高低壓冷卻EGR對增壓發動機影響研究

張法，曹亮，曹權佐，胡志剛，張霖

高低壓冷卻EGR對增壓發動機影響研究

張法，曹亮，曹權佐，胡志剛，張霖

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

為適應高效發動機的需要，以一臺1.5 L渦輪增壓氣道噴射發動機為研究對象，對高低壓冷卻EGR系統對發動機的影響進行測試，通過在同一臺發動機上匹配高低壓冷卻EGR系統，測試相同特征工況下發動機的燃油消耗率及其他參數。研究表明，低壓冷卻EGR較高壓冷卻EGR有更好的節油效果，更適合渦輪增壓發動機的應用。

高低壓冷卻EGR；渦輪增壓；EGR率；燃油消耗率

引言

隨著世界經濟及汽車工業快速發展，乘用車保有量持續攀升，車輛在改善人們生活便捷的同時，也帶來了能源消耗和環境污染的問題，各國紛紛加快乘用車燃油消耗量限值和污染物排放限值法規升級進行應對，隨著油耗法規的日益嚴格，乘用車汽油發動機面臨前所未有的挑戰，技術升級刻不容緩。

根據相關研究表明，冷卻EGR系統可有效降低汽油發動機缸內混合氣燃燒溫度，改善燃燒，從而抑制發動機爆震，提前燃燒點火角，提高燃燒效率，同時解決發動機高負荷工況下因排氣溫度過高而采取噴油加濃策略，從而降低發動機燃油消耗率[1]。

本文主要通過在某款小型缸內直噴汽油發動機上匹配高/低冷卻EGR系統，研究其對發動機燃油消耗的改善效果及發動機燃燒過程的影響，為汽油發動機技術升級提供借鑒。

1 冷卻EGR布置形式及試驗工況

1.1 發動機主要技術參數

本文涉及試驗用發動機為一款成熟批產產品，已搭載多款國六車型，表1為發動機主要參數。

1.2 高低壓冷卻EGR布置

首先對試驗用基礎發動機進行改制，低壓冷卻EGR系統改制布置示意圖如圖1所示，低壓EGR系統從一級催化器后取EGR氣體，EGR氣體經冷卻后進入增壓器壓端入口前（空濾后），與新鮮空氣混合后，經過中冷器冷卻后，進入進氣歧管最終進入發動機缸內。

表1 發動機主要參數

參數名稱數值 排量/L1.5 氣缸數/個4 缸徑×沖程/（mm×mm）75.5×82 壓縮比10 噴油形式氣道噴射 進氣形式廢氣渦輪增壓 燃油牌號（RON）國六 RON 92# 最低燃油消耗率/ （g/kW?h）245

圖1 低壓冷卻EGR系統布置示意圖

高壓冷卻EGR系統改制布置示意圖如圖2所示，高壓EGR系統從排氣歧管出口（增壓器渦端入口）取EGR氣體，EGR氣體經冷卻后直接進入進氣歧管穩壓腔（發動機節氣門體后），最終進入發動機缸內。

圖2 高壓冷卻EGR系統布置示意圖

1.3 試驗工況及測試方法

試驗用發動機連接燃燒分析儀和排放測量設備，試驗過程中保證發動機運行條件及邊界條件穩定，固定噴油正時相位，通過調整點火提前角調節燃燒重心（AI50），使其盡可能到壓縮上止點后8°左右，否則將其標定至爆震邊界。發動機平均有效壓力的循環變動系數（COV）不超過3%[2]。

為研究高低壓冷卻EGR系統對發動機平均有效燃油消耗率改善效果的差異，根據基礎發動機試驗結果，選取6個特征工況點及低速外特性區域進行研究，如表2所示。

表2 試驗測試特征點

轉速/rpm扭矩/Nm 2 000120、140、160 2 400140、150、160 1 200、1 600、1 750外特性

基于試驗發動機固化標定參數，通過調節EGR閥逐步增加外部EGR率，找到各特征點下的最低燃油消耗率，采集試驗數據。EGR率計算公式如下[3]：

式中：CO2in為進氣與廢氣混合后氣體中CO2的體積分數；CO2ex為廢氣中CO2的體積分數；CO2air為新鮮空氣中CO2的體積分數。

2 試驗結果及分析

2.1 部分負荷油消耗率對比

圖3、圖4為2 000 rpm及2 400 rpm部分負荷下發動機燃油消耗率對比圖，如圖所示，在特征點上低壓EGR的燃油消耗率明顯低于高壓EGR，低壓EGR最低燃油消耗率為222 g/kW·h，而高壓EGR最低燃油消耗率為229 g/kW·h。

