博格华纳汽油机EGR 让发动机更高效

在文章的开头，首先要为大家纠正一个概念。一般听到EGR（废气再循环系统），我们会不由自主地联想到“国四”、“柴油车排放”等关键词。这没错，但是当EGR用于汽油车时，这项技术与尾气排放的关联性并不那么大。其原因很简单，汽油发动机中都安装了三元催化转化器，此装置已经起到了降低排放的作用。因此汽油机EGR有了另一项重要的任务——节能。

传统发动机节能技术

为了达到节能的目的，主机厂采用的发动机技术在不断改进。

图1

图1分为四个象限，从第三象限到第一象限代表着发动机技术的发展趋势。从基础的多点喷射技术→多点喷射 闭缸技术→燃油直喷技术 均质燃烧→燃油直喷 涡轮增压→SkyActiveG（马自达的代表性技术，可使发动机热效率达39%）。第一象限内的技术均需要配合汽油机EGR来实现。因此，汽油机EGR的未来应用将非常广泛。据博格华纳描述，用直流电机驱动带冷却器的EGR系统，根据发动机不同可节省油耗5-8%甚至更高。

涡轮增压也是近年来车企偏爱的一项技术，1.0L涡轮增压发动机可实现与1.6升自吸发动机相媲美的功率，此外还可实现发动机的小型化。即便是偏爱自吸发动机的日本车企也在转向涡轮增压。这类发动机的空燃比为14.7：1（λ=1），在此条件下，发动机的三元催化效率最高。而当空燃比超过14.7时（λ＞1），因为空气在燃油混合气中的比例更高，因此称为稀薄燃烧，目前量产的只有奔驰的M270系列发动机采用这种燃烧方式。

目前汽油机的三大问题

第一点是泵气损失。。汽油机是通过节气们体控制发动机的输出功率和扭矩的，因此当发动机负荷比较小时，节气们的开度就比较小，此时发动机的泵气损失就比较大。涡轮增压就是为了解决发动机小负荷区工作泵气损失大的问题而引入的。VVT和不带冷却器的EGR可以起到相同的作用。

第二点是发动机爆震问题。无论直喷发动机还是涡轮增压发动机，汽油机小型化后发生爆震的倾向性会加强，目前只能依靠降低压缩比、推迟点火提前角的方式来抑制爆震，对于发动机的油耗和性能都会带来负面影响。

第三点是燃烧效率低。汽油机的排气温度要求是低于950℃。而为了降低排气温度，发动机在高转速高负荷的工况下需要采用开环控制，也就是过喷油。通过过喷油把排气温度降低，但这部分“过喷射”的燃油将完全浪费，造成浪费。

解决方案：引进汽油机EGR

近期，博格华纳向我们展示了其在汽油机EGR产品方面的最新技术，虽然目前该公司主要配套的还是柴油车，但已积极投身汽油机EGR产品在中国市场的推广和量产工作。

博格华纳工程师结合发动机MAP图（图2），阐述了汽油机EGR在4大区域中分别如何改善油耗。

图2

抗爆震区域（左上）：当发动机转速较低，负荷较高的时候，通过引入EGR来降低燃烧温度来避免爆震。而引进EGR后，降低燃烧温度，因此点火提前角可以提前一些，有助于功率发挥和降低油耗。

过喷油区域（右上）：在转速较高时，引进EGR就无需采用过喷油的方式来保证排温在要求的950℃以下。

优化燃烧区域（中间）：传统发动机中采用的奥托循环效率和压缩比、比热容比有关。压缩比越大，发动机越容易爆震。由EGR引进的废气属于惰性气体，因此发动机可以适当地提高压缩比而不会发生爆震，。奥托循环的热效率与压缩比呈正比关系，因此压缩比提高后，热效率随之提高。比热容比方面，空气的比热容比是1.4，汽油的比热容比是1，废气的比热容比是1.3，因此EGR引入了废气后提高了比热容比。根据奥托循环效率公式：η=1-1/（εγ-1），η为效率，ε为压缩比，γ为比热容比。比热容比和压缩比提高可增加奥托循环效率。

减少泵气损失区域（左下）：采用VVT(内部EGR)和不带冷却器的外部EGR可以实现在低转速低负荷条件下降低泵气损失。

高压EGR与低压EGR

带涡轮增压器的汽油机EGR中分为高压EGR和低压EGR。在压轮之前取气称之为高压EGR,在涡轮之后取气称之为低压EGR。对于传统的自然吸气发动机是无高低压之分的。

图3

从图3中可以看到，在涡轮之前取气，气体压力较高，称为高压EGR。经过涡轮做功后气体压力较小，称为低压EGR。

高压EGR优势在于已经批产，；对于压轮和中冷器没有损害；另外由于压力较高，空气流速较高，使EGR反应速率较高。但是高压EGR覆盖不到前面所说的抗爆震区域，此外其成本要略高于低压EGR。

低压EGR的优势在于排气经过压轮、中冷器，平均分配到4个气缸中，因此四个缸的燃烧比较均匀，各缸的燃烧一致性比较好。另外，废气100%都经过压轮，，使其响应速率提高，减少涡轮迟滞现象。

图4

针对低压EGR，还细分为脏端取气与清洁端取气（图4），前者指的是在三元催化转化器（Catalyst）之前取气，后者则是在三元催化转化器之后取气。

脏端取气的优势在于燃油经济性好，首先一部分CO和HC并没有充分燃烧，取气之后循环再次燃烧，可降低油耗；其次还可以降低HC的排放。

清洁端取气的优势在于对压轮、EGR冷却器、中冷器不易造成腐蚀，因为混合气经过三元催化转化器后相对比较干净。系统的可靠性要高于脏端取气方法。

图5

从MAP图（图5）中可以看出，通过引进EGR，发动机在抗爆震区域可节油4-6%，在优化燃烧区域可节油5-15%，内部EGR区域可节油1-2%，减少泵气损失区域可节油2-4%。

对于直喷发动机，EGR还可以降低发动机排气中的颗粒物，对缓解中国地区雾霾天气有着积极作用。

博格华纳排放系统工程师表示，两种EGR同时采用是最理想的，但是考虑到成本问题，更推荐在清洁端取气的低压EGR方案。其透露，低压EGR在今年年底可实现批产，并且在中国已经有生产能力。

（文章来源：盖世汽车网）