縮缸強化渦輪增壓汽油機廢氣再循環系統的研究

【日】 D.Takaki H.Tsuchida T.Kobara M.Akagi T.Tsuyuki M.Nagamine

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縮缸強化渦輪增壓汽油機廢氣再循環系統的研究

【日】 D.Takaki H.Tsuchida T.Kobara M.Akagi T.Tsuyuki M.Nagamine

介紹有關渦輪增壓汽油機冷卻廢氣再循環(EGR)系統的研究，旨在改善車輛的燃油經濟性。近年來，提高壓縮比和縮缸強化的策略已被視為是改善渦輪增壓汽油機燃油效率的有效途徑。在高負荷工況下，尤其在渦輪增壓區域，改善燃油經濟性特別重要。改善這一區域燃油經濟性的關鍵是抑制爆燃、降低排氣溫度和增大比熱比。冷卻EGR系統方案包括低壓回路EGR(LP-EGR)、高壓回路EGR(HP-EGR)，以及其他系統。基于以下理由選用LP-EGR系統： 在相對較高的渦輪增壓條件下，發動機低轉速時可供給足夠的再循環廢氣。為抑制爆燃，清除再循環廢氣中的氮氧化物非常重要，這意味著要從催化轉化器下游抽取再循環廢氣。另一方面，為了表征LP-EGR系統的較小壓差和較長EGR回路，必須應用更加精細的EGR率控制。EGR氣流基于EGR閥的壓差形成，而壓差隨空氣流率改變，所以，可以用不變的EGR閥開度保持EGR率。雖然這一原理只能用于穩態工況，但已開發一種新的修正控制，通過在排氣管取樣點上獲得的EGR廢氣壓力，并考慮其滯后效應，即使在瞬態工況下也可保持穩定的EGR率。試驗結果表明，在渦輪增壓狀態下，用LP-EGR可使燃油經濟性改善達5%，還能降低排氣溫度。

渦輪增壓汽油機 廢氣再循環 燃油經濟性

0 前言

為了改善燃油經濟性，汽油機近年來已有了很大程度的縮缸強化。然而，在高負荷領域還有進一步改善燃油經濟性的需求，以提高實際行駛條件下的燃油效率。對于縮缸強化渦輪增壓汽油機來說，改善渦輪增壓區域的燃油經濟性十分重要，研究人員已對冷卻廢氣再循環(EGR)系統在這類發動機上的應用進行過多項研究。

圖1示出了1.6L渦輪增壓發動機在US06行駛循環工況下運行時的燃油耗分布。與無級變速器相匹配時，發動機更頻繁地運行在渦輪增壓區域，所以，提高這一運行區域的燃油經濟性特別重要。

圖1 縮缸強化發動機在US06行駛循環工況下運行的實例(1.6L，渦輪增壓，匹配無級變速器)

由于渦輪增壓區域的泵氣損失較小，所以，可以用下列3種方法改善燃油經濟性： (1)抑制爆燃，提前點火定時；(2)降低排氣溫度；(3)增大比熱比。

圖2示出了冷卻EGR對改善燃油經濟性的效果。因為這些效果涵蓋上述要點，對冷卻EGR系統在渦輪增壓汽油機上的應用進行研究。

圖2 用冷卻EGR改善燃油經濟性的原理

1 各種EGR系統的比較

1.1 候選系統

根據再循環廢氣的抽取和注入位置不同,可分為幾種不同類型的冷卻EGR系統。本文對下列3種可能的候選系統進行研究： (1)低壓回路廢氣再循環(LP-EGR)系統，再循環廢氣從渦輪下游抽取，并在壓氣機上游注入；(2)高壓回路廢氣再循環(HP-EGR)系統，再循環廢氣從渦輪上游抽取，并在壓氣機和/或節流閥下游注入；(3)混合EGR系統，再循環廢氣從渦輪上游抽取，并在壓氣機上游注入。各系統簡圖如圖3所示。

