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对涡轮增压直接喷射汽油机的低压EGR回路的影响
重点：
bull;在GTDI发动机中执行低压冷却EGR回路的分析。
bull;用于分析燃烧和发动机性能的燃烧诊断模型。
bull; 我们研究了EGR对空气管理和排放污染物排放的影响。
bull; EGR允许控制爆震，降低排气温度和燃料消耗。
摘要
本文介绍了低压EGR回路的火花点火（SI）的涡轮增压直喷（GTDI）汽油发动机的实验研究，这将提高对优势的理解和改进缺点的策略。研究了两个稳定的发动机工作条件，即每分钟2000转下10bar和17bar的工作环境，在部分负载条件下，燃烧，性能，空气管理和排气进行气体排放研究以分析对GTDI发动机的EGR效应。主要发现的优点是由于更好的燃烧香味导致的燃料消耗的减少，减少泵气失和通过气缸壁的热损失。引入EGR时也观察到在这些工况条件下减少了NOx，CO和碳烟。发现的主要缺点是中冷器后的水冷凝。在高负载同样分析条件下，获得部分负荷条件。EGR还允许燃烧在更大的有效角度内定相降低爆震的风险，尽管取消了燃料浓缩战略，但是有助于降低排气温度。还观察到当引入EGR时CO和烟粒原始排放量的减少，如在部分负载条件下观察到，当冷却的EGR被引入时，因为燃料浓缩策略被消除的原因，观察到催化后NOx，CO，HC和烟尘排放减少。发现的主要缺点是受涡轮增压器限制，在无EGR的相同条件下，因为需要更高的压缩比才能保持空气质量流量。最初的涡轮增压器在发动机低速高负荷下不增加其压缩比。
结果表明如何引入EGR是一个控制爆震并同时降低废气温度和燃料消耗的合适的策略，但是必须解决本调查中发现的缺点，以确保其作为一种强大技术以在未来的SI引擎中实现。
1介绍
越来越严格的污染物排放法规引领了发动机低油耗和低废气排放的时代。伴随着即将到来的新排放法规，压缩式点火（CI）发动机也难以满足要求。SI发动机从此开始引起关注。在过去的十年里，伟大的研究正在进行开发工作，以设计更多在燃料消耗和生产成本方面更突出的SI发动机，而废气排放已经开始使用知名的三元催化转化技术进行控制。
减少SI发动机燃料消耗的有吸引力的策略包括其中位移减小并具有直接喷射系统的小型发动机，还有减小发动机尺寸的涡轮增压系统，因此新的发动机配置具有与参考引擎相同的扭矩和功率[1-3]，这种SI引擎技术减少了通过增加压缩比和混合流体的比热，以及减少泵气损失和由Coltman等人描述的摩擦损耗[4]。
另一个有趣的策略在SI研究领域用于降低燃油消耗如Viacute;tek和Wei等人的研究工作[5,6]所述的引进冷却废气再循环（EGR）。EGR减少了爆震趋势，泵气损失，排气温度以及缸内壁热量损失。据报道，在Bandel等人的研究工作[7]中如何引进在高负载下只有5％—10％的冷却EGR的情况下避免了燃空比较高的条件下运行发动机（燃料浓缩策略）来控制排气温度的需要。
一些研究认为EGR是一个降低油耗的好方法。Grandin等[8]尝试通过使用冷却的EGR来抑制涡轮增压SI发动机的敲击。他们发现在最大输出功率下和燃料浓度较高的环境下都对爆震有客观的抑制。凯恩斯等人[9]研究了在高负荷下使用冷却EGR使部分燃料消耗减少，并发现在部分负荷下减少量为3％，高负荷时为17％左右燃料排放减少。Potteau等人[10]将研究的重点放在了冷却EGR的潜力上主要是降低敲击和在高压（HP）和低压（LP）EGR配置下评估燃油消耗。他们发现了一个部分和高负载条件下燃油消耗大幅度提高，这是低压EGR系统相对于高压EGR系统的重要优势。Kumano等人[11]也跟着进行同样的抑制敲击组合研究模拟和测试活动，EGR率每增加1%，燃油消耗减少0.3%。阿尔及尔[12]研究发现在冷却EGR和GDI技术之间的协同作用下获得低和部分负载降低4％燃料消耗，在高负载下通过减少泵送损失和燃烧相位改善15％-20％，在发动机循环燃烧过程中，燃料浓缩得以消除。凯恩斯等人[13]评估不同冷循环回路配置及其优点和劣势，Zhong等[14]还讨论了涡轮增压SI发动机中不同的EGR系统的冷却。他们发现低压EGR系统是确保在整个发动机工作范围内EGR操作的最佳配置，以尽量减少燃油废气排放。其他更具体的研究由Bourhis等人[15]分析完成。在GDI引擎中的冷却EGR和IGR之间，表明IGR必须在部分和高负荷下尽量减少才能最大化冷却EGR效应：降低燃料消耗和敲击倾向。古克伯格（Gukelberger）等[16]选择EGR稀薄和燃料对火花塞温度的影响，他们发现在部分负荷条件下火花塞通过引入冷却的EGR而降低温度，由于更加的燃烧相位以及燃料浓度的降低条件下火花塞温度升高。明章等[17]研究了循环的EGR效应对进气道喷射（PFI）发动机的循环变化确定一个EGR率的增加会增加循环周期的变化。
