基于冷却EGR和压缩比的增压汽油机燃油经济性优化

尹涛， 李铁， 郑斌， 赵非

(1. 上海交通大学海洋工程国家重点实验室， 上海 200240； 2. 东安汽车发动机制造有限公司， 黑龙江 哈尔滨 150060)



基于冷却EGR和压缩比的增压汽油机燃油经济性优化

尹涛1， 李铁1， 郑斌1， 赵非2

(1. 上海交通大学海洋工程国家重点实验室， 上海 200240； 2. 东安汽车发动机制造有限公司， 黑龙江 哈尔滨 150060)

通过冷却EGR结合高几何压缩比的方式来改善发动机热效率，利用GT-Power软件建立并标定了发动机热力学循环仿真模型，预测了带外部冷却EGR系统的进气道喷射发动机提高压缩比后的性能。提出了一种考虑EGR影响的爆震预测方法，并进行了试验验证，通过神经网络结合遗传算法及一维热力学模型对冷却EGR发动机的几何压缩比进行了预测优化。结果表明，提高压缩比后可以在基本不损失外特性扭矩输出的前提下进一步提高发动机的热效率。

废气再循环； 燃油消耗率； 热效率； 爆震； 预测； 性能优化

为了应对日益严格的汽车能耗与排放法规的要求，全球汽车工业都在积极探寻可能的解决方案。传统的节气门负荷控制方式会导致发动机在低负荷运行时存在较高的泵气损失。发动机小型化后有效减少了工作排量，从而可以使其更多地运行在高效率区域内。为了弥补发动机小型化带来的动力性能损失，高增压技术必不可少，随之而来的高负荷工况往往又容易发生爆震现象。通常使用降低几何压缩比的办法来缓解发动机的爆震倾向，但这又会降低发动机的运行效率[1-5]。

通过引入增加外部冷却功能的废气再循环(EGR)系统可以有效解决上述一系列的trade-off问题[6]。冷却EGR不仅可以降低发动机的有害污染物排放[7-8]，而且对于缓解发动机在高负荷工况下的爆震问题，改善燃油经济性也非常有效[4,9]。文献[10]在一台2.0 L增压直喷汽油机上进行了冷却EGR对高负荷爆震工况影响的试验研究，结果表明，通过对冷却EGR比例的合理匹配，可以使高几何压缩比(压缩比为10.9)的发动机实现与低几何压缩(压缩比为9.3)但不应用EGR的原量产发动机具有相同的燃烧相位。另外，文献[11]经试验发现：当引入冷却EGR后，可以将汽油机的几何压缩

比提高到13.5；在试验样机上综合应用外部冷却EGR技术、高增压比和高几何压缩比技术，会带来热效率的显著提升，最多可达约10%。由此可见，增加外部冷却EGR后可以通过使用更高的几何压缩比来进一步改善热效率，但同时必须避免发动机爆震的发生。因此，需要对发动机的爆震边界进行准确预测，进而可以通过优化手段对多参数多变量的发动机设计与控制进行合理的选型与匹配。

本研究通过建立详细的发动机爆震模型，研究了冷却EGR对增压汽油机不同负荷下燃油经济性的影响；耦合神经网络与遗传算法，优化匹配了发动机的几何压缩比和增加冷却EGR的比例，以研究最优匹配下发动机燃油经济性的变化规律。

1 研究方法

1.1 试验设定

为了对引入冷却EGR后的发动机工作过程及爆震现象进行精确标定，本研究在一台增压汽油机基础上增加了低压EGR管路，并进行了万有特性试验及爆震工况点火角扫描试验。原机主要参数见表1。

表1 原机参数

试验设备主要包括AVL AC170HS电力测功机、AVL 735S瞬态油耗仪、Kistler 6118BFD缸压传感器、DEWE-800燃烧分析仪、Horiba MEXA-7500D排放测试仪等。试验过程中，进气温度控制在(25±2) ℃，冷却液和机油温度控制在(90±1.5) ℃，各气缸压力数据采集精度设定为0.2°曲轴转角，每个工况点至少采集300个循环的数据。试验中EGR率的计算公式见式(1)。

