縮缸強(qiáng)化渦輪增壓汽油機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的研究

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

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縮缸強(qiáng)化渦輪增壓汽油機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的研究

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

介紹有關(guān)渦輪增壓汽油機(jī)冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)的研究，旨在改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。近年來，提高壓縮比和縮缸強(qiáng)化的策略已被視為是改善渦輪增壓汽油機(jī)燃油效率的有效途徑。在高負(fù)荷工況下，尤其在渦輪增壓區(qū)域，改善燃油經(jīng)濟(jì)性特別重要。改善這一區(qū)域燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵是抑制爆燃、降低排氣溫度和增大比熱比。冷卻EGR系統(tǒng)方案包括低壓回路EGR(LP-EGR)、高壓回路EGR(HP-EGR)，以及其他系統(tǒng)?；谝韵吕碛蛇x用LP-EGR系統(tǒng)： 在相對(duì)較高的渦輪增壓條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)可供給足夠的再循環(huán)廢氣。為抑制爆燃，清除再循環(huán)廢氣中的氮氧化物非常重要，這意味著要從催化轉(zhuǎn)化器下游抽取再循環(huán)廢氣。另一方面，為了表征LP-EGR系統(tǒng)的較小壓差和較長(zhǎng)EGR回路，必須應(yīng)用更加精細(xì)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(wěn)態(tài)工況，但已開發(fā)一種新的修正控制，通過在排氣管取樣點(diǎn)上獲得的EGR廢氣壓力，并考慮其滯后效應(yīng)，即使在瞬態(tài)工況下也可保持穩(wěn)定的EGR率。試驗(yàn)結(jié)果表明，在渦輪增壓狀態(tài)下，用LP-EGR可使燃油經(jīng)濟(jì)性改善達(dá)5%，還能降低排氣溫度。

渦輪增壓汽油機(jī) 廢氣再循環(huán) 燃油經(jīng)濟(jì)性

0 前言

為了改善燃油經(jīng)濟(jì)性，汽油機(jī)近年來已有了很大程度的縮缸強(qiáng)化。然而，在高負(fù)荷領(lǐng)域還有進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性的需求，以提高實(shí)際行駛條件下的燃油效率。對(duì)于縮缸強(qiáng)化渦輪增壓汽油機(jī)來說，改善渦輪增壓區(qū)域的燃油經(jīng)濟(jì)性十分重要，研究人員已對(duì)冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)在這類發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行過多項(xiàng)研究。

圖1示出了1.6L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在US06行駛循環(huán)工況下運(yùn)行時(shí)的燃油耗分布。與無級(jí)變速器相匹配時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)更頻繁地運(yùn)行在渦輪增壓區(qū)域，所以，提高這一運(yùn)行區(qū)域的燃油經(jīng)濟(jì)性特別重要。

圖1 縮缸強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)在US06行駛循環(huán)工況下運(yùn)行的實(shí)例(1.6L，渦輪增壓，匹配無級(jí)變速器)

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

圖2示出了冷卻EGR對(duì)改善燃油經(jīng)濟(jì)性的效果。因?yàn)檫@些效果涵蓋上述要點(diǎn)，對(duì)冷卻EGR系統(tǒng)在渦輪增壓汽油機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行研究。

圖2 用冷卻EGR改善燃油經(jīng)濟(jì)性的原理

1 各種EGR系統(tǒng)的比較

1.1 候選系統(tǒng)

根據(jù)再循環(huán)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(tǒng)。本文對(duì)下列3種可能的候選系統(tǒng)進(jìn)行研究： (1)低壓回路廢氣再循環(huán)(LP-EGR)系統(tǒng)，再循環(huán)廢氣從渦輪下游抽取，并在壓氣機(jī)上游注入；(2)高壓回路廢氣再循環(huán)(HP-EGR)系統(tǒng)，再循環(huán)廢氣從渦輪上游抽取，并在壓氣機(jī)和/或節(jié)流閥下游注入；(3)混合EGR系統(tǒng)，再循環(huán)廢氣從渦輪上游抽取，并在壓氣機(jī)上游注入。各系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 候選的冷卻EGR系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1.2 系統(tǒng)比較

表1列出了每種EGR系統(tǒng)在EGR區(qū)域?qū)挾取⒁种票己徒档团艢鉁囟冗@三方面的優(yōu)缺點(diǎn)，這也是改善渦輪增壓區(qū)域燃油經(jīng)濟(jì)性的主要因素。最后，選擇LP-EGR系統(tǒng)作為研究對(duì)象，因?yàn)樗诟鞣矫娑急憩F(xiàn)優(yōu)異。

