基于冷卻EGR和壓縮比的增壓汽油機燃油經(jīng)濟性優(yōu)化

尹濤， 李鐵， 鄭斌， 趙非

(1. 上海交通大學海洋工程國家重點實驗室， 上海 200240； 2. 東安汽車發(fā)動機制造有限公司， 黑龍江 哈爾濱 150060)

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基于冷卻EGR和壓縮比的增壓汽油機燃油經(jīng)濟性優(yōu)化

尹濤1， 李鐵1， 鄭斌1， 趙非2

(1. 上海交通大學海洋工程國家重點實驗室， 上海 200240； 2. 東安汽車發(fā)動機制造有限公司， 黑龍江 哈爾濱 150060)

通過冷卻EGR結合高幾何壓縮比的方式來改善發(fā)動機熱效率，利用GT-Power軟件建立并標定了發(fā)動機熱力學循環(huán)仿真模型，預測了帶外部冷卻EGR系統(tǒng)的進氣道噴射發(fā)動機提高壓縮比后的性能。提出了一種考慮EGR影響的爆震預測方法，并進行了試驗驗證，通過神經(jīng)網(wǎng)絡結合遺傳算法及一維熱力學模型對冷卻EGR發(fā)動機的幾何壓縮比進行了預測優(yōu)化。結果表明，提高壓縮比后可以在基本不損失外特性扭矩輸出的前提下進一步提高發(fā)動機的熱效率。

廢氣再循環(huán)； 燃油消耗率； 熱效率； 爆震； 預測； 性能優(yōu)化

為了應對日益嚴格的汽車能耗與排放法規(guī)的要求，全球汽車工業(yè)都在積極探尋可能的解決方案。傳統(tǒng)的節(jié)氣門負荷控制方式會導致發(fā)動機在低負荷運行時存在較高的泵氣損失。發(fā)動機小型化后有效減少了工作排量，從而可以使其更多地運行在高效率區(qū)域內(nèi)。為了彌補發(fā)動機小型化帶來的動力性能損失，高增壓技術必不可少，隨之而來的高負荷工況往往又容易發(fā)生爆震現(xiàn)象。通常使用降低幾何壓縮比的辦法來緩解發(fā)動機的爆震傾向，但這又會降低發(fā)動機的運行效率[1-5]。

通過引入增加外部冷卻功能的廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)可以有效解決上述一系列的trade-off問題[6]。冷卻EGR不僅可以降低發(fā)動機的有害污染物排放[7-8]，而且對于緩解發(fā)動機在高負荷工況下的爆震問題，改善燃油經(jīng)濟性也非常有效[4,9]。文獻[10]在一臺2.0 L增壓直噴汽油機上進行了冷卻EGR對高負荷爆震工況影響的試驗研究，結果表明，通過對冷卻EGR比例的合理匹配，可以使高幾何壓縮比(壓縮比為10.9)的發(fā)動機實現(xiàn)與低幾何壓縮(壓縮比為9.3)但不應用EGR的原量產(chǎn)發(fā)動機具有相同的燃燒相位。另外，文獻[11]經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)：當引入冷卻EGR后，可以將汽油機的幾何壓縮

比提高到13.5；在試驗樣機上綜合應用外部冷卻EGR技術、高增壓比和高幾何壓縮比技術，會帶來熱效率的顯著提升，最多可達約10%。由此可見，增加外部冷卻EGR后可以通過使用更高的幾何壓縮比來進一步改善熱效率，但同時必須避免發(fā)動機爆震的發(fā)生。因此，需要對發(fā)動機的爆震邊界進行準確預測，進而可以通過優(yōu)化手段對多參數(shù)多變量的發(fā)動機設計與控制進行合理的選型與匹配。

本研究通過建立詳細的發(fā)動機爆震模型，研究了冷卻EGR對增壓汽油機不同負荷下燃油經(jīng)濟性的影響；耦合神經(jīng)網(wǎng)絡與遺傳算法，優(yōu)化匹配了發(fā)動機的幾何壓縮比和增加冷卻EGR的比例，以研究最優(yōu)匹配下發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的變化規(guī)律。