(1)

式中：REGR为EGR率；[CO2]v,intake为进气歧管中CO2体积分数；[CO2]v,exhaust为排气歧管中CO2体积分数。

为了满足加入EGR后低转速的扭矩要求，在2 000 r/min以下转速的少数全负荷工况中使用到了机械/涡轮两级增压。在万有特性试验的各个工况下依次对VVT、EGR率和点火角进行扫描，以寻找最佳燃油消耗点(高负荷为爆震临界点)。爆震试验时，则只对点火时刻进行扫描，获得爆震临界点的边界。

1.2 发动机建模及验证

本研究建立了描述发动机工作过程的一维仿真模型，采用了由Keck等人[12]提出的SITurb湍流燃烧模型：

(2)

涡轮增压器工作时，需要达到压气机与涡轮机流量、扭矩和能量的平衡，因此在每个仿真步长下都将进行轴端速度和两侧的压比、流量与功率的计算，直至收敛到平衡条件。涡轮增压器功率可以通过压气机及涡轮机上下游的工质状态和增压器效率计算得到。

图1a示出了在对发动机燃烧模型及涡轮增压器模型进行详细标定后缸内压力仿真与试验的对比，4个工况点分别对应着低、中、高、全负荷的情况。外特性仿真与试验结果的对比见图1b与图1c。由此可见，仿真模型的输出结果与发动机试验获得数据有较高的一致性。

图1 仿真输出与试验结果的对比

本研究采用末端混合气自着火延迟积分的方法对爆震现象进行模拟[13]：

I=

(3)

式中：p，T分别为缸内压力及未燃区混合气温度；φa为过量空气系数；I为Livengood-Wu积分；tknock和tIVC分别为爆震开始时刻和进气阀关闭时刻。图2对比了在3 000 r/min外特性工况下通过模型预测的爆震起始角与由试验数据处理得到的爆震起始角(缸内压力振荡的第一个拐点时刻)。结果显示，模型的爆震起始时刻预测方法有着很好的精度。

图2 爆震模型预测情况

由于一维仿真模型无法模拟因末端混合气自燃造成的缸内压力振荡过程，这里引入了一个与L-W积分达到1时的质量燃烧率(MBF)相关的爆震判定标准，以判定仿真过程中是否发生爆震。试验过程中，通过扫描点火角得到临界爆震点时的MBF值作为用于参考的爆震指标阈值。仿真中，当L-W积分达到1，同时计算得到的MBF在上述阈值KIref以下，则判定该仿真工况发生了爆震。

1.3 优化方法

为了进行发动机结构参数与控制参数的协同优化，本研究采用拉丁超立方的方法进行试验设计，使用神经网络方法建立了发动机性能指标的近似模型。

发动机的优化设计具有高度非线性、离散化的特点，基于进化理论的遗传算法可以用于解决这一类问题。本研究所设定的优化目标和约束条件见式(4)。考虑到外特性子问题不涉及转速，种群个体对应几何压缩比(GCR)、点火提前角(SA)、进气相位(ICP)、空燃比(AFR)、EGR率(ER)的组合。优化时，需要确保在外特性性能基本不下降的前提下，改善部分负荷工况的燃油经济性。因外特性的优化涉及到较多转速工况，这里将每个转速工况作为一个独立的优化子问题来考虑。优化子问题中点火角等运行参数及几何压缩比需要在不同的工况下限制在一定范围内，同时要求扭矩、排气温度、爆震指标满足边界条件。

(4)

式中：x对应包含GCR，SA，ICP，AFR，ER等参数信息的种群个体；BSFC，TORQUE，TEMP，KI分别为燃油消耗率、扭矩、排温及爆震指标；TORQUE0为原机扭矩；KIref为经过标定的爆震指标阈值。