圖3 2 000 rpm部分負荷燃油消耗率對比

圖4 2 400 rpm部分負荷燃油消耗率對比

圖5為2 000 rpm及2 400 rpm部分負荷下發動機最優EGR率對比圖，如圖所示，低壓EGR的EGR率明顯高于高壓EGR，且低壓EGR系統通過節流閥的控制可以繼續增大EGR率，但高壓EGR系統中由于進氣歧管內與渦前壓差較小，EGR率無法進一步提高，因此節油效果較低壓EGR差距較大。

圖5 部分負荷最優EGR率對比

2.2 部分符合發動機參數對比

圖6、圖7為特征工況下發動機進氣溫度及進氣量的對比。通過對比可發現由于高低壓EGR布置結構差異，高壓EGR中的廢氣未經過中冷器的冷卻直接進入進氣歧管，因此低壓EGR進氣溫度明顯低于高壓EGR。由于進氣溫度過高，在同等試驗條件下，進入到氣缸內的進氣量更低，同時過高的進氣溫度也會導致發動機燃燒劣化，爆震傾向更加明顯[3-4]，從而導致發動機點火角退角，如圖8部分負荷點火角對比所示。

圖6 部分負荷進氣溫度對比

圖7 部分負荷進氣量對比

圖8 部分負荷點火角對比

2.3 全負荷外特性對比

圖9為高低壓EGR在1 200 rpm、1 600 rpm、1 750 rpm轉速下外特性表現，如圖所示，在1 200 rpm、1 600 rpm兩個轉速下低壓冷卻EGR能夠提高發動機外特性，但在1 750 rpm后，引入過大的EGR率發動機扭矩會有所降低，影響發動機外特性扭矩提高。

圖9 低轉速下外特性對比

圖10為高壓EGR系統內氣路的壓力對比，如圖所示在低速全負荷工況下，EGR閥出氣口（進氣歧管）的壓力大于進氣口（渦前）壓力，從而出現廢氣無法導入的狀況，由此可見高壓EGR在增壓機型的部分工況中是無法使用的，而低壓EGR系統無該問題。

圖10 高壓EGR系統氣路壓力

4 總結

本次研究表明，采用冷卻EGR系統可以有效改善發動機燃燒過程，提高發動機燃燒效率，從而大幅降低發動機平均有效燃油消耗率。

根據選定的特征工況點試驗結果顯示，平均有效燃油消耗率平均降低幅度在7%，最大降低幅度達到9%左右。

對比高低壓冷卻EGR系統在發動機外特性及特征點油耗及相關參數，結論如下：

（1）在部分負荷下，高低壓冷卻EGR系統對降低發動機燃油消耗率均有一定貢獻，且低壓冷卻EGR效果更加明顯。

（2）由于高壓冷卻EGR系統的布置原因，高壓EGR入口和出口的壓差過小，因此無法進一步提高EGR率；同時由于高壓EGR直接進入進氣歧管穩壓腔內，導致進氣溫度提高，不利于控制發動機爆震。

（3）在低速外特性下，低壓冷卻EGR系統在一定程度上能夠提高發動機性能，但超過一定轉速后增大EGR率會使得進入氣缸的新鮮空氣量減少，導致性能降低。

綜上，在渦輪增壓發動機上更適合采用低壓冷卻EGR系統，可作為后續發動機熱效率升級的重要手段之一。

[1] 賈寧,高定偉,郭向陽,等. EGR對增壓進氣道噴射汽油機的影響研究[J].內燃機工程,2016,37(2):43-47.

[2] 張鵬,曹思雨,鄭洪磊,等.低壓冷卻EGR系統對汽油發動機燃油經濟性[J].小型內燃機與車輛技術,2019,48(6):6-9.

[3] 余光耀,李巖,曹春暉,等.低壓廢氣再循環(LP_EGR)在汽油機上的應用[J].汽車科技,2019(2):54-60.

[4] 吉田慎一郎,依藤行伸,平井直樹,等.低壓冷卻EGR系統在小型增壓式汽油機上的應用[J].國外內燃機,2017(2):49-53.

Research on the Influence of High and Low Pressure Cooling EGR on the Turbocharged Engine

ZHANG Fa, CAO Liang, CAO Quanzuo, HU Zhigang, ZHANG Lin

（Center of Technology, Harbin Dongan Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd., Heilongjiang Harbin 150060）

To suit the requirements of the high-efficiency engines, taking one 1.5 L PFI engine as the research object,the influence of the high and low pressure cooling EGR system on the engine was tested. By matching the HP/LP cooling EGR system on the same engine, the fuel consumption rate and other parameters of the engine under the same characteristic working conditions were tested. The research shows that the LP cooling EGR has better fuel saving effect than the HP cooling EGR, and is more suitable for the application of turbocharged engines.

HP cooler EGR and LP cooler EGR; Turbocharger; EGR rate; Brake specific fuel consumption

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.037

U464

A

1671-7988(2021)21-142-04

U464

A

1671-7988(2021)21-142-04

張法（1987—），男，工程師，學歷碩士，就職于哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，研究方向：發動機整機開發。