1 研究方法

1.1 試驗設定

為了對引入冷卻EGR后的發(fā)動機工作過程及爆震現(xiàn)象進行精確標定，本研究在一臺增壓汽油機基礎上增加了低壓EGR管路，并進行了萬有特性試驗及爆震工況點火角掃描試驗。原機主要參數(shù)見表1。

表1 原機參數(shù)

試驗設備主要包括AVL AC170HS電力測功機、AVL 735S瞬態(tài)油耗儀、Kistler 6118BFD缸壓傳感器、DEWE-800燃燒分析儀、Horiba MEXA-7500D排放測試儀等。試驗過程中，進氣溫度控制在(25±2) ℃，冷卻液和機油溫度控制在(90±1.5) ℃，各氣缸壓力數(shù)據(jù)采集精度設定為0.2°曲軸轉(zhuǎn)角，每個工況點至少采集300個循環(huán)的數(shù)據(jù)。試驗中EGR率的計算公式見式(1)。

(1)

式中：REGR為EGR率；[CO2]v,intake為進氣歧管中CO2體積分數(shù)；[CO2]v,exhaust為排氣歧管中CO2體積分數(shù)。

為了滿足加入EGR后低轉(zhuǎn)速的扭矩要求，在2 000 r/min以下轉(zhuǎn)速的少數(shù)全負荷工況中使用到了機械/渦輪兩級增壓。在萬有特性試驗的各個工況下依次對VVT、EGR率和點火角進行掃描，以尋找最佳燃油消耗點(高負荷為爆震臨界點)。爆震試驗時，則只對點火時刻進行掃描，獲得爆震臨界點的邊界。

1.2 發(fā)動機建模及驗證

本研究建立了描述發(fā)動機工作過程的一維仿真模型，采用了由Keck等人[12]提出的SITurb湍流燃燒模型：

(2)

渦輪增壓器工作時，需要達到壓氣機與渦輪機流量、扭矩和能量的平衡，因此在每個仿真步長下都將進行軸端速度和兩側(cè)的壓比、流量與功率的計算，直至收斂到平衡條件。渦輪增壓器功率可以通過壓氣機及渦輪機上下游的工質(zhì)狀態(tài)和增壓器效率計算得到。

圖1a示出了在對發(fā)動機燃燒模型及渦輪增壓器模型進行詳細標定后缸內(nèi)壓力仿真與試驗的對比，4個工況點分別對應著低、中、高、全負荷的情況。外特性仿真與試驗結果的對比見圖1b與圖1c。由此可見，仿真模型的輸出結果與發(fā)動機試驗獲得數(shù)據(jù)有較高的一致性。

圖1 仿真輸出與試驗結果的對比

本研究采用末端混合氣自著火延遲積分的方法對爆震現(xiàn)象進行模擬[13]：

I=

(3)

式中：p，T分別為缸內(nèi)壓力及未燃區(qū)混合氣溫度；φa為過量空氣系數(shù)；I為Livengood-Wu積分；tknock和tIVC分別為爆震開始時刻和進氣閥關閉時刻。圖2對比了在3 000 r/min外特性工況下通過模型預測的爆震起始角與由試驗數(shù)據(jù)處理得到的爆震起始角(缸內(nèi)壓力振蕩的第一個拐點時刻)。結果顯示，模型的爆震起始時刻預測方法有著很好的精度。

圖2 爆震模型預測情況

由于一維仿真模型無法模擬因末端混合氣自燃造成的缸內(nèi)壓力振蕩過程，這里引入了一個與L-W積分達到1時的質(zhì)量燃燒率(MBF)相關的爆震判定標準，以判定仿真過程中是否發(fā)生爆震。試驗過程中，通過掃描點火角得到臨界爆震點時的MBF值作為用于參考的爆震指標閾值。仿真中，當L-W積分達到1，同時計算得到的MBF在上述閾值KIref以下，則判定該仿真工況發(fā)生了爆震。