以前的调查鼓励进一步的研究工作以发挥冷却EGR的潜力以满足未来SIGTDI发动机的标准，特别是在其低压EGR回路配置，其中Takaki等人发现[18]EGR的影响可以最大化相较高压EGR回路。
在这个框架下，研究工作重点是在SI GTDI引擎中详细的评估和讨论低压EGR回路的影响，分析EGR循环结构的优点和缺点。 实验设施包括SI GTDI 2.0L四冲程四缸发动机配有定制低压EGR回路设计用于提供携带所需的灵活性和用于报告的研究活动。理论工具，如先进的燃烧诊断模型，与动态测试细胞实验结合起来来提高对观察到的不同的趋势理解。结果包括分析气缸气体动力学演变，排气污染物排放，发动机效率，最后是涡轮增压器要求和性能。
本文的结构如下。 第2节专门讨论实验设置和理论工具的解释。第3节包含对EGR效应的结果和分析GTDI引擎。最后在第4节提出了主要结论。
2.实验和理论工具
2.1 实验设置
实验研究4冲程4缸2.0升直喷式增压SI发动机，其主要特点包括在表1中。保持最初的点火方式和空气回路系统进行测试。发动机还配备了定制的低压EGR系统，提取排气气体在催化剂出口下游流出，并在之前引入压缩机入口。EGR冷却器强制阻止EGR阀和压缩机入口处的温度过高。另外，设置在EGR下游的背压阀是用来当需要更高的EGR率时使用。一个发动机结构的详细草图，流量连接在一起，研究中使用的测量装置如图1所示。
发动机完全装配并安装在一个动态的试验台。气缸压力使用奇石乐6961A250压电式换能器测量稳定的角频率。常规的SI引擎，平均记录100循环以分析平均压力，减少引入的不确定性。进气CO2集中和废气排放（NOx，HC，CO，CO2和O2）将采用Horiba Mexa 7100DEGR。在上游和下游催化位置测量废气排放量用来检查设备效率。进气和排气CO2浓度用非分散红外分析仪（NDIR）测量，通过加热化学发光检测器（HCLD）测量废气NOx浓度。根据Payri等人研究方式通过进排气中CO2 的含量来测试EGR率。
发动机主要特点
2.2燃烧过程诊断
从实验气缸压力曲线可以看出，由Lapuerta等人使用Nosis模型通过燃烧诊断计算出热量释放速率（HRR），在他们的研究工作中使用缸内压力测量的柴油发动机[21]对气体的平均热力学性质进行估计。该模型在进气门关闭和排气阀开放之间应用了热力学第一定律闭环控制，它使用理想气体的状态方程来计算气室温度在室内的平均值。
3结果和分析
在本节中，将提出发动机的两个测试结果和分析稳定的运行条件。第一在部分负荷条件下，平均有效压力为10bar，转速为2000转/分，第二在满载条件下，平均有效压力为17bar，转速为2000转/分。
3.1部分负载测试
在2000rpm和10bar下进行参数研究。在等空气质量流量下，EGR率从0％变化到15％，并且在实验时点火提前角优化处于最大正时值。
3.1.1燃烧和发动机性能
在4.2％的情况下EGR的引入可达15％，降低了燃油消耗，可以看出，提高2％的效率在图3b，其中指示的效率和突破特定的燃油消耗量绘制为不同的EGR率图。类似的结果在Potteau等人的研究工作[10]中提到，在部分负荷条件下观察到燃料消耗减少3％。不同EGR率的涡轮机下游排气温度的演变可以在图3a中看到。使用15％EGR率排气温度从665℃减少至620℃。废气温度的这种降低是由于燃烧温度的降低和新的燃烧提前角。在某些情况下，正如将要解释的那样，稍后更详细地说，这种排气温度的降低主要也是由燃烧阶段循环中的热损失增加引起的。这些EGR对燃烧的影响将在本节后面更详细地解释。