圖3 候選的冷卻EGR系統簡圖

1.2 系統比較

表1列出了每種EGR系統在EGR區域寬度、抑制爆燃和降低排氣溫度這三方面的優缺點，這也是改善渦輪增壓區域燃油經濟性的主要因素。最后，選擇LP-EGR系統作為研究對象，因為它在各方面都表現優異。

表1 候選冷卻EGR系統的比較

1.2.1 渦輪增壓條件下EGR區域的寬度

圖4示出了每種EGR系統用于渦輪增壓發動機時的壓差等值線。EGR系統的壓差指再循環廢氣抽取口與供給口之間的壓力差。在HP-EGR系統中，在畫有斜線的區域，進氣空氣壓力高于排氣壓力，所以當EGR閥開啟時，新鮮空氣會進入排氣管。在LP-EGR系統中，在相同區域，系統提供正的壓差。這意味著在改善低轉速、高負荷工況的燃油經濟性方面，LP-EGR系統可在更大范圍注入再循環廢氣。

圖4 再循環廢氣抽取口與供給口之間壓力差(EGR閥關閉狀態)的比較

另一方面，在混合EGR系統的相同區域，顯示出比LP-EGR系統更大的壓差。不過，這一壓差是在EGR閥關閉的情況下獲得的，當EGR閥開啟時，就會有以下問題。圖5為低轉速區域進入氣缸的空氣量隨EGR率變化的仿真結果。由于混合EGR系統安裝在渦淪上游，渦輪上游容積相對較大。這一特性阻礙排氣壓力傳遞到渦輪，導致渦輪效率下降，而LP-EGR系統就不會發生這種情況。這也意味著混合EGR系統無法在EGR系統壓差很大的低轉速工況產生足夠的扭矩。

圖5 EGR系統充氣效率隨EGR率的變化(仿真結果，轉速1600r/min，節氣門和渦輪廢氣放氣閥全開)

正如上文所述，LP-EGR系統在改善燃油經濟性方面比其他系統更有效，因為它在低轉速、高負荷區域有更大范圍可注入再循環廢氣。

1.2.2 抑制爆燃的效果

眾所周知，可用冷卻EGR抑制爆燃。另一方面，EGR意味著廢氣包含的各種成分會重新進入燃燒室，而廢氣中的氮氧化物(NOx)特別容易引起燃油自燃。因此，研究各候選EGR系統抑制爆燃的效果。

用1臺單缸汽油機進行試驗，以證實進氣管中不同的NOx濃度對應用EGR時爆燃裕度的影響(圖6)。由圖6可知，當進氣管中NOx濃度為0時，EGR率每增加10%，爆燃裕度就改善3°CA。并且，當進氣管中NOx濃度增加時，改善發動機爆燃裕度的實際效果就會降低。這里的“爆燃裕度”指最大扭矩的最小點火定時(MBT)與爆燃強度閾值的點火定時之差。

圖6 進氣管中NOx濃度對改善爆燃裕度的影響(單缸汽油機，轉速1600r/min，平均指示壓力1.5MPa)

結果表明,由于LP-EGR在催化轉化器下游抽取再循環廢氣,并在壓氣機上游注入,因此在抑制爆燃方面是有利的,這是改善渦輪增壓區域燃油經濟性的重要措施之一。

然后，把LP-EGR系統安裝在1臺多缸汽油機上進行試驗，以驗證其對抑制爆燃的效果。圖7所示結果可以證實，當EGR率為10%時，爆燃裕度約改善3°CA。

圖7 LP-EGR系統抑制爆燃效果的驗證(轉速2000r/min，平均有效壓力0.7MPa)