1.3 優(yōu)化方法

為了進行發(fā)動機結構參數(shù)與控制參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，本研究采用拉丁超立方的方法進行試驗設計，使用神經(jīng)網(wǎng)絡方法建立了發(fā)動機性能指標的近似模型。

發(fā)動機的優(yōu)化設計具有高度非線性、離散化的特點，基于進化理論的遺傳算法可以用于解決這一類問題。本研究所設定的優(yōu)化目標和約束條件見式(4)?？紤]到外特性子問題不涉及轉(zhuǎn)速，種群個體對應幾何壓縮比(GCR)、點火提前角(SA)、進氣相位(ICP)、空燃比(AFR)、EGR率(ER)的組合。優(yōu)化時，需要確保在外特性性能基本不下降的前提下，改善部分負荷工況的燃油經(jīng)濟性。因外特性的優(yōu)化涉及到較多轉(zhuǎn)速工況，這里將每個轉(zhuǎn)速工況作為一個獨立的優(yōu)化子問題來考慮。優(yōu)化子問題中點火角等運行參數(shù)及幾何壓縮比需要在不同的工況下限制在一定范圍內(nèi)，同時要求扭矩、排氣溫度、爆震指標滿足邊界條件。

(4)

式中：x對應包含GCR，SA，ICP，AFR，ER等參數(shù)信息的種群個體；BSFC，TORQUE，TEMP，KI分別為燃油消耗率、扭矩、排溫及爆震指標；TORQUE0為原機扭矩；KIref為經(jīng)過標定的爆震指標閾值。

優(yōu)化變量的取值范圍見表2。因為試驗條件的限制，EGR率的優(yōu)化范圍被控制在基礎值±5%內(nèi)。

表2 優(yōu)化變量的取值范圍

2 結果與討論

2.1 冷卻EGR的影響分析

圖3示出了平均有效壓力0.4 MPa，轉(zhuǎn)速2 200 r/min，低負荷工況點發(fā)動機性能隨EGR率的變化曲線。

圖3 低負荷時EGR率對發(fā)動機性能的影響

由圖3可見，14%的冷卻EGR會在最大程度上改善燃油消耗率，約2.9%，但EGR率超出10%時，發(fā)動機的循環(huán)波動上升明顯。因此，選取9%的EGR比例較為合適，此時的燃油消耗率改善為2.5%。

圖4示出了平均有效壓力1.9 MPa，轉(zhuǎn)速2 200 r/min，高負荷工況下EGR率及過量空氣系數(shù)變化對發(fā)動機性能的影響。此時，發(fā)動機工作在臨界爆震點，渦輪增壓器的工作溫度也較高。

圖4 高負荷時EGR率對發(fā)動機性能的影響

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，提前點火可以使燃燒重心θCA50更接近最大扭矩點(MBT點)，從而改善熱效率。通過燃油加濃及冷卻EGR協(xié)同緩解爆震，此燃油加濃工況的過量空氣系數(shù)φa=0.88。當過量空氣系數(shù)相同，EGR率升高時，點火角可以進一步提前以降低燃油消耗率。另一方面，在同一點火時刻較大的EGR率會導致較高的燃油消耗率，主要因為冷卻EGR使得燃燒持續(xù)期變長。

綜合以上兩個因素，臨界爆震點的燃油消耗率在14%EGR率時可以降低4.9%，如取消加濃可以改善14.6%的燃油消耗率。此外，發(fā)動機循環(huán)波動率可以保持在4.5%以下。由此推知，外特性工況的EGR率上限主要由增壓能力限制，不同于低負荷由燃燒穩(wěn)定性限制。

加濃工況的θCA50與燃油消耗率降低比例對應較好，說明燃燒相位的變化對于改善燃油消耗率的作用很大。在渦輪機進口處測出的溫度隨EGR率升高或點火角提前會逐漸降低，原因在于EGR降低了缸內(nèi)溫度。

