究了进气富氧和EGR对汽油机燃烧和排放性能的影响，明确了复合喷射模式下将进气富氧技术与EGR技术同时应用于点燃式发动机中对于城市道路常见工况下的应用潜力。　　本文基于DI+PFI复合喷射四冲程四缸汽油机试验台架，通过PFI系统进气道供给汽油燃料，DI缸内直喷系统供给纯氧，以将缸内混合气含氧比例调节到各个目标数值。首先研究了在单纯富氧氛围下，缸内燃烧与排放特性的变化特征；其次将废气再循环在具有最大动力输出的富氧氛围下，加入到进气系统，探究其对富氧状态下混合气的燃烧与排放特性的影响。具体的研究内容及结论如下：　　（1）首先，通过改变汽油机缸内进气富氧比例，分别在三种不同节气门开度（10%，12%，14%）与三种发动机转速（1200r/min,1500r/min,1800r/min）的工况下，探究了缸内富氧比例在21%-25%的范围内变化时，发动机的燃烧特性、动力输出与排放特性的变化。　　（2）结果显示，随着富氧比例的增加，发动机的输出扭矩有着明显的提高，与原机相比最大可提升3.5%；并且，缸内最高燃烧温度与燃烧压力显著增加，而着火延迟期与快速燃烧期均明显缩短；在排放方面，进气组分中含氧比例提高后，一氧化碳及碳氢排放明显降低，一氧化碳最高可降低到原机的35%~45%，碳氢排放则可以降低到原机的50%左右，但同时也因受缸内高温及富氧环境的影响，氮氧化物排放显著增加。与原机相比，发现在富氧比例为25%时，发动机的动力性提升效果最佳，一氧化碳及碳氢排放最佳，而富氧比例在22%之后每增加1%时，这种提升效果逐渐减弱。　　（3）随后，本文在富氧比例为25%的混合气氛围下，利用进气系统中增加废气再循环来重点探究对发动机的氮氧化物和微粒排放的控制效果，以及当与原机相比时发动机动力性与排放特性的变化。具体在固定气缸内氧燃比刚好满足燃料恰好完全燃烧的情况下，通过调节发动机转速、负荷、点火时刻在内的控制变量，在发动机转速固定为1500r/min、初始节气门开度分别为10%、12%及14%时，探究分别掺混体积比为0%、5%、10%、15%及20%的EGR率时发动机的缸内燃烧状态和排放特性的变化。　　（4）经试验研究最终发现，随着废气掺混比例的增加，发动机的缸温、缸压均逐渐降低、着火延迟期及快速燃烧期被延长，有效热效率最高可提升3%；与原机相比，在25%的缸内富氧氛围下结合20%比例的废气再循环时，能够大幅度降低一氧化碳、未燃碳氢、氮氧化物和微粒的排放。而正因为采用废气再循环降低了发动机的进气节流损失、增大了缸内混合气的比热容，还能够保证发动机同时兼顾较好的经济特性与动力性能。总之，在点燃式发动机上同时应用进气富氧与废气再循环技术，对发动机性能的改善具有极为显著的作用效果。

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