增壓汽油機EGR系統(tǒng)瞬態(tài)延遲的研究

朱玉萍

泛亞汽車技術(shù)中心有限公司 上海市 201201

1 引言

隨著國家對乘用車燃油消耗及排放法規(guī)的要求越來越高，現(xiàn)有小型增壓直噴汽油發(fā)動機需要更多的先進技術(shù)來提高其燃燒效率，進而提升發(fā)動機性能和降低油耗及排放；目前冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)作為一項新技術(shù)，是能改善汽油機爆震問題，富油區(qū)油耗高，泵氣損失及熱損失大等一系列問題的有效措施。

但廢氣再循環(huán)技術(shù)本身又會帶來很多難題需要一一解決，EGR系統(tǒng)的響應(yīng)延遲及瞬態(tài)控制是決定其能否更好地發(fā)揮作用的主要因素之一。

2 EGR瞬態(tài)延遲的影響

2.1 不同EGR布置結(jié)構(gòu)對瞬態(tài)延遲的影響

針對增壓汽油發(fā)動機應(yīng)用，廢氣再循環(huán)的布置結(jié)構(gòu)主要有高壓和低壓架構(gòu)之分（見圖1），不同的布置結(jié)構(gòu)在EGR瞬態(tài)延遲方面的表現(xiàn)差別很大。

圖1 高壓和低壓EGR架構(gòu)

高壓EGR架構(gòu)，廢氣從排氣歧管通過管路直接引入進氣歧管，布置緊湊，EGR路徑和容積較小，EGR瞬態(tài)延遲的影響可降到最低，如下圖2所示緊湊型高壓EGR布置方式。

圖2 高壓EGR布置架構(gòu)示例

低壓EGR架構(gòu)，傳統(tǒng)的布置方式（如下圖3所示）為廢氣從催化器經(jīng)過管路引入壓氣機入口，壓氣機后廢氣還要繞行整車空冷中冷器，節(jié)氣門后進入進氣歧管，管路較長，瞬態(tài)延遲問題嚴重。所以低壓EGR架構(gòu)布置優(yōu)化就顯得尤為重要。

圖3 傳統(tǒng)低壓EGR布置架構(gòu)示例

新型優(yōu)化的低壓EGR布置架構(gòu)如下圖4所示，LP EGR閥緊挨壓氣機布置，減少壓前EGR管路容積；壓后采用水冷中冷器，直接布置在進氣歧管內(nèi)部，極大縮小EGR所經(jīng)管路長度及容積，EGR瞬態(tài)延遲可基本與高壓相當。

圖4 緊湊型低壓EGR布置架構(gòu)示例

2.2 EGR瞬態(tài)延遲對發(fā)動機性能的影響

EGR的瞬態(tài)延遲為整車瞬態(tài)駕駛工況時EGR率的精確控制帶來了挑戰(zhàn)；EGR率的需求從無到有，若逐步增大時，EGR的響應(yīng)延遲減少其了對燃油經(jīng)濟性的收益；EGR率的需求逐步減少，或突然從有到無時，EGR的響應(yīng)延遲會導(dǎo)致燃燒惡化，甚至影響排放及導(dǎo)致發(fā)動機異常熄火。

所以，目前各大控制系統(tǒng)都需開發(fā)針對EGR遲滯的控制模塊及修正模型，但不同的發(fā)動機，不同的EGR布置架構(gòu)，相應(yīng)的EGR延遲狀況都有所不同，需要有較好的方法來確認具體EGR的延遲情況。

3 EGR瞬態(tài)延遲測量方法的研究

3.1 臺架上運行WLTC瞬態(tài)工況

試驗研究選用的是一個1.0L的增壓直噴汽油機，發(fā)動機的主要性能參數(shù)如下所示：

Valves/Cylinder 12/3 Power 85Kw Torque 175Nm EGR HP cooled EGR

項目開發(fā)前期，通過CAE分析計算得出對應(yīng)整車WLTC循環(huán)時發(fā)動機的瞬態(tài)運行轉(zhuǎn)速及負荷，臺架通過軟件編程可控制發(fā)動機按此工況循環(huán)運行，實現(xiàn)了前期在臺架上進行WLTC瞬態(tài)工況的測試（如下圖5）。

3.2 CO2濃度測量方法得到EGR率

采用傳統(tǒng)的方法，測量進排氣歧管內(nèi)CO2濃度，計算得到EGR率。考慮到歧管內(nèi)EGR率分配不均勻的問題，在各缸進氣口都需連接通道取氣以保證測量結(jié)果的準確性。

圖5 發(fā)動機臺架上WLTC循環(huán)