1.2.3 降低排氣溫度的效果

眾所周知,向供應氣缸的新鮮空氣注入冷卻的再循環廢氣可降低排氣溫度，這就是EGR的稀釋效應。圖8示出了在高轉速、高負荷工況應用冷卻EGR時點火定時與排氣溫度之間的關系。數據證實，在高負荷區應用EGR可降低排氣溫度。結果，可以擴展化學計量比燃燒區域，改善實際燃油經濟性。按圖4所示高轉速、高負荷區域，3種候選EGR系統都可在此區域提供足夠的EGR壓差，但得到的EGR率受燃燒穩定性和渦輪增壓器壓比的限制。因此，即使每種候選系統都可得到相同的EGR率，預計LP-EGR系統降低排氣溫度的程度也比其他2種系統的更大，因為LP-EGR系統可抑制爆燃，相應提前點火定時。

圖8 EGR降低排氣溫度的效果(轉速4000r/min，平均有效壓力0.9MPa)

綜上所述,LP-EGR系統被認為在渦輪增壓區域有最佳的燃油經濟性改善效果,因為它在低轉速、高負荷區域有較寬廣的EGR正壓差區，能較好地抑制爆燃，提前點火定時，通過降低排氣溫度縮小燃油加濃區。

2 LP-EGR系統的控制技術

與常規EGR系統相比，LP-EGR系統有一些顯著特點(表2)，這些特點使系統難以穩定提供合適的EGR率。

表2 LP-EGR系統的特點

廢氣抽取口與供給口之間壓差較低是LP-EGR系統較為明顯的特點之一，這是影響再循環廢氣穩定供給的因素。另一個特點是EGR通路長，這可能會影響瞬態運行時的EGR可控性。下面將說明為保證LP-EGR系統可靠運行所采取的措施。

2.1 EGR率控制原理

圖9示出了LP-EGR系統的基本工作原理。該系統有3個孔板： 第1個孔板位于進氣系統再循環廢氣供給口的上游；第2個孔板位于排氣系統再循環廢氣抽取口的下游；第3個孔板是EGR閥，在開度恒定時，EGR閥被視為固定孔板。

首先，改變進入發動機的進氣空氣流率，引起第1孔板下游和第2孔板上游的壓力變化。2個孔板之間的壓差完全取決于進氣空氣流率，這一壓差等于LP-EGR系統上下游兩側之間的壓差。因此，再循環廢氣按照這一壓差流動。

這意味著EGR系統中的壓差由發動機進氣空氣流率決定。因為再循環廢氣流率由這一壓差決定，供給發動機的再循環廢氣流率與進氣空氣流率成比例。也就是說，因為EGR閥開度是固定的，EGR率將恒定不變，這與發動機吸入的空氣體積無關。

圖10示出了1臺裝配LP-EGR系統的發動機在穩態運行時的試驗結果。結果表明，如果EGR閥開度固定，則EGR率一定，而與進氣空氣流率無關，后者隨節氣門開度而變化。

上述結果證實，可以用EGR閥的開度控制EGR率。不過，因為實際發動機中有排氣脈動，在進氣空氣流率特別小時無法維持這種關系。這一點限制了LP-EGR系統在低負荷工況的應用。

2.2 瞬態工況下的EGR率特性

如上所述，在穩態工況下可以穩定控制EGR率，但圖11所示數據表明，在瞬態工況下的情況不同。圖11的結果是在相同EGR閥開度下進氣空氣流率急劇減小的情況，可見EGR率是瞬間增大的。

圖9 LP-EGR系統控制原理

圖10 在幾種節氣門開啟角下EGR率隨EGR閥開度的變化(發動機轉速2000r/min)

圖11 瞬態(減速)工況下EGR率的變動(轉速2000r/min，平均有效壓力1.1MPa→0.7MPa)

這種瞬間增大是由瞬態工況下進氣空氣流率變化與排氣壓力變化不同步引起的。在節氣門迅速關閉減速時，進氣空氣流率立即減小，而排氣壓力的下降在時間上略有滯后。這一時間滯后使EGR流率的下降產生延遲,結果導致EGR率增加，但當排氣壓力下降后，再循環廢氣流率也減小，EGR率逐漸變得穩定(圖12)。