另外，取消加濃后渦輪入口溫度的提高反映出加濃操作對于降低排氣溫度的重要性，在加濃時燃料的揮發(fā)冷卻及工質(zhì)比熱容的提高使得排氣溫度下降較多。

冷卻EGR的降低燃油消耗率作用在高負荷時比低負荷更加顯著。通過對比高、低負荷不同的試驗設定可以看出，低負荷運行時的燃燒不穩(wěn)定會限制EGR的上限，而高負荷冷卻EGR的引入使得在爆震限制內(nèi)實現(xiàn)點火角提前同時減少燃油加濃，充足的排氣能量驅(qū)動渦輪增壓器保證了較高EGR率，進一步使得缸內(nèi)充量的比熱容比增加，提高發(fā)動機熱效率。

2.2 幾何壓縮比的優(yōu)化

根據(jù)前述優(yōu)化方法，選取外特性下不同轉(zhuǎn)速點對幾何壓縮比的影響進行了研究。圖5示出了不同幾何壓縮比(GCR)下優(yōu)化后的扭矩、燃油消耗率預測值，其中扭矩的下降趨勢驗證了前述壓縮比提高帶來的爆震問題及排氣溫度問題造成的扭矩惡化。幾何壓縮比為12的扭矩曲線基本和原機的重疊，此時2 200 r/min處的扭矩已不能滿足原機扭矩要求。因原機的結構限制，沒有考慮更高的幾何壓縮比。隨GCR提高，點火角推遲，燃油加濃，燃油消耗率也隨之攀升。需要注意在高轉(zhuǎn)速工況時，高壓縮比下優(yōu)化的燃油消耗率比原機的低，主要原因在于高速工況的爆震對發(fā)動機的破壞更嚴重[14]，試驗機高速外特性運行在較為保守的點火角下，因此原機并未到達爆震邊界。廢氣溫度邊界控制在800 ℃以下，隨GCR的提高，燃油加濃及缸內(nèi)傳熱損失增加會使得排氣溫度降低。

圖5 優(yōu)化結果

圖6示出了優(yōu)化結果對應的運行參數(shù)，包括點火提前角(SA)、進氣相位(ICP)、空燃比(AFR)、EGR率(ER)。較大的幾何壓縮比對應著推遲的點火角及較低的空燃比，這兩點都會導致燃燒惡化，對應著圖5中較大的燃油消耗率及降低的扭矩。從圖6a可以看出，SA隨速度的變化有近似拋物線趨勢，不管GCR如何變化，最遲SA都出現(xiàn)在2 200 r/min峰值扭矩的位置。

除了推遲的點火時刻，高負荷加濃的低AFR也更容易在優(yōu)化搜索的過程中保留下來。由圖6可見，GCR從9增加到10時，爆震較為嚴重的2 000～3 600 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間的加濃需求較為明顯。要指出GCR由11到12時，AFR迅速下降，主要是因為此時與9～10壓縮相比區(qū)間比SA推遲程度相對較小。

圖6 優(yōu)化的運行參數(shù)

EGR率在3 000 r/min處呈現(xiàn)出峰值，從圖6c中可以看出此速度下燃油加濃的取消。優(yōu)化過程的EGR率控制在原機EGR率5%區(qū)間內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)最佳EGR率對于大多速度工況有輕微的降低，可能原因是在GCR升高時排氣溫度減小，渦輪轉(zhuǎn)速降低，從而使得增壓壓力減小，泵入廢氣的能力降低。試驗中2 000 r/min以下的低速全負荷工況使用到了機械增壓，因此EGR率可以提高到15%～30%，而EGR率的提高在高轉(zhuǎn)速受發(fā)動機點火能量的限制。ICP的值是指由壓縮沖程結束的上止點時刻開始，到進氣閥最大開度的時刻之間所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角，代表了進氣VVT的工作角度，對應著進氣閥開啟關閉時刻。進氣閥開閉與進入缸內(nèi)工質(zhì)的總量相關，從而對外特性扭矩影響很大。因為在EGR率及點火角掃描試驗中未對各個工況進行詳細的VVT優(yōu)化，全局優(yōu)化后的ICP值與原機情況相差較大。

