發(fā)動機內(nèi)部EGR建模與仿真分析

管登詩++張振東

摘要：在內(nèi)燃機中，廢氣殘留比例直接影響氣缸內(nèi)氣體的燃燒狀態(tài)，進而影響發(fā)動機的排放、動力性和經(jīng)濟性?？勺儦忾T正時技術(shù)（VVT）可通過調(diào)整氣門開閉時間實現(xiàn)氣缸內(nèi)的廢氣再循環(huán)（內(nèi)部EGR），從而控制燃燒氣體內(nèi)的廢氣比例。分析了氣門的結(jié)構(gòu)、物理過程以及氣門處的氣體流動過程，建立了不同氣門開閉時刻對應的廢氣殘留比例動態(tài)模型，并搭建仿真模型，分析各個物理參量間的關系，最后通過實驗驗證了模型的合理性。

關鍵詞：內(nèi)部EGR；VVT；發(fā)動機；MATLAB Simulink

DOIDOI：10.11907/rjdk.161632

中圖分類號：TP301

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）009001604

基金項目基金項目：

作者簡介作者簡介：管登詩（1989-），男，山東德州人，上海理工大學機械工程學院碩士研究生，研究方向為汽車電子控制；張振東（1968-），男，山東膠州人，博士，上海理工大學機械工程學院教授、博士生導師，研究方向為汽車系統(tǒng)仿真和控制技術(shù)。

1內(nèi)部EGR

在內(nèi)燃機中，參加燃燒的氣體由新進的新鮮空氣和殘留廢氣構(gòu)成，廢氣所占比例直接影響發(fā)動機性能。廢氣比例越高，尾氣中的NOX相對減少，經(jīng)濟性越好，但同時動力性變差[13]。當發(fā)動機處于怠速、低負荷時，NOX排放濃度相對較低，建議不進行EGR。隨著負荷增加，EGR的量一般情況下也相應增加，直到達到最佳值。但是EGR的量不能超過一定限值，否則可能造成爆震[4]。因此，在對應的工況下，選擇一個合理的廢氣比例是非常必要的。

目前，有兩種方法來調(diào)整燃燒氣體中的廢氣比例：①在尾氣歧管并列一個回流管道，分流部分廢氣，冷卻后再注入氣缸內(nèi)，即外部EGR；②通過調(diào)整氣門打開和關閉角度來改變進氣過程中的尾氣回流量和氣缸內(nèi)的廢氣殘留量，即內(nèi)部EGR。外部EGR在回流管道一端存在一個安全閥，當發(fā)動機工況發(fā)生改變時，安全閥的開度發(fā)生相應改變，從而使EGR量也發(fā)生改變，達到理想效果。與外部EGR不同，內(nèi)部EGR無需額外增加器件，只需根據(jù)工況調(diào)整進氣和排氣時刻便可改變廢氣比例，優(yōu)化發(fā)動機工作性能。外部EGR在發(fā)動機上得到了廣泛應用，隨著可變氣門技術(shù)的日趨成熟，內(nèi)部EGR的應用也越來越廣泛。天津大學在5氣門單缸汽油機上利用缸內(nèi)滾動流體實現(xiàn)分層EGR，在兼顧動力性和經(jīng)濟性的同時降低了NOx排放，為利用氣流實現(xiàn)EGR提供了一個新途徑[5]；華中科技大學進行了內(nèi)部EGR控制HCCI燃燒的研究，結(jié)果表明負氣門重疊期的增大使發(fā)動IMEP降低，但可以降低NOx排放[6]；G Fontana等[7]在部分負荷工況下，通過控制VVT 實現(xiàn)了內(nèi)部EGR和逆米勒循環(huán)，增大了節(jié)氣門開度，降低了泵氣功損失，改善了設備的經(jīng)濟性。

本文旨在建立不同氣門開閉時刻所對應的廢氣殘留比例動態(tài)模型，得到內(nèi)部EGR與進氣提前角和排氣遲后角之間的關系。研究的實用性在于當汽車工況發(fā)生改變時，所需的內(nèi)部EGR同樣發(fā)生改變，這時ECU通過當下工況計算出此時所需的EGR量，由于已得出內(nèi)部EGR與氣門開閉時刻之間的關系，便可在第一時間找到合適的配氣相位，對內(nèi)部EGR作出適當調(diào)整。

4實驗驗證及總結(jié)

在現(xiàn)實生活中，由于流量的動態(tài)復雜性，回流量是不可測的。本文通過間接測量進行實驗驗證，即用空氣流量計測量出新鮮空氣進入量，則可以反映出缸內(nèi)廢氣殘余量。采用容量為2L的4缸發(fā)動機，在進氣歧管處采用空氣流量計，計算進入氣缸的實際新鮮空氣量，并與建模中的新鮮空氣量進行對比。如圖9所示，可以看出兩者雖存在細微差距，但是基本上吻合。因此，模型的合理性得到了驗證。

如今EGR技術(shù)在國外已經(jīng)作為一項成熟技術(shù)應用于發(fā)動機上。由于EGR對發(fā)動機性能和排放的影響較為復雜，相關技術(shù)仍在進一步完善中。下一步研究方向在于EGR系統(tǒng)和發(fā)動機的優(yōu)化匹配以及如何在保證動力性和經(jīng)濟性的前提下，精確控制EGR率，以進一步降低NOx的排放。

參考文獻：

[1]盧小銳，高文志，等.內(nèi)部EGR對柴油機燃燒排放性能影響的研究[J].汽車工程，2014，36（9）： 10291033.

[2]陳群，李俊，等.車用柴油機冷EGR系統(tǒng)的試驗研究[J].汽車工程，2001，23（6）：392395.

[3]譚建勛，王志偉，等.內(nèi)部EGR增壓中冷柴油機排放性能試驗研究[J].車用發(fā)動機，2011（3）：5255.

[4]徐帆，王志，等.內(nèi)外EGR拓展汽油HCCI發(fā)動機高負荷的試驗研究[J].內(nèi)燃機工程，2010，31（4）：610.

[5]S X SHI.A study of effect of egr on exhaust emissions and fuel economy for a fivevalve si engine[J].Proceedings of 1999 SinoKorea International Conference on Internal Combustion Engines， 1999.

[6]謝輝，趙華.基于可變氣門定時策略的HCCI汽油機試驗研究[J].內(nèi)燃機學報，2005（6）：392395.

[7]FONTANA G， GALLONI E， PALMACCIO R.The influence of variable valve timing on the combustion process of a small sparkignition engine[J].SAE Technical Paper，2006.

[8]楊靖，馮仁華，等.汽油機凸輪型線改進設計[J].湖南大學學報，2009（11）：2126.

[9]HEYWOOD.Internal combustion engine fundamentals[M].The United State：McGrawHill，2008：121135.

責任編輯（責任編輯：黃?。?