隨著實際車輛行駛排放（RDE）法規的推出，對廢氣排放具有重要意義的發動機特性曲線場范圍明顯擴大，與此同時，在小型化發動機上也涉及當今流行的非化學計量比運行范圍。Mahle公司在現代量產廢氣渦輪增壓汽油機的基礎上，通過適當使用高壓和低壓廢氣再循環以過量空氣系數=1達到廣泛且燃油耗優化運行。

1超出廢氣排放限值的可能性

現代高度小型化的渦輪增壓直噴汽油機配備帶三效催化轉化器的簡單的排氣后處理系統，并能以過量空氣系數λ=1運行。在目前生效的新歐洲行駛循環（NEDC）中，汽油機以化學計量比運行能完全滿足廢氣排放法規要求。

在用全球統一的輕型載貨車行駛試驗循環[1]替代NEDC的進程中，必須同時滿足實際車輛行駛排放（RDE）法規要求。在對汽油機最不利的情況下，RDE意味著要在寬廣的特性曲線場范圍內滿足嚴格的廢氣排放法規。在這方面，現代汽油機具有2個臨界運行范圍，即為保護零件而加濃的運行范圍和為提高扭矩的掃氣燃燒過程運行范圍，此時，三效催化轉化器就不再能完全凈化廢氣中的有害物，并且在寬廣的特性曲線場范圍內或許會超出廢氣排放限值。

2用于化學計量比運行的方式

為采用不同方式使臨界運行范圍以λ=1運行，例如可以在設計廢氣渦輪增壓器時采用更耐高溫的材料，避免全負荷時加濃，但存在成本問題。將排氣歧管集成在氣缸蓋上也能減輕熱負荷，但排氣門的熱負荷仍非常高的，為此，Mahle公司提供了名為“Evotherm”或“Toptherm”（譯注：高耐熱）的中空充鈉冷卻排氣門[2]。通常將高壓廢氣再循環(EGR)作為有效減少全負荷加濃的措施。

為了提高扭矩，在現代渦輪增壓小型化汽油機上采用掃氣燃燒過程，并借助于優化的配氣正時，發動機用吸入的新鮮空氣進行掃氣，增大了渦輪前的熱焓,直接導致催化轉化器前λ稀薄,使以化學計量比工作的排氣后處理系統不能有效地發揮功效,并使三效催化轉化器短暫的吸附能力隱沒在這種境況中。

在低轉速高負荷運行范圍內，可以采用電輔助曲軸旋轉或輔助增壓機組的方法實施λ=1的運行，即使在取消超化學計量比掃氣的情況下也能保持發動機扭矩。

原則上也能采用總λ=1運行，即燃燒室中采用濃混合氣運行，而在氣門重疊較大的情況下，催化轉化器中的混合氣處于化學計量比狀態，此時燃油耗明顯增大。因催化轉化器將易著火的空燃混合氣直接進行轉化，因而要防止催化轉化器出現高過熱現象，以避免催化轉化器的熱損壞。因該方法在燃油耗及催化轉化器的熱負荷方面存在缺陷，促使提出有關替代方案的問題，例如采用外部EGR。

3發動機試驗

選擇目前量產的1.0 L3缸增壓直噴汽油機作為試驗載體，并采用近發動機的EGR管路布置方案，不僅可用于試驗臺架上，而且能裝配在試驗汽車上。無論是裝配式的高壓EGR，還是低壓EGR，都采用Mahle公司最佳的EGR冷卻器和EGR調節閥。

仔細設計了高壓EGR管路引入口的位置。為了確保再循環廢氣能盡可能均勻地分布，結合一維和三維模擬，試驗了多種方案，并確保測量的正確性。同時，采用幾何形狀和尺寸優化的開口逆流引入的方案，獲得了最佳的再循環廢氣分布狀況，并將發動機上的試驗結果轉化到汽車上。下文示出了3種運行工況點（發動機轉速1 250 r/min、平均有效壓力1.82 MPa；發動機轉速1 350 r/min、平均有效壓力1.40 MPa；發動機轉速1 500 r/min、全負荷）的試驗結果。通過測量進氣管中的CO2含量來決定所提供的EGR率。

4低壓EGR用于運行工況點1

圖1示出了低壓EGR用于運行工況點1（發動機轉速1 250r/min、平均有效壓力1.82 MPa、全負荷）的測量值。其中，λ=1.11，超越了目標窗口，通過改變噴油量實現λ=1，但這會使所考察的負荷工況點的燃油耗增加約2 g/(kW·h)。在該運行工況點時廢氣放氣閥是完全關閉的，只能通過加大氣門重疊角來保持平均有效壓力1.82 MPa的負荷。如果同時應用EGR和較大的氣門重疊角會導致燃油耗明顯增加，這樣并不能達到目標，因此，在該運行工況點因廢氣放氣閥關閉而應用EGR是不明智的。