可以從圖5b及圖6b中看出，當GCR介于11～12之間時AFR迅速下降，燃油加濃顯著惡化了燃油經(jīng)濟性。因此，最佳的GCR應在9～11之間。

2.3 熱效率分析及試驗驗證

發(fā)動機全局優(yōu)化優(yōu)先考慮了NEDC測試循環(huán)的6個常用特征工況(見表3)，使用與全負荷優(yōu)化相同的方法對選取工況的熱效率隨幾何壓縮比的變化進行了分析。

表3 驗證工況

圖7a示出了使用最佳EGR率及提高GCR對于特征點燃油消耗率改善的影響。對于常用的5個負荷相對較低的工況，可以通過調(diào)整點火角將θCA50維持在最佳位置，提高壓縮比后的熱效率可以進一步上升。然而，在1.4 MPa，2 600 r/min這樣的高負荷工況，熱效率下降，燃油消耗率升高。

幾何壓縮比提高，缸內(nèi)溫度提高，燃燒室面容比增大，傳熱損失提高。同時，燃燒速度加快，燃燒持續(xù)期變短，等容度提高。圖7b示出了不同工況下壓縮比提升對中低負荷特征點效率的影響。可以看出0.5 MPa，1 000 r/min工況效率提升最小，原因在于低轉(zhuǎn)速傳熱時間長，傳熱損失大，其帶來的損失會抵消一部分等容度改善帶來的效率提升。1.4 MPa，2 600 r/min工況的優(yōu)化結果顯示此時發(fā)動機運行在爆震邊界區(qū)域，因此需要推遲點火角，加濃混合氣來將發(fā)動機限制在爆震邊界以內(nèi)，從而導致燃油消耗率上升。

圖7c示出了優(yōu)化后帶外部冷卻EGR系統(tǒng)的高幾何壓縮比發(fā)動機工作循環(huán)與理論Otto循環(huán)的效率對比。可以看出，GCR由11提高到12時綜合效率改善已有下降的趨勢。

圖7 熱效率分析

為了驗證優(yōu)化結果的可靠性，設計了幾何壓縮比為10的發(fā)動機活塞并進行了臺架標定試驗。NEDC循環(huán)特征點的臺架標定試驗數(shù)據(jù)與前述優(yōu)化結果的對比見圖8。5個特征點的仿真優(yōu)化結果落在試驗結果3%偏差內(nèi)，而1.4 MPa，2 600 r/min處偏差略高。

圖8 幾何壓縮比10試驗驗證

3 結論

a) 冷卻EGR對于高負荷燃油經(jīng)濟性的改善作用比低負荷更為明顯，主要得益于高負荷較好的燃燒穩(wěn)定性及較高的排氣能量，可以引入更多的EGR來增大缸內(nèi)工質(zhì)比熱容比，提高熱效率；

b) 在保證發(fā)動機能夠穩(wěn)定運行的前提下，可以引入的最大EGR比例在低負荷時主要受限于工作負荷變動率，而在高負荷時則主要受限于增壓器的增壓能力；

c) 高幾何壓縮比耦合冷卻EGR可以在原機EGR試驗基礎上進一步改善NEDC循環(huán)特征點的熱效率，但在逼近爆震邊界的高負荷區(qū)域,過高的幾何壓縮比同樣會引起綜合熱效率的惡化；

d) 優(yōu)化結果可以同時滿足外特性的扭矩要求及常用特征工況點的改善燃油經(jīng)濟性要求，發(fā)動機最佳的幾何壓縮比應介于10～11之間。

[1] Lecointe B,Monnier G.Downsizing a gasoline engine using turbo-charging with direct injection[C].SAE Paper 2003-01-0542.

