冷卻EGR技術(shù)對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制的影響

王劍鋒 潘圣臨 曹亮 李曉磊 董恩肖

哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心 黑龍江省哈爾濱市 150060

1 引言

冷卻EGR技術(shù)作為改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放及油耗的主要技術(shù)之一，一直在柴油機(jī)中有廣泛應(yīng)用，隨著4階段油耗法規(guī)的發(fā)布，各車廠面對(duì)油耗的壓力紛紛對(duì)冷卻EGR技術(shù)在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行研究，希望可以通過(guò)這一技術(shù)使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到4階段油耗。

對(duì)于汽油增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，高負(fù)荷區(qū)域的油耗情況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體油耗改善情況有很大的影響，而冷卻EGR技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷油耗的貢獻(xiàn)情況尤為明顯，如圖1某款2.0發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的油耗改善情況，調(diào)查其它排量應(yīng)用冷卻EGR發(fā)動(dòng)機(jī)可以發(fā)現(xiàn)，排量越小在低負(fù)荷區(qū)域降油耗的效果越明顯，根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示在NEDC循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油約為3%，而在中高負(fù)荷區(qū)域油耗下降幅度可以達(dá)到5%-10%。

圖1 某款2.0發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下對(duì)油耗的改善情況

2 冷卻EGR降油耗原理

新鮮空氣與冷卻后混合氣進(jìn)入氣缸燃燒，因?yàn)閺U氣的參與導(dǎo)致新鮮空氣的含量減少，氣缸的燃燒溫度有效降低，并且緩和燃燒粗暴程度，使發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向得到有效抑制，爆震的有效抑制為發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的壓比更大的提升空間。從而達(dá)到改善發(fā)動(dòng)機(jī)效率以及節(jié)油的目的[1]。圖2不同工況影響發(fā)動(dòng)機(jī)效率因素表述了在不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)效率提升的制約因素。

圖2 不同工況影響發(fā)動(dòng)機(jī)效率因素

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 布置方案

冷卻EGR系統(tǒng)試驗(yàn)搭載如圖3，低壓EGR系統(tǒng)廢氣取氣位置在增壓器后端，廢氣經(jīng)過(guò)EGR冷卻器及EGR閥后進(jìn)入增壓器壓氣側(cè)入口。廢氣與新鮮空氣在壓氣機(jī)、中冷器、及進(jìn)氣歧管內(nèi)進(jìn)行充分混合。由于EGR廢氣的導(dǎo)入是靠排氣壓力與空氣濾后壓力差，為了保證足夠的EGR率，在空氣濾后廢氣入口前增加一截流閥，用來(lái)降低進(jìn)氣端壓力。為了掌握EGR率與進(jìn)排氣壓力之間的關(guān)系及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控，在中冷器前后、EGR閥前后、空氣濾后均增加壓力及溫度測(cè)點(diǎn)。

表1 試驗(yàn)機(jī)參數(shù)

3.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)所有的測(cè)試都是在發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)情況下進(jìn)行的，油溫及冷卻液溫度控制90±3℃，空氣濾清器進(jìn)氣溫度控制在25±2℃。試驗(yàn)邊界按發(fā)動(dòng)機(jī)批產(chǎn)邊界進(jìn)行控制。利用排放測(cè)量?jī)x測(cè)量出進(jìn)氣中CO2 的體積（Cv.intake）比與排氣中CO2 的體積（Cv.exhasut）比，并通過(guò)公式1，計(jì)算出EGR率（rEGR）。

rEGR=Cv.intake/Cv.exhasut×100%[2]

3.4 試驗(yàn)方案

為了精確控制爆震邊界，同時(shí)使用燃燒分析儀測(cè)量缸內(nèi)壓力波動(dòng)、ECU反饋信號(hào)及爆震傳感器信號(hào)三種監(jiān)控手段，在不同工況下選擇了近40個(gè)點(diǎn)進(jìn)行重新標(biāo)定，選擇最優(yōu)的EGR率及油耗情況繪制萬(wàn)有特性曲線，驗(yàn)證冷卻EGR對(duì)一款發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的影響，另外選取了2個(gè)特征點(diǎn)利用不同的分析方法對(duì)燃燒情況進(jìn)行分析。

