项目编号： 1731??
基于EGR稀释的汽油机高效清洁燃烧技术研究
Research on Efficient and Clean Combustion Technology for Gasoline Engine Based on EGR Dilution
项目研制单位：上海理工大学 上汽大众汽车有限公司
主要研制人员：张振东 朱海兵? 黄建勋? 尹丛勃? 张继军? 黄成杰? 沈凯 秦文瑾
1、研究内容介绍
针对EA888现有样机物理参数构建一维整机仿真平台，构建EA888三维CFD燃烧分析平台。对仿真平台进行模型标定，完成EA888发动机多孔喷油器的喷雾实验及标定，对喷雾过程进行模拟；结合发动机台架实验方法研究EGR稀释氛围下的发动机燃烧特性，分析高EGR率稀释下汽油机燃烧稳定性影响因素及影响机理。研究EGR稀释氛围对直喷汽油机爆震抑制的作用机理，对低速、高负荷爆震容易发生工况进行仿真研究，寻求EGR氛围下发动机燃烧循环变动的改善途径。
图1 增加EGR的EA888一维仿真模型
利用三维仿真平台研究EGR作用下直喷汽油机的节能效果，研究EGR对发动机燃油经济性的影响机理，结合滚流阀不同开启与关闭状态，研究EGR氛围下不同滚流强度对燃烧过程的影响，分析EGR对泵气损失和燃油经济性的影响。通过实验方法结合经济性及排放指标要求，确定最优EGR率。分析不同工况下的EGR率容忍度。分析EGR氛围下直喷发动机燃油经济性的改善途径，研究EGR系统对不同工况下汽油机节能效果。分析EGR氛围对直喷汽油机HC、NOx、CO以及颗粒排放物的影响规律。
图2 EA888发动机三维仿真模型
图3 高EGR稀释下的缸内火焰传播特性
完善EGR系统与EA888样机匹配设计。在EA888样机上对不同EGR系统布置进行实验研究，确定EGR阀、EGR冷却器以及管路的基本空间尺寸，完成发动机物理样机改造。结合EGR稀释氛围下的发动机燃烧特性研究，确定EA888发动机EGR控制策略，针对高EGR率稀释下汽油机燃烧稳定性问题，结合EA888发动机可变滚流进气方式提高缸内滚流强度，优化点火时刻，降低燃烧循环变动，并完成台架试验验证，根据EGR控制策略完成控制系统软硬件开发。
图4样机EGR系统改进
通过试验验证与仿真计算相结合的方法分析了EGR直喷汽油机的节能方向与影响机理，构建了EGR直喷汽油机关联参数预测模型。探讨了EGR改善GDI汽油机燃油经济性的技术路径，总结了不同负荷下多参数协同作用对降低比油耗的影响。分析了强滚流进气状态下，进气压力、点火时刻、进气温度、喷油策略等因素对EGR稀释燃烧过程的影响规律。达到了如下技术指标和成果如下：
（1）构建EA888一维整机仿真平台，完成模型验证，仿真结果与发动机实验结果在5%以内，一维仿真模型采用GT-Power软件标准代码格式。
（2）构建EA888三维CFD燃烧分析平台，三维计算区域包含发动机气道、气门，可对EA888不同滚流阀状态（滚流阀开启及关闭）进行模拟，并完成模型验证，误差在5%以内，三维仿真模型采用AVL-FIRE软件标准代码格式。
（3）构建多组分化学反应动力学燃烧模型，模型包含正庚烷、异辛烷、甲醇、乙醇等主要燃料化学反应机理，模型可与三维CFD燃烧分析平台有机耦合，可对不同组分的汽油、柴油、及醇类混合燃料进行多维数值仿真分析，仿真结果满足工程需要。
（4）开发数据处理及燃烧数据采集与分析系统，设计EGR系统，匹配带EGR系统的EA888发动机物理样机一台。
（5）完成EGR率稀释下汽油机燃烧分析及数值模拟分析，增加EGR系统后发动机燃烧稳定性（COV）在3%以内。
（6）得到EGR率MAP图谱，发动机综合油耗降低3~10%。发动机在1750r/min到3750r/min转速范围内，25%到60%负荷范围内平均油耗低于230 g/kW.h。2000r/min全负荷工况油耗低于250 g/kW.h。排放满足国六排放法规。
（7）基本掌握直喷汽油机EGR系统自主研发、设计匹配等工程能力，提供EGR系统相关控制策略。
(a) 1500r/min??????????????? (b) 2000r/min
图5 不同EGR率下的动力性
(a) 1500r/min?????????????? ?????????(b) 2000r/min
图6 不同 EGR率的燃油经济性
(a) NOx of 1500r/min???????? (b) NOx of 2000r/min
图7 不同EGR率的NOx排放特性
2、技术创新点
（1）EGR与强滚流进气方式相结合提高燃烧稳定性