發(fā)動機運行WLTC瞬態(tài)工況時監(jiān)控EGR率及EGR閥響應(yīng)運行情況確認延遲。

圖6 CO2濃度測量通道連接示意圖

3.3 監(jiān)控燃燒壓力的測量方法

臺架上將發(fā)動機EGR閥位置傳感器電壓信號連入燃燒分析儀，這樣EGR閥開啟關(guān)閉反饋信號與發(fā)動機缸壓信號可同步起來。

先保持發(fā)動機在穩(wěn)態(tài)工況下，EGR閥由關(guān)閉變?yōu)榇蜷_狀態(tài)，或由打開變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)，EGR率的變化將會引起燃燒室內(nèi)缸壓的波動，待EGR流量完全穩(wěn)定后缸壓即保持穩(wěn)定了，通過監(jiān)控缸壓的波動及變化情況即可得出EGR的延遲時間。臺架上根據(jù)EGR閥前后氣路壓比的不同，取一些典型工況點進行測量，以確認EGR延遲情況。

圖7 EGR閥前后壓比分布示意圖

然后將發(fā)動機在兩個工況間快速變換，典型的可由EGR率較大的工況變到EGR率為0的工況，變換速率可設(shè)為2s， 1s， 0.6s，查看在工況瞬態(tài)快速變換過程中，EGR率的變化及瞬態(tài)延遲對發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的影響。

4 EGR瞬態(tài)延遲測量結(jié)果及評估

4.1 CO2濃度測量方法得到EGR延遲測量結(jié)果

臺架瞬態(tài)運行測量結(jié)果如下圖8所示，根據(jù)EGR閥開度換算得到的EGR率(EGR ratio actual)與發(fā)動機目標EGR率(EGR ratio target)跟隨性及一致性很好，延遲基本可忽略不計。但是通過CO2濃度方法測得的進氣歧管內(nèi)實際EGR率(EGR ratio from dyno)與目標EGR率(EGR ratio target)相比，延遲滯后嚴重，有3.5s左右。

經(jīng)分析，臺架測量CO2濃度的管路較長(約有10m)，此段管路本身就會導(dǎo)致臺架測得EGR率與發(fā)動機歧管內(nèi)實際EGR率相比延遲滯后，所以此3.5m并不是歧管內(nèi)實際EGR率與目標EGR率相比的延遲值。但通過此實驗結(jié)果也可看出，在各工況下EGR率延遲基本保持一致，并無隨著工況的變化導(dǎo)致延遲有所變化。

4.2 監(jiān)控燃燒壓力得到EGR延遲測量結(jié)果

穩(wěn)定工況下測試結(jié)果如下圖9，以2000rpm @4bar工況為例，EGR閥關(guān)閉時最大缸壓穩(wěn)定在3500kpa左右，EGR閥開啟后，3-4個燃燒循序內(nèi)EGR逐步進入燃燒室，燃燒最大缸壓逐步降低，直到4個循環(huán)后最大缸壓穩(wěn)定在2000kpa左右，3-4個循環(huán)的燃燒循環(huán)時間即為EGR率逐步穩(wěn)定延遲滯后的時間，約0.2-0.3s；該發(fā)動機其他各工況測量結(jié)果基本都保持在這個延遲水平。

圖8 瞬態(tài)工況EGR率延遲情況

瞬態(tài)變化工況測試結(jié)果如下圖10，臺架控制發(fā)動機在2s內(nèi)從2000rpm@20bar變化到2000rpm @2bar。轉(zhuǎn)速2000對應(yīng)負荷20bar和2bar時目標EGR率都為0，但是過渡到中負荷時目標EGR率較高，能達到20%，所以整個運行循環(huán)，EGR閥經(jīng)歷先開啟然后關(guān)閉的瞬態(tài)過程，EGR在瞬態(tài)工況對燃燒的影響通過此過程可以很好的反應(yīng)出來。

圖9 燃燒壓力隨EGR開啟變化2000rpm@4bar

圖10 瞬態(tài)工況燃燒數(shù)據(jù)

由IMEP曲線數(shù)據(jù)可看出，EGR閥由開啟到關(guān)閉，EGR瞬態(tài)延遲導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定有熄火風(fēng)險，需要優(yōu)化標定，根據(jù)EGR的延遲調(diào)整點火角來優(yōu)化燃燒。

5 結(jié)語

EGR系統(tǒng)的響應(yīng)延遲對EGR瞬態(tài)控制帶來不利的影響，EGR不同架構(gòu)布置對瞬態(tài)延遲的影響較大，初期架構(gòu)布置需要考慮盡可能降低EGR延遲；EGR瞬態(tài)延遲有各種測量方法，通過監(jiān)控燃燒壓力數(shù)值的變化掌握EGR延遲情況及對燃燒的影響是其中較好的方法，可以給后續(xù)EGR更好的瞬態(tài)控制標定以一定的指導(dǎo)作用。