圖3 冷卻EGR系統(tǒng)試驗(yàn)搭載方案

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

選擇爆震較為明顯的工況1000rpm 10bar的燃燒數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)燃燒測(cè)量?jī)x對(duì)加入EGR前后發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的燃燒情況進(jìn)行測(cè)量分析，圖4為各缸缸壓情況對(duì)比，表2為燃燒分析儀的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比。測(cè)量數(shù)據(jù)中的CA50為燃燒放熱量達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，該值反映了燃燒的熱效率。一般CA50在6-8之間時(shí)被認(rèn)為燃燒效率最高，該值受燃燒條件及點(diǎn)火時(shí)刻影響較大。燃燒持續(xù)時(shí)間反應(yīng)出了可燃?xì)獾娜紵闆r，持續(xù)時(shí)間越短燃燒情況越好，爆震傾向也越明顯。缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力反應(yīng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，在同一條件下，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力越大燃燒效率越高。

表2 燃燒分析儀測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，受EGR的影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)間變長(zhǎng)，但由于點(diǎn)火角的提前的增加使CA50值向6-8靠近，同時(shí)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力提高了約20bar，可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒情況有了很大的改善。

為了更加清晰的驗(yàn)證EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響，對(duì)3000rpm 10bar這一工況進(jìn)行更加細(xì)致的試驗(yàn)，在這點(diǎn)的試驗(yàn)中，在EGR0-EGRmax中選擇了9個(gè)EGR率，通過(guò)不同EGR率與點(diǎn)火角、油耗、CA50、PP的關(guān)系反應(yīng)EGR率對(duì)點(diǎn)火時(shí)刻的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。

圖4 (a) 加入冷卻EGR前燃燒情況

圖4 (b) 加入冷卻EGR后燃燒情況

圖5 各試驗(yàn)參數(shù)隨EGR率變化情況EGR率（%）

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在EGR率小于23時(shí)，CA50、PP及油耗都是隨EGR率的增加而優(yōu)化，在EGR為23時(shí)達(dá)到最優(yōu)值。在-EGR率大于23繼續(xù)增加時(shí)，各參數(shù)均出現(xiàn)惡化，說(shuō)明在EGR率達(dá)到23時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角與CA50等參數(shù)均已達(dá)到最優(yōu)。產(chǎn)生這種顯現(xiàn)的原因是在點(diǎn)火角達(dá)到最優(yōu)值時(shí)，EGR對(duì)燃燒的影響已不能利用點(diǎn)火時(shí)刻的提前來(lái)補(bǔ)償，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒情況的改善使發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能有很大的提升，本次試驗(yàn)中選取了部分特征點(diǎn)對(duì)油耗及排放情況進(jìn)行測(cè)試并與原機(jī)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下圖。從對(duì)比情況可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放有很大改善，THC和NOX排放降低近50%，同時(shí)從特征點(diǎn)的油耗改善情況可以看出，在低負(fù)荷區(qū)域油耗改善約為3%，中負(fù)荷區(qū)域可以達(dá)到5%，而影響中負(fù)荷區(qū)域油耗最主要的因素正是可燃?xì)獾娜紵齕3]，從另一個(gè)方面驗(yàn)證了冷卻EGR技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的改善情況。

圖6 加入EGR后排放改善情況

表3 燃燒分析儀測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

從本文可以看出，由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中加入廢氣之后，燃燒氣的燃燒速率及燃燒溫度都會(huì)降低，這會(huì)對(duì)爆震起到抑制做用，這種抑制作用為點(diǎn)火時(shí)刻的提前制造了空間，使缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力點(diǎn)可以在活塞下行初期，即CA50值在6-8范圍內(nèi)。但當(dāng)點(diǎn)火角提前角增加到一定值時(shí)，廢氣的加入不但不會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)性能有所提高，反而會(huì)抑制可燃?xì)獾娜紵拱l(fā)動(dòng)機(jī)性能下降并且油耗增加。