[2] Lake T,Stokes J,Murphy R,et al.Turbocharging Concepts for Downsized DI Gasoline Engines[C].SAE Paper 2004-01-0036.

[3] Zaccardi J,Pagot A,Vangraefschepe F,et al.Optimal Design for a Highly Downsized Gasoline Engine[C].SAE Paper 2009-01-1794.

[4] Alger T,Gingrich J,Roberts C,et al.Cooled exhaust-gas recirculation for fuel economy and emissions improvement in gasoline engines[J].Int.J.Engine Res，2011，12:252-264.

[5] Li T,Gao Y,Wang J,et al.The Miller cycle effects on improvement of fuel economy in a highly boosted,high compression ratio,direct-injection gasoline engine:EIVC vs.LIVC[J].Energ.Convers.Manag，2014，79：59-65.

[6] Stan C.Future trends in spark ignition engines[C].SAE Paper 2001-24-0085.

[7] Deeter W,Daigh H,Wallin O.An Approach for Controlling Vehicle Emissions[C].SAE Paper 680400，1968.

[8] Schweikert J,Johnson J.A Turbocharged Spark Ignition Engine with Low Exhaust Emissions and Improved Fuel Economy[C].SAE Paper 730633，1973.

[9] Li T,Wu D,Xu M.Thermodynamic analysis of EGR effects on the first and second law efficiencies of a boosted spark-ignited direct-injection gasoline engine[J].Energ.Convers.Manag.，2013，70：130-138.

[10] Su J,Xu M,Li T,et al.Combined effects of EGR and a higher compression ratio on thermal efficiency improvement of downsized boosted spark-ignition direction-injection engines[J].Energ.Convers.Manag.,2014,78:65-73.

[11] De Petris C,Diana S,Giglio V,et al.High efficiency stoichiometric spark ignition engines[C].SAE Paper 941933,1994.

[12] Blizard N C,Keck J C.Experimental and Theoretical Investigation of Turbulent Burning Model for Internal Combustion Engines[C].SAE Paper 74011,1974.

[13] Chen L,Li T,Yin T,et al.A Predictive Model for Knock Onset in Spark-Ignition Engines with Cooled EGR.Energ[J].Convers.Manag,2014,87:946-955.

[14] Rothe M,Heidenreich T,Spicher U.Knock behaviors of SI engines: thermodynamic analysis of knock onset locations and knock intensities[C].SAE Paper 2006-01-0225.

[編輯： 姜曉博]

Optimization of Fuel Economy for Turbocharged Gasoline Engine Based on Cooled EGR and Compression Ratio

YIN Tao1, LI Tie1, ZHENG Bin1, ZHAO Fei2

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China； 2. Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd., Harbin 150060, China)

The cooled EGR combined with high geometric compression ratio was adopted to improve the engine thermal efficiency, the thermodynamic model was built and calibrated with GT-Power, and the performance of inlet injection engine with external cooled EGR system after increasing the compression ratio was predicted. A method of knock prediction considering the EGR influence was put forward and verified through the experiment. Moreover, the geometric compression ratio of engine with cooled EGR was optimized through the artificial neural networks (ANNs), genetic algorithm (GA) and 1D thermodynamic model. The results show that the thermal efficiency improves without losing engine torque output after the optimization of compression ratio.

EGR; specific fuel consumption; thermal efficiency; knock; prediction; performance optimization

2015-10-07；

2015-12-20

教育部博士點基金(20120073120059)；上海市浦江人才計劃(13PJ1404300)

尹濤(1995—)，男，碩士，主要研究方向為內(nèi)燃機工作過程數(shù)值模擬；catalystao@sjtu.edu.cn。

李鐵(1974—)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為先進內(nèi)燃機燃燒、代用燃料技術；litie@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.006

TK411.7

B

1001-2222(2016)02-0028-07