本研究将EGR与EA888发动机可变滚流进气方式相结合，利用滚流提高点火时刻缸内湍动能，加快燃烧速度，降低循环变动，实现高EGR稀释氛围的可控燃烧。在中、高负荷（BMEP=8 bar，11 bar）工况下，EGR结合翻滚的效率优势开始显现。发动机的EGR率可达15～24%。通过优化点火正时，可使CA50提前2～9 °CA，燃油经济性提高2.6～10%。EGR结合滚流进气对降低NOx排放效果显著，平均降低60%，个别工况达到80~90%。EGR与滚流相结合可显著降低CO排放，平均降低22%。
(a) KI of 2000r/min??????? (b) COV of 2000r/min
图8 不同EGR率下的爆震指数及循环变动分布
（2）利用米勒循环改善发动机经济及燃烧特性
结合一维仿真平台研究了米勒循环在EGR工况下对发动机性能的影响。各负荷EGR氛围下引入米勒循环能够进一步改善发动机油耗，且进气门早关策略较进气门迟关更有优势。随进气门早关策略下米勒循环的引入，燃烧相位的后移及燃烧持续期延长，对爆震起到良好的抑制作用，能较好稳定发动机的循环变动。压缩比越高，米勒循环结合EGR对燃油经济性的作用效果更加明显，随压缩比上升，在米勒结合EGR油耗较原机分别下降2.2%、1.7%、5.5%。高压缩比下通过调节米勒与EGR参数，发动机性能依然存在较大提升空间。
（3）CFD耦合化学反应动力学分析高EGR稀释爆震问题
编制多组分化学反应动力学模型，包含正庚烷、异辛烷、甲醇、乙醇等主要燃料及化学反应机理，通过预设比例实现不同辛烷值的燃料属性以及甲醇、乙醇等混合燃料，可以揭示高EGR稀释状态下，化学反应控制的燃烧过程中燃油属性对燃烧过程的影响机理。结合CFD耦合化学反应动力学分析高EGR稀释爆震问题，通过燃烧室内布置多个缸压监控点的方法模拟爆震，对比不同测量点的爆震强度。可对EGR稀释氛围下不同燃烧室形状以及燃油性质对爆震抑制的作用机理进行模拟分析。
3、专利/论文/获奖情况
已发表论文
（1） Congbo Yin，Quanwei Chen，Zhendong Zhang，Haibing Zhu，Kai Shen， Research of exhaust gas recirculation on commercial turbocharged gasoline direct injection engine with intense tumble flow, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2021, 143(3): 1-14.
（2）Congbo Yin，Hao Pan，Zhendong Zhang，Haibing Zhu，Kai Shen，Effect of EGR combined with intense tumble flow on a well-calibrated commercial turbocharged GDI engine, International Journal of Automotive Technology, 2021, 22(6):0214-0226.
（3）王小燕，俞思豪，张振东，废气再循环对涡轮增压GDI汽油机性能影响的仿真研究，农业装备与车辆工程，2018,56（11）：43-46.
（4）曲磊，张振东，尹丛勃，崔兴龙，基于EGR 稀释的汽油机一维性能仿真，农业装备与车辆工程，2019, 57（8）：34-38.
（5）俞思豪，张振东，沈凯，王小燕，汽油机EGR 阀控制系统设计及控制算法分析，农业装备与车辆工程，2019，57（6）：21-24.
（6）王莹杰, 张振东，尹丛勃，高低压废气再循环对直喷增压汽油机影响的实验研究，上海理工大学学报，2019，41，（6）：557-562.
（7）黄德勇，张振东，高压EGR率和温度对汽油机性能和排放的影响，农业装备与车辆工程，2020，58，（5）：119-122.
（8）潘浩，尹丛勃，黄建勋，EGR 结合强滚流对增压直喷汽油机性能影响，农业装备与车辆工程. 2026，59，（6）：33-38.
专利情况
（1）尹丛勃，何明宇，张振东，朱海兵，黄建勋，用于发动机的光学可视化燃烧系统，2020-03-06，中国，ZL2019106396518. (专利)
（2）尹丛勃，张振东，崔兴龙，实现预控废气再循环系统的控制方法，2019-10-21,中国，ZL2019110006774.
（3）软件著作权专利，直喷汽油机EGR稀释燃烧分析软件.
4、成果应用及经济效益预测
项目有效的提升了企业的系统建模及仿真分析能力，基本掌握直喷汽油机EGR系统自主研发、设计匹配等工程能力，提供EGR系统相关控制策略。
上汽大众将结合现有系统仿真及测试平台，将现有EGR稀释燃烧设计理念用于产品设计中，有利于进一步改善发动机燃油经济性、降低污染物排放，使其满足更加严格的排放法规的要求，提升市场竞争力。项目的研究成果也可以用于其它直喷型号发动机的燃烧系统优化、动力系统及其关键部件匹配和性能优化。