冷卻EGR技術對汽油發動機點火控制的影響

王劍鋒 潘圣臨 曹亮 李曉磊 董恩肖

哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心 黑龍江省哈爾濱市 150060

1 引言

冷卻EGR技術作為改善發動機排放及油耗的主要技術之一，一直在柴油機中有廣泛應用，隨著4階段油耗法規的發布，各車廠面對油耗的壓力紛紛對冷卻EGR技術在汽油發動機上的應用進行研究，希望可以通過這一技術使發動機達到4階段油耗。

對于汽油增壓發動機來說，高負荷區域的油耗情況對發動機的整體油耗改善情況有很大的影響，而冷卻EGR技術對發動機高負荷油耗的貢獻情況尤為明顯，如圖1某款2.0發動機不同工況下的油耗改善情況，調查其它排量應用冷卻EGR發動機可以發現，排量越小在低負荷區域降油耗的效果越明顯，根據測試結果顯示在NEDC循環發動機節油約為3%，而在中高負荷區域油耗下降幅度可以達到5%-10%。

圖1 某款2.0發動機在不同工況下對油耗的改善情況

2 冷卻EGR降油耗原理

新鮮空氣與冷卻后混合氣進入氣缸燃燒，因為廢氣的參與導致新鮮空氣的含量減少，氣缸的燃燒溫度有效降低，并且緩和燃燒粗暴程度，使發動機的爆震傾向得到有效抑制，爆震的有效抑制為發動機帶來的壓比更大的提升空間。從而達到改善發動機效率以及節油的目的[1]。圖2不同工況影響發動機效率因素表述了在不同工況下發動機效率提升的制約因素。

圖2 不同工況影響發動機效率因素

3 試驗驗證

3.1 試驗參數

試驗機參數見表1。

3.2 布置方案

冷卻EGR系統試驗搭載如圖3，低壓EGR系統廢氣取氣位置在增壓器后端，廢氣經過EGR冷卻器及EGR閥后進入增壓器壓氣側入口。廢氣與新鮮空氣在壓氣機、中冷器、及進氣歧管內進行充分混合。由于EGR廢氣的導入是靠排氣壓力與空氣濾后壓力差，為了保證足夠的EGR率，在空氣濾后廢氣入口前增加一截流閥，用來降低進氣端壓力。為了掌握EGR率與進排氣壓力之間的關系及對整個系統的監控，在中冷器前后、EGR閥前后、空氣濾后均增加壓力及溫度測點。

表1 試驗機參數

3.3 試驗方法

本次試驗所有的測試都是在發動機暖機情況下進行的，油溫及冷卻液溫度控制90±3℃，空氣濾清器進氣溫度控制在25±2℃。試驗邊界按發動機批產邊界進行控制。利用排放測量儀測量出進氣中CO2 的體積（Cv.intake）比與排氣中CO2 的體積（Cv.exhasut）比，并通過公式1，計算出EGR率（rEGR）。

rEGR=Cv.intake/Cv.exhasut×100%[2]

3.4 試驗方案

為了精確控制爆震邊界，同時使用燃燒分析儀測量缸內壓力波動、ECU反饋信號及爆震傳感器信號三種監控手段，在不同工況下選擇了近40個點進行重新標定，選擇最優的EGR率及油耗情況繪制萬有特性曲線，驗證冷卻EGR對一款發動機油耗的影響，另外選取了2個特征點利用不同的分析方法對燃燒情況進行分析。

圖3 冷卻EGR系統試驗搭載方案

3.5 試驗結果

選擇爆震較為明顯的工況1000rpm 10bar的燃燒數據進行分析。通過燃燒測量儀對加入EGR前后發動機各缸的燃燒情況進行測量分析，圖4為各缸缸壓情況對比，表2為燃燒分析儀的測量數據對比。測量數據中的CA50為燃燒放熱量達到50%時所對應的曲軸轉角，該值反映了燃燒的熱效率。一般CA50在6-8之間時被認為燃燒效率最高，該值受燃燒條件及點火時刻影響較大。燃燒持續時間反應出了可燃氣的燃燒情況，持續時間越短燃燒情況越好，爆震傾向也越明顯。缸內最大爆發壓力反應了發動機的燃燒效率，在同一條件下，缸內最大爆發壓力越大燃燒效率越高。

表2 燃燒分析儀測量數據對比

通過試驗數據可以看出，受EGR的影響發動機燃燒時間變長，但由于點火角的提前的增加使CA50值向6-8靠近，同時缸內最大爆發壓力提高了約20bar，可以看出發動機的燃燒情況有了很大的改善。

為了更加清晰的驗證EGR率對發動機燃燒的影響，對3000rpm 10bar這一工況進行更加細致的試驗，在這點的試驗中，在EGR0-EGRmax中選擇了9個EGR率，通過不同EGR率與點火角、油耗、CA50、PP的關系反應EGR率對點火時刻的影響，實驗結果如圖5。

圖4 (a) 加入冷卻EGR前燃燒情況

圖4 (b) 加入冷卻EGR后燃燒情況

圖5 各試驗參數隨EGR率變化情況EGR率（%）

從實驗結果可以看出，在EGR率小于23時，CA50、PP及油耗都是隨EGR率的增加而優化，在EGR為23時達到最優值。在-EGR率大于23繼續增加時，各參數均出現惡化，說明在EGR率達到23時，發動機點火提前角與CA50等參數均已達到最優。產生這種顯現的原因是在點火角達到最優值時，EGR對燃燒的影響已不能利用點火時刻的提前來補償，從而使發動機燃燒惡化。

發動機燃燒情況的改善使發動機整機性能有很大的提升，本次試驗中選取了部分特征點對油耗及排放情況進行測試并與原機進行對比，結果如下圖。從對比情況可以看出，發動機的排放有很大改善，THC和NOX排放降低近50%，同時從特征點的油耗改善情況可以看出，在低負荷區域油耗改善約為3%，中負荷區域可以達到5%，而影響中負荷區域油耗最主要的因素正是可燃氣的燃燒[3]，從另一個方面驗證了冷卻EGR技術對發動機燃燒的改善情況。

圖6 加入EGR后排放改善情況

表3 燃燒分析儀測量數據對比

4 結語

從本文可以看出，由于發動機燃燒過程中加入廢氣之后，燃燒氣的燃燒速率及燃燒溫度都會降低，這會對爆震起到抑制做用，這種抑制作用為點火時刻的提前制造了空間，使缸內最大爆發壓力點可以在活塞下行初期，即CA50值在6-8范圍內。但當點火角提前角增加到一定值時，廢氣的加入不但不會使發動機性能有所提高，反而會抑制可燃氣的燃燒，使發動機性能下降并且油耗增加。