圖12 瞬態(減速)工況下的壓力變化(轉速2000r/min，平均有效壓力1.1MPa→0.7MPa)

研究人員注意到這樣的事實： 排氣壓力的變化相對進氣空氣流率的延遲可以用進氣空氣流率加以修正。因此，開發了1個控制程序來修正反應延遲期間的EGR閥開度，通過找到針對這一時刻進氣空氣流率算出的排氣壓力與針對延遲時間前時間點的進氣空氣流率算出的排氣壓力之比確定修正率。

圖13為是否使用修正控制得到的比較結果。結果表明，修正EGR閥開度顯著降低了EGR率的波動幅度。結果，成功地開發出能方便、穩定地引入再循環廢氣的控制程序。EGR控制程序的基本構型如下： 在穩態工況下，把EGR閥開度設定在獲得目標EGR率的水平，而在瞬態工況下對響應延遲進行修正。為了在量產車型上實施EGR控制程序，還添加了判別條件和附加修正，使控制程序能適用于各種行駛環境。

3 試驗結果

根據以上研究結果構建LP-EGR系統，并進行試驗，以驗證其在改善燃油經濟性方面的效果。系統簡圖如圖14所示，發動機的技術規格見表3。

圖14 LP-EGR系統簡圖

項目參數行程/mm79.7缸徑/mm81.1排量/L1.618壓縮比10.5氣缸數4缸氣缸排列方式直列式

被位于渦輪下游的催化轉化器去除NOx的排氣通過EGR管進入EGR冷卻器，并用發動機冷卻液冷卻。經過冷卻的再循環廢氣流過EGR閥，在壓氣機上游進入進氣管。再循環廢氣與新鮮空氣混合，被壓氣機增壓，然后在增壓空氣中冷器內冷卻后進入氣缸。

圖15示出了在渦輪增壓運行區域用LP-EGR系統得到的燃油經濟性改善率與EGR率的關系。結果表明，當EGR率為20%時，燃油經濟性約改善5%。

圖15 冷卻LP-EGR改善燃油經濟性的效果(轉速2000r/min，平均有效壓力0.9MPa)

圖16的等值線顯示出穩態工況下恒定EGR率10%改善燃油經濟性的效果。在相同的發動機轉速下，對高負荷工況有較大改善效果，而較低轉速下的改善也可由發動機轉速軸看出。

圖16 冷卻LP-EGR改善燃油經濟性的效果(EGR率10%，穩態工況)

這些結果證實，冷卻LP-EGR系統在改善縮缸強化發動機的燃油經濟性方面效果顯著，特別是匹配無級變速器時效果更好。

4 結語

本文介紹了應用EGR系統改善渦輪增壓汽油

機在渦輪增壓區域燃油經濟性的研究實例。通過研究幾種EGR系統，開發了EGR率控制技術，并進行試驗，得出下列結論。

(1) LP-EGR系統具有在渦輪增壓區域改善燃油經濟性的最大潛力，因為它能有效抑制爆燃，縮小燃油加濃區。特別是降低進氣空氣中的NOx濃度是抑制爆燃的重要因素，而只有LP-EGR系統可實現這一點，因為這種系統是在三效催化轉化器下游抽取再循環廢氣。

(2) LP-EGR系統有以下特性。在穩態工況下，當EGR閥開度固定時，EGR率保持不變，與發動機的進氣空氣流率無關。此外，在瞬態運行工況下，考慮到排氣壓力的變化延遲，必須實現EGR率的穩定控制。

(3) 試驗結果表明，冷卻LP-EGR系統在改善燃油經濟性方面有顯著效果，在穩態工況下渦輪增壓區域的改善率高達5%。LP-EGR系統對較高負荷工況下燃油經濟性的改善效果更為顯著，這對于進一步縮缸強化的汽油機來說極為重要。

2014-06-30)