5低壓EGR用于運行工況點2

對運行工況點2（發動機轉速1 350 r/min、平均有效壓力1.40 MPa）試驗結果的分析表明（圖2），一旦部分打開廢氣渦輪增壓器的放氣閥就顯現出低壓EGR的潛力。最初使用λ=1運行會使燃油耗增加9 g/（kW·h），而應用低壓EGR就能使燃油耗只增加約3 g/（kW·h），原則上能進一步提高EGR率，并且不會受到穩定性標準的限制。所選擇的EGR率在結構設計上是由相應的EGR閥打開的橫截面來限定的，以便用于汽車上。

6低壓EGR用于運行工況點3

圖3示出了運行工況點3（發動機轉速1 500r/min、全負荷）的試驗結果。在量產中應用掃氣燃燒過程的情況下，采用廢氣放氣閥部分打開的方法來達到平均有效壓力2.14 MPa 的目標扭矩，此時，燃油耗在以λ=1運行時增加26 g/（kW·h），而使用12%的低壓EGR率僅增加7g/（kW·h）。

圖4示出了運行工況點3在壓氣機特性曲線場中的測量點。隨著低壓EGR質量流量的增大，通過增加壓氣機的總質量流量，測量點先平行于壓氣機限制界線移動，在低壓EGR率為14%時，氣門重疊角增大到約20oCA，使最終測量的運行點向更大的壓氣機質量流量移動。

如果在這個運行工況點采用減小氣門重疊角替代低壓EGR,會使通過渦輪和壓氣機的質量流量減小,進而增大熱的內部EGR而使燃燒變差,并提高了對增壓壓力的需求,因此，這種應用方法會出現壓氣機特性曲線場中的運行點向壓氣機限制界限移動。隨著廢氣渦輪增壓技術的發展，可以期待未來壓氣機具有更寬廣的特性曲線場，從而使壓氣機限制界線移向更小的質量流量，屆時將重新評價減小氣門重疊角的潛力。

7用實際行駛數據進行調整

在分析發動機特性曲線場廢氣排放和燃油耗時，通常比較關注的是NEDC中具有代表性的低轉速低負荷范圍。將小型化汽油機與低速化相結合，使這些運行工況點移向中等負荷范圍。無論是低轉速的高負荷范圍，或高轉速的高負荷范圍，都屬于極端的行駛狀態（例如帶拖車在高山盤山公路上行駛）。

通過在歐洲試驗行駛幾千公里已經查明了這種汽油機搭載于配裝手動變速器的C級轎車上的運行工況點。在高度落差較小和限速的國家中，很少在采用掃氣燃燒過程或全負荷加濃的特性曲線場范圍內行駛。與此相比，圖5示出了在德國不限速的高速公路和狀況良好的路面行駛情況。因此，與正常補充充氣和順暢的行駛方式一樣，發動機特性曲線場中2種降低廢氣排放技術的臨界運行范圍對于真實的用戶行駛性能是非常重要的。

8動態EGR在汽車上的應用

圖6示出了傳統動態標定（圖中“基本型”）與試驗用汽油機搭載于C級轎車應用EGR時標定的比較，運用試驗臺標定所獲得的知識，在汽車從第6檔1 250 r/min全負荷加速情況下，能良好地標定到λ=1，其余偏差處于相應配置的三效催化轉化器的吸附能力范圍內。

9結語

2017年，汽油機必須滿足RDE法規的要求,在可能出現的最不利情況的背景下, Mahle公司通過試驗臺和真實汽車上的試驗后確認,EGR是在寬廣的特性曲線場范圍內實行λ=1運行的最有效的方法。在發動機特性曲線場的掃氣運行范圍內，在標準標定時增壓器廢氣放氣閥不完全關閉的情況下，低壓EGR始終具有重要意義，這樣，采用非化學計量比氣缸混合氣運行的方法能補償在燃油耗方面的多數缺點。即使低壓EGR在充氣方面有所損失，但無論是在穩態運行，還是動態運行時，都能避免扭矩損失。

處于批量應用考慮，從成本-效益觀點來看，應用低壓EGR是很有意義的。與高壓EGR系統相比，低壓EGR系統中的零部件承受的熱負荷明顯較低，而且再循環廢氣也較為清潔。而在高轉速高負荷運行工況，為實現λ=1運行，高壓EGR系統與其他可供選擇的技術方案存在競爭，例如采用整體式水冷排氣歧管，并與相應改進的排氣門及優化的廢氣渦輪增壓器相結合的方法。

此外，高壓EGR或低壓EGR都能借助于消除節流來降低部分負荷運行時的燃油耗?，F代汽油機的定量調節需要精確調節EGR質量流量，采用合適的EGR閥技術也能在動態運行時達到精確的調節。RDE法規將于2017年生效，為了在均質運行的廢氣渦輪增壓汽油機上成功地批量應用EGR，將面臨降低燃油耗，以及在用戶實際使用中降低廢氣有害物排放的艱巨任務。