【德】R.Dingelstadt S.Ewert M.Werz P.Tremble
摘要:随着实际车辆行驶排放（RDE）法规的推出，对废气排放具有重要意义的发动机特性曲线场范围明显扩大，与此同时，在小型化发动机上也涉及当今流行的非化学计量比运行范围。Mahle公司在现代量产废气涡轮增压汽油机的基础上，通过适当使用高压和低压废气再循环以过量空气系数=1达到广泛且燃油耗优化运行。
1 超出废气排放限值的可能性
现代高度小型化的涡轮增压直喷汽油机配备带三效催化转化器的简单的排气后处理系统，并能以过量空气系数λ=1运行。在目前生效的新欧洲行驶循环（NEDC）中，汽油机以化学计量比运行能完全满足废气排放法规要求。
在用全球统一的轻型载货车行驶试验循环[1]替代NEDC的进程中，必须同时满足实际车辆行驶排放（RDE）法规要求。在对汽油机最不利的情况下，RDE意味着要在宽广的特性曲线场范围内满足严格的废气排放法规。在这方面，现代汽油机具有2个临界运行范围，即为保护零件而加浓的运行范围和为提高扭矩的扫气燃烧过程运行范围，此时，三效催化转化器就不再能完全净化废气中的有害物，并且在宽广的特性曲线场范围内或许会超出废气排放限值。
2 用于化学计量比运行的方式
为采用不同方式使临界运行范围以λ=1运行，例如可以在设计废气涡轮增压器时采用更耐高温的材料，避免全负荷时加浓，但存在成本问题。将排气歧管集成在气缸盖上也能减轻热负荷，但排气门的热负荷仍非常高的，为此，Mahle公司提供了名为“Evotherm”或“Toptherm”（译注：高耐热）的中空充钠冷却排气门[2]。通常将高压废气再循环(EGR)作为有效减少全负荷加浓的措施。
为了提高扭矩，在现代涡轮增压小型化汽油机上采用扫气燃烧过程，并借助于优化的配气正时，发动机用吸入的新鲜空气进行扫气，增大了涡轮前的热焓,直接导致催化转化器前λ稀薄,使以化学计量比工作的排气后处理系统不能有效地发挥功效,并使三效催化转化器短暂的吸附能力隐没在这种境况中。
在低转速高负荷运行范围内，可以采用电辅助曲轴旋转或辅助增压机组的方法实施λ=1的运行，即使在取消超化学计量比扫气的情况下也能保持发动机扭矩。
原则上也能采用总λ=1运行，即燃烧室中采用浓混合气运行，而在气门重叠较大的情况下，催化转化器中的混合气处于化学计量比状态，此时燃油耗明显增大。因催化转化器将易着火的空燃混合气直接进行转化，因而要防止催化转化器出现高过热现象，以避免催化转化器的热损坏。因该方法在燃油耗及催化转化器的热负荷方面存在缺陷，促使提出有关替代方案的问题，例如采用外部EGR。
3 发动机试验
选择目前量产的1.0 L3缸增压直喷汽油机作为试验载体，并采用近发动机的EGR管路布置方案，不仅可用于试验台架上，而且能装配在试验汽车上。无论是装配式的高压EGR，还是低压EGR，都采用Mahle公司最佳的EGR冷却器和EGR调节阀。
仔细设计了高压EGR管路引入口的位置。为了确保再循环废气能尽可能均匀地分布，结合一维和三维模拟，试验了多种方案，并确保测量的正确性。同时，采用几何形状和尺寸优化的开口逆流引入的方案，获得了最佳的再循环废气分布状况，并将发动机上的试验结果转化到汽车上。下文示出了3种运行工况点（发动机转速1 250 r/min、平均有效压力1.82 MPa；发动机转速1 350 r/min、平均有效压力1.40 MPa；发动机转速1 500 r/min、全负荷）的试验结果。通过测量进气管中的CO2含量来决定所提供的EGR率。
4 低压EGR用于运行工况点1
图1示出了低压EGR用于运行工况点1（发动机转速1 250r/min、平均有效压力1.82 MPa、全负荷）的测量值。其中，λ=1.11，超越了目标窗口，通过改变喷油量实现λ=1，但这会使所考察的负荷工况点的燃油耗增加约2 g/(kW·h)。在该运行工况点时废气放气阀是完全关闭的，只能通过加大气门重叠角来保持平均有效压力1.82 MPa的负荷。如果同时应用EGR和较大的气门重叠角会导致燃油耗明显增加，这样并不能达到目标，因此，在该运行工况点因废气放气阀关闭而应用EGR是不明智的。
5 低压EGR用于运行工况点2
