EGR对GDI发动机燃烧特性及排放性能的影响

摘要：分析了GDI发动机的性能特点；对围绕燃烧特性、排放性能两大主题而发展的EGR技术做了概述，并着重分析了EGR对GDI发动机燃烧特性、爆震、超级爆震、PM排放的影响，使GDI发动机燃油经济性及排放性能得到进一步改善；对醇类燃料及新燃烧技术的发展前景进行了展望。

关键词：GDI发动机 EGR 燃烧特性排放

引言：随着燃油经济性与排放法规的日益苛刻，传统进气道喷射式汽油机由于其压缩比低、热损失大、泵气损失大、燃油喷射管理系统滞后，其燃油性能与排放基本达到极限。燃油缸内直喷技术应运而生，由于喷燃油蒸发雾化吸热提高充量系数，爆震倾向减小，从而使GDI燃油经济性提高15%～20%?1~2?自上世纪末日本三菱公司率先向市场投放第一台缸内直喷发动机以来，缸内直喷发动机不断演进，但PM排放排放成为GDI发动机一项重要的污染源?3?，许多研究表明PM生

?4,5,6,7,8?成的主要机理是混合气形成不均匀，局部区域较浓及燃烧室内存在油滴。

目前，还没有对GDI发动机PM排放提出相应法规，欧Ⅵ法规有望在GDI发动机微粒数量方面做出限定，但目前还没有统一的结论。之前已经有大量研究关于使用EGR降低微粒质量，改善其他排放同时提高燃油热效率?9,10,11,12?。目前，对于使用EGR对于GDI发动机微粒数量的研究还很有限。随着发动机小型化及压缩比的提高，爆震是制约GDI发动机的一大障碍，现已证实爆震是由于混合气末端自燃导致?13,14?。Sebastien POTTEAU?15?等人在GDI发动机上加入EGR，结果表明燃油消耗率降低14%，废气温度降低100℃，爆震的到缓和。超级爆震也是GDI发动机得一种不正常燃烧现象，但目前生成机理尚不明确?16,17,18?。Takuya Inoue?19?等人研究表明超级爆震与空燃比、点火提前角、火花塞点火间隙、缸内压缩温度EGR率等有重大影响。对于提升GDI发动机性能，目前面临的两大瓶颈是爆震与PM排放，而加入EGR恰好能缓和上述障碍，为此许多研究者致力于针对不同工况通过控制EGR来进一步提升GDI发动机性能。

1EGR对燃烧特性的影响：稀薄燃烧由于其绝热指数高、热损失小、泵气损失小,配合高压缩比,提高热效率,改善燃油经济性。但由于稀薄燃烧化学计量数不为1，不利于三元催化器效率低下，没有被广泛推广。鉴于此，汽油机EGR技术应运而生，一方面可以提高绝热指数，降低传热损失，提高燃油经济性，具有稀薄燃烧的优点，另一方面为化学计量燃烧，提升三元催化转化器的效率。G.Fontana?20?等人通过实验研究了不同工况EGR对不同参数的影响。图1为额定转速节气门全开时发动机点火提前角优化结果，结果表明加入EGR后GDI发动机点火提前角优化潜力更大，由于混合气中含有废气，延长了火焰形成时间。

图1 2000rpm节气门全开点火提前角优化

图2体现了不同转速有无EGR在临界爆震点转矩输出对比，结果表明加入EGR后动力输出明显提升

图2不同转速有无EGR在临界爆震点转矩输出对比

图3给出了不同转速有无EGR其燃油消耗率的对比，结果表明转速一定时，加入EGR燃油得到改善。节气门全开时燃油消耗率明显下降，随着转速的增加下降幅度增加2.5%（1500rpm）-7%（2500rpm）。

图3不同转速有无EGR其燃油消耗率的对比

EGR降低了火焰传播速率，层状火焰传播速度影响燃烧的发展，火焰传播阶段受火焰前峰面湍流速度及未燃区域层状火焰传播速度的影响。图8分别给出了火焰不同转速有无火焰发展持续期与快速燃烧持续期。结果一致表明EGR延长燃烧持续期。

不同转速有无EGR火焰发展持续期