增壓汽油機EGR系統瞬態延遲的研究

朱玉萍

泛亞汽車技術中心有限公司 上海市 201201

1 引言

隨著國家對乘用車燃油消耗及排放法規的要求越來越高，現有小型增壓直噴汽油發動機需要更多的先進技術來提高其燃燒效率，進而提升發動機性能和降低油耗及排放；目前冷卻廢氣再循環(EGR)作為一項新技術，是能改善汽油機爆震問題，富油區油耗高，泵氣損失及熱損失大等一系列問題的有效措施。

但廢氣再循環技術本身又會帶來很多難題需要一一解決，EGR系統的響應延遲及瞬態控制是決定其能否更好地發揮作用的主要因素之一。

2 EGR瞬態延遲的影響

2.1 不同EGR布置結構對瞬態延遲的影響

針對增壓汽油發動機應用，廢氣再循環的布置結構主要有高壓和低壓架構之分（見圖1），不同的布置結構在EGR瞬態延遲方面的表現差別很大。

圖1 高壓和低壓EGR架構

高壓EGR架構，廢氣從排氣歧管通過管路直接引入進氣歧管，布置緊湊，EGR路徑和容積較小，EGR瞬態延遲的影響可降到最低，如下圖2所示緊湊型高壓EGR布置方式。

圖2 高壓EGR布置架構示例

低壓EGR架構，傳統的布置方式（如下圖3所示）為廢氣從催化器經過管路引入壓氣機入口，壓氣機后廢氣還要繞行整車空冷中冷器，節氣門后進入進氣歧管，管路較長，瞬態延遲問題嚴重。所以低壓EGR架構布置優化就顯得尤為重要。

圖3 傳統低壓EGR布置架構示例

新型優化的低壓EGR布置架構如下圖4所示，LP EGR閥緊挨壓氣機布置，減少壓前EGR管路容積；壓后采用水冷中冷器，直接布置在進氣歧管內部，極大縮小EGR所經管路長度及容積，EGR瞬態延遲可基本與高壓相當。

圖4 緊湊型低壓EGR布置架構示例

2.2 EGR瞬態延遲對發動機性能的影響

EGR的瞬態延遲為整車瞬態駕駛工況時EGR率的精確控制帶來了挑戰；EGR率的需求從無到有，若逐步增大時，EGR的響應延遲減少其了對燃油經濟性的收益；EGR率的需求逐步減少，或突然從有到無時，EGR的響應延遲會導致燃燒惡化，甚至影響排放及導致發動機異常熄火。

所以，目前各大控制系統都需開發針對EGR遲滯的控制模塊及修正模型，但不同的發動機，不同的EGR布置架構，相應的EGR延遲狀況都有所不同，需要有較好的方法來確認具體EGR的延遲情況。

3 EGR瞬態延遲測量方法的研究

3.1 臺架上運行WLTC瞬態工況

試驗研究選用的是一個1.0L的增壓直噴汽油機，發動機的主要性能參數如下所示：

Valves/Cylinder 12/3 Power 85Kw Torque 175Nm EGR HP cooled EGR

項目開發前期，通過CAE分析計算得出對應整車WLTC循環時發動機的瞬態運行轉速及負荷，臺架通過軟件編程可控制發動機按此工況循環運行，實現了前期在臺架上進行WLTC瞬態工況的測試（如下圖5）。

3.2 CO2濃度測量方法得到EGR率

采用傳統的方法，測量進排氣歧管內CO2濃度，計算得到EGR率。考慮到歧管內EGR率分配不均勻的問題，在各缸進氣口都需連接通道取氣以保證測量結果的準確性。

圖5 發動機臺架上WLTC循環

發動機運行WLTC瞬態工況時監控EGR率及EGR閥響應運行情況確認延遲。

圖6 CO2濃度測量通道連接示意圖

3.3 監控燃燒壓力的測量方法

臺架上將發動機EGR閥位置傳感器電壓信號連入燃燒分析儀，這樣EGR閥開啟關閉反饋信號與發動機缸壓信號可同步起來。

先保持發動機在穩態工況下，EGR閥由關閉變為打開狀態，或由打開變為關閉狀態，EGR率的變化將會引起燃燒室內缸壓的波動，待EGR流量完全穩定后缸壓即保持穩定了，通過監控缸壓的波動及變化情況即可得出EGR的延遲時間。臺架上根據EGR閥前后氣路壓比的不同，取一些典型工況點進行測量，以確認EGR延遲情況。

圖7 EGR閥前后壓比分布示意圖

然后將發動機在兩個工況間快速變換，典型的可由EGR率較大的工況變到EGR率為0的工況，變換速率可設為2s， 1s， 0.6s，查看在工況瞬態快速變換過程中，EGR率的變化及瞬態延遲對發動機燃燒穩定性的影響。

4 EGR瞬態延遲測量結果及評估

4.1 CO2濃度測量方法得到EGR延遲測量結果

臺架瞬態運行測量結果如下圖8所示，根據EGR閥開度換算得到的EGR率(EGR ratio actual)與發動機目標EGR率(EGR ratio target)跟隨性及一致性很好，延遲基本可忽略不計。但是通過CO2濃度方法測得的進氣歧管內實際EGR率(EGR ratio from dyno)與目標EGR率(EGR ratio target)相比，延遲滯后嚴重，有3.5s左右。

經分析，臺架測量CO2濃度的管路較長(約有10m)，此段管路本身就會導致臺架測得EGR率與發動機歧管內實際EGR率相比延遲滯后，所以此3.5m并不是歧管內實際EGR率與目標EGR率相比的延遲值。但通過此實驗結果也可看出，在各工況下EGR率延遲基本保持一致，并無隨著工況的變化導致延遲有所變化。

4.2 監控燃燒壓力得到EGR延遲測量結果

穩定工況下測試結果如下圖9，以2000rpm @4bar工況為例，EGR閥關閉時最大缸壓穩定在3500kpa左右，EGR閥開啟后，3-4個燃燒循序內EGR逐步進入燃燒室，燃燒最大缸壓逐步降低，直到4個循環后最大缸壓穩定在2000kpa左右，3-4個循環的燃燒循環時間即為EGR率逐步穩定延遲滯后的時間，約0.2-0.3s；該發動機其他各工況測量結果基本都保持在這個延遲水平。

圖8 瞬態工況EGR率延遲情況

瞬態變化工況測試結果如下圖10，臺架控制發動機在2s內從2000rpm@20bar變化到2000rpm @2bar。轉速2000對應負荷20bar和2bar時目標EGR率都為0，但是過渡到中負荷時目標EGR率較高，能達到20%，所以整個運行循環，EGR閥經歷先開啟然后關閉的瞬態過程，EGR在瞬態工況對燃燒的影響通過此過程可以很好的反應出來。

圖9 燃燒壓力隨EGR開啟變化2000rpm@4bar

圖10 瞬態工況燃燒數據

由IMEP曲線數據可看出，EGR閥由開啟到關閉，EGR瞬態延遲導致燃燒不穩定有熄火風險，需要優化標定，根據EGR的延遲調整點火角來優化燃燒。

5 結語

EGR系統的響應延遲對EGR瞬態控制帶來不利的影響，EGR不同架構布置對瞬態延遲的影響較大，初期架構布置需要考慮盡可能降低EGR延遲；EGR瞬態延遲有各種測量方法，通過監控燃燒壓力數值的變化掌握EGR延遲情況及對燃燒的影響是其中較好的方法，可以給后續EGR更好的瞬態控制標定以一定的指導作用。