表1 候選冷卻EGR系統(tǒng)的比較

1.2.1 渦輪增壓條件下EGR區(qū)域的寬度

圖4示出了每種EGR系統(tǒng)用于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的壓差等值線。EGR系統(tǒng)的壓差指再循環(huán)廢氣抽取口與供給口之間的壓力差。在HP-EGR系統(tǒng)中，在畫有斜線的區(qū)域，進(jìn)氣空氣壓力高于排氣壓力，所以當(dāng)EGR閥開啟時(shí)，新鮮空氣會(huì)進(jìn)入排氣管。在LP-EGR系統(tǒng)中，在相同區(qū)域，系統(tǒng)提供正的壓差。這意味著在改善低轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工況的燃油經(jīng)濟(jì)性方面，LP-EGR系統(tǒng)可在更大范圍注入再循環(huán)廢氣。

圖4 再循環(huán)廢氣抽取口與供給口之間壓力差(EGR閥關(guān)閉狀態(tài))的比較

另一方面，在混合EGR系統(tǒng)的相同區(qū)域，顯示出比LP-EGR系統(tǒng)更大的壓差。不過，這一壓差是在EGR閥關(guān)閉的情況下獲得的，當(dāng)EGR閥開啟時(shí)，就會(huì)有以下問題。圖5為低轉(zhuǎn)速區(qū)域進(jìn)入氣缸的空氣量隨EGR率變化的仿真結(jié)果。由于混合EGR系統(tǒng)安裝在渦淪上游，渦輪上游容積相對(duì)較大。這一特性阻礙排氣壓力傳遞到渦輪，導(dǎo)致渦輪效率下降，而LP-EGR系統(tǒng)就不會(huì)發(fā)生這種情況。這也意味著混合EGR系統(tǒng)無法在EGR系統(tǒng)壓差很大的低轉(zhuǎn)速工況產(chǎn)生足夠的扭矩。

圖5 EGR系統(tǒng)充氣效率隨EGR率的變化(仿真結(jié)果，轉(zhuǎn)速1600r/min，節(jié)氣門和渦輪廢氣放氣閥全開)

正如上文所述，LP-EGR系統(tǒng)在改善燃油經(jīng)濟(jì)性方面比其他系統(tǒng)更有效，因?yàn)樗诘娃D(zhuǎn)速、高負(fù)荷區(qū)域有更大范圍可注入再循環(huán)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(huì)重新進(jìn)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(tǒng)抑制爆燃的效果。

用1臺(tái)單缸汽油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，以證實(shí)進(jìn)氣管中不同的NOx濃度對(duì)應(yīng)用EGR時(shí)爆燃裕度的影響(圖6)。由圖6可知，當(dāng)進(jìn)氣管中NOx濃度為0時(shí)，EGR率每增加10%，爆燃裕度就改善3°CA。并且，當(dāng)進(jìn)氣管中NOx濃度增加時(shí)，改善發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃裕度的實(shí)際效果就會(huì)降低。這里的“爆燃裕度”指最大扭矩的最小點(diǎn)火定時(shí)(MBT)與爆燃強(qiáng)度閾值的點(diǎn)火定時(shí)之差。

圖6 進(jìn)氣管中NOx濃度對(duì)改善爆燃裕度的影響(單缸汽油機(jī)，轉(zhuǎn)速1600r/min，平均指示壓力1.5MPa)

結(jié)果表明,由于LP-EGR在催化轉(zhuǎn)化器下游抽取再循環(huán)廢氣,并在壓氣機(jī)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(qū)域燃油經(jīng)濟(jì)性的重要措施之一。

然后，把LP-EGR系統(tǒng)安裝在1臺(tái)多缸汽油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證其對(duì)抑制爆燃的效果。圖7所示結(jié)果可以證實(shí)，當(dāng)EGR率為10%時(shí)，爆燃裕度約改善3°CA。

圖7 LP-EGR系統(tǒng)抑制爆燃效果的驗(yàn)證(轉(zhuǎn)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(yīng)氣缸的新鮮空氣注入冷卻的再循環(huán)廢氣可降低排氣溫度，這就是EGR的稀釋效應(yīng)。圖8示出了在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工況應(yīng)用冷卻EGR時(shí)點(diǎn)火定時(shí)與排氣溫度之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)證實(shí)，在高負(fù)荷區(qū)應(yīng)用EGR可降低排氣溫度。結(jié)果，可以擴(kuò)展化學(xué)計(jì)量比燃燒區(qū)域，改善實(shí)際燃油經(jīng)濟(jì)性。按圖4所示高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷區(qū)域，3種候選EGR系統(tǒng)都可在此區(qū)域提供足夠的EGR壓差，但得到的EGR率受燃燒穩(wěn)定性和渦輪增壓器壓比的限制。因此，即使每種候選系統(tǒng)都可得到相同的EGR率，預(yù)計(jì)LP-EGR系統(tǒng)降低排氣溫度的程度也比其他2種系統(tǒng)的更大，因?yàn)長(zhǎng)P-EGR系統(tǒng)可抑制爆燃，相應(yīng)提前點(diǎn)火定時(shí)。