通过对5％的EGR率操作条件分析，提前点火仍然受到爆震限制。CA50的提前可以在图4b中看出。点火提前角增加4.5CAD，在2CAD的操作条件内改善燃烧阶段。燃烧持续时间增加，如图4a所示。Grandin等也发现在他们的研究工作[25]由于稀释效应减少混合物中氧浓度的EGR降低其反应性。燃烧温度的降低也是由于EGR稀释效应，减少了在循环中通过圆柱体的壁热损失，在图5a可以看出。
爆震并不受10％EGR率的限制将CA50置于优化的曲轴转角。在图4b中观察到CA50和燃烧阶段的一个大的改善，其中点火提前与5％的EGR操作条件相比增加了7CAD。另一方面，燃烧持续时间减小，如图4a所示，尽管EGR稀释效应，在这个新的减少体积中由于新的燃烧相位和燃烧的继续进行。在这个新的曲柄角分阶段湍流更高和缸内体积的燃烧过程发生较小，增加了混合物的反应性。由于燃烧过程中较高的湍流，与5％的EGR操作条件相比热量损失的增加也得到了支持，如图5a所示。燃烧温度几乎与5％EGR运行条件相同的原因并没有如预期的那样减少，如图5b所示。观察到5％至10％的EGR排气温度降低了20℃，观察图3a，主要是由于新的燃烧阶段，因为燃烧温度与5％的EGR率操作条件几乎保持在相同的值。另外增加了在图1中观察到的热损失。5％至10％之间的EGR率条件也有助于降低废气温度。
此外，在15％的EGR率操作条件下，CA50与10％的EGR率条件相同，因为是最佳燃烧相位，如图4b所示。由于EGR稀释效应燃烧持续增加。如图4a所示。与此相比，由于燃烧温度降低10％的EGR率条件热损失也会减少，见图5b。
指示平均有效压力（IMEP）的CoV降低到5％EGR和10％EGR率条件下降低。如图4a，由于更好的燃烧定相补偿了EGR稀释效应。但是利用15％的EGR率，已经实现了具有10％EGR率的最佳燃烧定相，没有发生燃烧阶段的变化，这导致了由于燃烧温度较低，CoV增加，并且时间燃烧更长。EGR导致混合反应性减小，因此当CA50维持在相同的值时燃烧不稳定性较高。
据观察在这种部分负荷条件下抑制爆震的效果是由于引入冷却的EGR而引起的稀释效应。CA50能够在最佳曲柄角度上被干扰，热损失减少，并且在高EGR率不损害指示平均有效压力的CoV的同时废气温度也减少。这种负载下的最佳配置是在15％的EGR运行条件下降低燃油消耗的4.2％，排气温度在45℃并保持低IMEPCoV为1.5％。
3.1.2空气管理
为了分析空气管理领域，如前所述必须知道，测试是在等空气质量流量下进行的，如图6所示，进气压力、涡轮转速分别和EGR率的关系曲线图。同等进气体积下，由于进气质量的增加质量增加进气压力随EGR速率增加而增加。
压缩机出口压力在相同时间内保持不变，随进气压力增加EGR率也增加，如图8b所示。压缩机出口压力高于进气歧管中观察到的压力，因为节流阀正在控制发动机的负荷在特定的工况下。这也可以通过打开废气门来控制和控制出口压缩机压力等，进气歧管压力与节流阀完全打开。然而，如果稳定运行状态跟着满载瞬态需求的涡轮增压器响应比废气门完全关闭并控制摄入量会有更多的延迟，在这种情况下用节流阀控制进气压力。
涡轮增压器速度随着EGR率的增加而增加，由于EGR率的增加，总进气量增加，如图6b所示。压缩机质量流量增加，出口压缩机的压力保持在相同的值，如图6c所示，压缩机图的工况点向右移动。
在压缩机入口处放置三个热电偶分隔120。在EGR管的连接下游，其布置如图7所示。 其中一个热电偶，热电偶2与EGR出口对齐。主要目标是识别压缩机入口处的新鲜空气EGR的潜在非均匀分布。在图8a的演变压缩机入口温度同时增加EGR率。 三者之间入口温度的差异低EGR率的热电偶可忽略不计，但EGR率为15％热电偶2与其他热电偶之间的差异较大，这证明在进入之前，压缩机EGR和空气不易混合。因为EGR率和压缩机压缩比增加，这可能是未来压缩机的可靠性。
在最大测试的EGR率排气压力下增加25mbar，如图9b所示。增加的原因是因为压缩机保持压缩EGR率增加时的比例，这将增加质量流过涡轮总数，增加了涡轮机变量增量压力即排气歧管上的压力。
关于泵气损失，这些与参考工况条件相比减少了22％，如图9a。尽管排气中增加了25mbar压力，泵送损耗的减少是由于增加较大的进气压力。由于EGR增加而实现进气压值升高。
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