对运行工况点2（发动机转速1 350 r/min、平均有效压力1.40 MPa）试验结果的分析表明（图2），一旦部分打开废气涡轮增压器的放气阀就显现出低压EGR的潜力。最初使用λ=1运行会使燃油耗增加9 g/（kW·h），而应用低压EGR就能使燃油耗只增加约3 g/（kW·h），原则上能进一步提高EGR率，并且不会受到稳定性标准的限制。所选择的EGR率在结构设计上是由相应的EGR阀打开的横截面来限定的，以便用于汽车上。
6 低压EGR用于运行工况点3
图3示出了运行工况点3（发动机转速1 500r/min、全负荷）的试验结果。在量产中应用扫气燃烧过程的情况下，采用废气放气阀部分打开的方法来达到平均有效压力2.14 MPa 的目标扭矩，此时，燃油耗在以λ=1运行时增加26 g/（kW·h），而使用12%的低压EGR率仅增加7g/（kW·h）。
图4示出了运行工况点3在压气机特性曲线场中的测量点。随着低压EGR质量流量的增大，通过增加压气机的总质量流量，测量点先平行于压气机限制界线移动，在低压EGR率为14%时，气门重叠角增大到约20oCA，使最终测量的运行点向更大的压气机质量流量移动。
如果在这个运行工况点采用减小气门重叠角替代低压EGR,会使通过涡轮和压气机的质量流量减小,进而增大热的内部EGR而使燃烧变差,并提高了对增压压力的需求,因此，这种应用方法会出现压气机特性曲线场中的运行点向压气机限制界限移动。随着废气涡轮增压技术的发展，可以期待未来压气机具有更宽广的特性曲线场，从而使压气机限制界线移向更小的质量流量，届时将重新评价减小气门重叠角的潜力。
7 用实际行驶数据进行调整
在分析发动机特性曲线场废气排放和燃油耗时，通常比较关注的是NEDC中具有代表性的低转速低负荷范围。将小型化汽油机与低速化相结合，使这些运行工况点移向中等负荷范围。无论是低转速的高负荷范围，或高转速的高负荷范围，都属于极端的行驶状态（例如带拖车在高山盘山公路上行驶）。
通过在欧洲试验行驶几千公里已经查明了这种汽油机搭载于配装手动变速器的C级轿车上的运行工况点。在高度落差较小和限速的国家中，很少在采用扫气燃烧过程或全负荷加浓的特性曲线场范围内行驶。与此相比，图5示出了在德国不限速的高速公路和状况良好的路面行驶情况。因此，与正常补充充气和顺畅的行驶方式一样，发动机特性曲线场中2种降低废气排放技术的临界运行范围对于真实的用户行驶性能是非常重要的。
8 动态EGR在汽车上的应用
图6示出了传统动态标定（图中“基本型”）与试验用汽油机搭载于C级轿车应用EGR时标定的比较，运用试验台标定所获得的知识，在汽车从第6档1 250 r/min全负荷加速情况下，能良好地标定到λ=1，其余偏差处于相应配置的三效催化转化器的吸附能力范围内。
9 结语
2017年，汽油机必须满足RDE法规的要求,在可能出现的最不利情况的背景下, Mahle公司通过试验台和真实汽车上的试验后确认,EGR是在宽广的特性曲线场范围内实行λ=1运行的最有效的方法。在发动机特性曲线场的扫气运行范围内，在标准标定时增压器废气放气阀不完全关闭的情况下，低压EGR始终具有重要意义，这样，采用非化学计量比气缸混合气运行的方法能补偿在燃油耗方面的多数缺点。即使低压EGR在充气方面有所损失，但无论是在稳态运行，还是动态运行时，都能避免扭矩损失。
处于批量应用考虑，从成本-效益观点来看，应用低压EGR是很有意义的。与高压EGR系统相比，低压EGR系统中的零部件承受的热负荷明显较低，而且再循环废气也较为清洁。而在高转速高负荷运行工况，为实现λ=1运行，高压EGR系统与其他可供选择的技术方案存在竞争，例如采用整体式水冷排气歧管，并与相应改进的排气门及优化的废气涡轮增压器相结合的方法。
此外，高压EGR或低压EGR都能借助于消除节流来降低部分负荷运行时的燃油耗。现代汽油机的定量调节需要精确调节EGR质量流量，采用合适的EGR阀技术也能在动态运行时达到精确的调节。RDE法规将于2017年生效，为了在均质运行的废气涡轮增压汽油机上成功地批量应用EGR，将面临降低燃油耗，以及在用户实际使用中降低废气有害物排放的艰巨任务。
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