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

綜上所述,LP-EGR系統(tǒng)被認(rèn)為在渦輪增壓區(qū)域有最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性改善效果,因?yàn)樗诘娃D(zhuǎn)速、高負(fù)荷區(qū)域有較寬廣的EGR正壓差區(qū)，能較好地抑制爆燃，提前點(diǎn)火定時(shí)，通過降低排氣溫度縮小燃油加濃區(qū)。

2 LP-EGR系統(tǒng)的控制技術(shù)

與常規(guī)EGR系統(tǒng)相比，LP-EGR系統(tǒng)有一些顯著特點(diǎn)(表2)，這些特點(diǎn)使系統(tǒng)難以穩(wěn)定提供合適的EGR率。

表2 LP-EGR系統(tǒng)的特點(diǎn)

廢氣抽取口與供給口之間壓差較低是LP-EGR系統(tǒng)較為明顯的特點(diǎn)之一，這是影響再循環(huán)廢氣穩(wěn)定供給的因素。另一個(gè)特點(diǎn)是EGR通路長(zhǎng)，這可能會(huì)影響瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)的EGR可控性。下面將說明為保證LP-EGR系統(tǒng)可靠運(yùn)行所采取的措施。

2.1 EGR率控制原理

圖9示出了LP-EGR系統(tǒng)的基本工作原理。該系統(tǒng)有3個(gè)孔板： 第1個(gè)孔板位于進(jìn)氣系統(tǒng)再循環(huán)廢氣供給口的上游；第2個(gè)孔板位于排氣系統(tǒng)再循環(huán)廢氣抽取口的下游；第3個(gè)孔板是EGR閥，在開度恒定時(shí)，EGR閥被視為固定孔板。

首先，改變進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)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(gè)孔板之間的壓差完全取決于進(jìn)氣空氣流率，這一壓差等于LP-EGR系統(tǒng)上下游兩側(cè)之間的壓差。因此，再循環(huán)廢氣按照這一壓差流動(dòng)。

這意味著EGR系統(tǒng)中的壓差由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空氣流率決定。因?yàn)樵傺h(huán)廢氣流率由這一壓差決定，供給發(fā)動(dòng)機(jī)的再循環(huán)廢氣流率與進(jìn)氣空氣流率成比例。也就是說，因?yàn)镋GR閥開度是固定的，EGR率將恒定不變，這與發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的空氣體積無關(guān)。

圖10示出了1臺(tái)裝配LP-EGR系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，如果EGR閥開度固定，則EGR率一定，而與進(jìn)氣空氣流率無關(guān)，后者隨節(jié)氣門開度而變化。

上述結(jié)果證實(shí)，可以用EGR閥的開度控制EGR率。不過，因?yàn)閷?shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中有排氣脈動(dòng)，在進(jìn)氣空氣流率特別小時(shí)無法維持這種關(guān)系。這一點(diǎn)限制了LP-EGR系統(tǒng)在低負(fù)荷工況的應(yīng)用。

2.2 瞬態(tài)工況下的EGR率特性

如上所述，在穩(wěn)態(tài)工況下可以穩(wěn)定控制EGR率，但圖11所示數(shù)據(jù)表明，在瞬態(tài)工況下的情況不同。圖11的結(jié)果是在相同EGR閥開度下進(jìn)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(tǒng)控制原理

圖10 在幾種節(jié)氣門開啟角下EGR率隨EGR閥開度的變化(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000r/min)

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

這種瞬間增大是由瞬態(tài)工況下進(jìn)氣空氣流率變化與排氣壓力變化不同步引起的。在節(jié)氣門迅速關(guān)閉減速時(shí)，進(jìn)氣空氣流率立即減小，而排氣壓力的下降在時(shí)間上略有滯后。這一時(shí)間滯后使EGR流率的下降產(chǎn)生延遲,結(jié)果導(dǎo)致EGR率增加，但當(dāng)排氣壓力下降后，再循環(huán)廢氣流率也減小，EGR率逐漸變得穩(wěn)定(圖12)。

圖12 瞬態(tài)(減速)工況下的壓力變化(轉(zhuǎn)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(shí)： 排氣壓力的變化相對(duì)進(jìn)氣空氣流率的延遲可以用進(jìn)氣空氣流率加以修正。因此，開發(fā)了1個(gè)控制程序來修正反應(yīng)延遲期間的EGR閥開度，通過找到針對(duì)這一時(shí)刻進(jìn)氣空氣流率算出的排氣壓力與針對(duì)延遲時(shí)間前時(shí)間點(diǎn)的進(jìn)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(jié)果。結(jié)果表明，修正EGR閥開度顯著降低了EGR率的波動(dòng)幅度。結(jié)果，成功地開發(fā)出能方便、穩(wěn)定地引入再循環(huán)廢氣的控制程序。EGR控制程序的基本構(gòu)型如下： 在穩(wěn)態(tài)工況下，把EGR閥開度設(shè)定在獲得目標(biāo)EGR率的水平，而在瞬態(tài)工況下對(duì)響應(yīng)延遲進(jìn)行修正。為了在量產(chǎn)車型上實(shí)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(huán)境。

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上研究結(jié)果構(gòu)建LP-EGR系統(tǒng)，并進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證其在改善燃油經(jīng)濟(jì)性方面的效果。系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖14所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)規(guī)格見表3。

圖14 LP-EGR系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

項(xiàng)目參數(shù)行程/mm79.7缸徑/mm81.1排量/L1.618壓縮比10.5氣缸數(shù)4缸氣缸排列方式直列式

被位于渦輪下游的催化轉(zhuǎn)化器去除NOx的排氣通過EGR管進(jìn)入EGR冷卻器，并用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液冷卻。經(jīng)過冷卻的再循環(huán)廢氣流過EGR閥，在壓氣機(jī)上游進(jìn)入進(jìn)氣管。再循環(huán)廢氣與新鮮空氣混合，被壓氣機(jī)增壓，然后在增壓空氣中冷器內(nèi)冷卻后進(jìn)入氣缸。

圖15示出了在渦輪增壓運(yùn)行區(qū)域用LP-EGR系統(tǒng)得到的燃油經(jīng)濟(jì)性改善率與EGR率的關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)EGR率為20%時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)性約改善5%。

圖15 冷卻LP-EGR改善燃油經(jīng)濟(jì)性的效果(轉(zhuǎn)速2000r/min，平均有效壓力0.9MPa)

圖16的等值線顯示出穩(wěn)態(tài)工況下恒定EGR率10%改善燃油經(jīng)濟(jì)性的效果。在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，對(duì)高負(fù)荷工況有較大改善效果，而較低轉(zhuǎn)速下的改善也可由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速軸看出。

圖16 冷卻LP-EGR改善燃油經(jīng)濟(jì)性的效果(EGR率10%，穩(wěn)態(tài)工況)

這些結(jié)果證實(shí)，冷卻LP-EGR系統(tǒng)在改善縮缸強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性方面效果顯著，特別是匹配無級(jí)變速器時(shí)效果更好。

4 結(jié)語

本文介紹了應(yīng)用EGR系統(tǒng)改善渦輪增壓汽油

機(jī)在渦輪增壓區(qū)域燃油經(jīng)濟(jì)性的研究實(shí)例。通過研究幾種EGR系統(tǒng)，開發(fā)了EGR率控制技術(shù)，并進(jìn)行試驗(yàn)，得出下列結(jié)論。

(1) LP-EGR系統(tǒng)具有在渦輪增壓區(qū)域改善燃油經(jīng)濟(jì)性的最大潛力，因?yàn)樗苡行б种票?，縮小燃油加濃區(qū)。特別是降低進(jìn)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(tǒng)可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)檫@種系統(tǒng)是在三效催化轉(zhuǎn)化器下游抽取再循環(huán)廢氣。

(2) LP-EGR系統(tǒng)有以下特性。在穩(wěn)態(tài)工況下，當(dāng)EGR閥開度固定時(shí)，EGR率保持不變，與發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣空氣流率無關(guān)。此外，在瞬態(tài)運(yùn)行工況下，考慮到排氣壓力的變化延遲，必須實(shí)現(xiàn)EGR率的穩(wěn)定控制。

(3) 試驗(yàn)結(jié)果表明，冷卻LP-EGR系統(tǒng)在改善燃油經(jīng)濟(jì)性方面有顯著效果，在穩(wěn)態(tài)工況下渦輪增壓區(qū)域的改善率高達(dá)5%。LP-EGR系統(tǒng)對(duì)較高負(fù)荷工況下燃油經(jīng)濟(jì)性的改善效果更為顯著，這對(duì)于進(jìn)一步縮缸強(qiáng)化的汽油機(jī)來說極為重要。

2014-06-30)