优化变量的取值范围见表2。因为试验条件的限制，EGR率的优化范围被控制在基础值±5%内。

表2 优化变量的取值范围

2 结果与讨论

2.1 冷却EGR的影响分析

图3示出了平均有效压力0.4 MPa，转速2 200 r/min，低负荷工况点发动机性能随EGR率的变化曲线。

图3 低负荷时EGR率对发动机性能的影响

由图3可见，14%的冷却EGR会在最大程度上改善燃油消耗率，约2.9%，但EGR率超出10%时，发动机的循环波动上升明显。因此，选取9%的EGR比例较为合适，此时的燃油消耗率改善为2.5%。

图4示出了平均有效压力1.9 MPa，转速2 200 r/min，高负荷工况下EGR率及过量空气系数变化对发动机性能的影响。此时，发动机工作在临界爆震点，涡轮增压器的工作温度也较高。

图4 高负荷时EGR率对发动机性能的影响

从图中可以发现，提前点火可以使燃烧重心θCA50更接近最大扭矩点(MBT点)，从而改善热效率。通过燃油加浓及冷却EGR协同缓解爆震，此燃油加浓工况的过量空气系数φa=0.88。当过量空气系数相同，EGR率升高时，点火角可以进一步提前以降低燃油消耗率。另一方面，在同一点火时刻较大的EGR率会导致较高的燃油消耗率，主要因为冷却EGR使得燃烧持续期变长。

综合以上两个因素，临界爆震点的燃油消耗率在14%EGR率时可以降低4.9%，如取消加浓可以改善14.6%的燃油消耗率。此外，发动机循环波动率可以保持在4.5%以下。由此推知，外特性工况的EGR率上限主要由增压能力限制，不同于低负荷由燃烧稳定性限制。

加浓工况的θCA50与燃油消耗率降低比例对应较好，说明燃烧相位的变化对于改善燃油消耗率的作用很大。在涡轮机进口处测出的温度随EGR率升高或点火角提前会逐渐降低，原因在于EGR降低了缸内温度。

另外，取消加浓后涡轮入口温度的提高反映出加浓操作对于降低排气温度的重要性，在加浓时燃料的挥发冷却及工质比热容的提高使得排气温度下降较多。

冷却EGR的降低燃油消耗率作用在高负荷时比低负荷更加显著。通过对比高、低负荷不同的试验设定可以看出，低负荷运行时的燃烧不稳定会限制EGR的上限，而高负荷冷却EGR的引入使得在爆震限制内实现点火角提前同时减少燃油加浓，充足的排气能量驱动涡轮增压器保证了较高EGR率，进一步使得缸内充量的比热容比增加，提高发动机热效率。

2.2 几何压缩比的优化

根据前述优化方法，选取外特性下不同转速点对几何压缩比的影响进行了研究。图5示出了不同几何压缩比(GCR)下优化后的扭矩、燃油消耗率预测值，其中扭矩的下降趋势验证了前述压缩比提高带来的爆震问题及排气温度问题造成的扭矩恶化。几何压缩比为12的扭矩曲线基本和原机的重叠，此时2 200 r/min处的扭矩已不能满足原机扭矩要求。因原机的结构限制，没有考虑更高的几何压缩比。随GCR提高，点火角推迟，燃油加浓，燃油消耗率也随之攀升。需要注意在高转速工况时，高压缩比下优化的燃油消耗率比原机的低，主要原因在于高速工况的爆震对发动机的破坏更严重[14]，试验机高速外特性运行在较为保守的点火角下，因此原机并未到达爆震边界。废气温度边界控制在800 ℃以下，随GCR的提高，燃油加浓及缸内传热损失增加会使得排气温度降低。

图5 优化结果

图6示出了优化结果对应的运行参数，包括点火提前角(SA)、进气相位(ICP)、空燃比(AFR)、EGR率(ER)。较大的几何压缩比对应着推迟的点火角及较低的空燃比，这两点都会导致燃烧恶化，对应着图5中较大的燃油消耗率及降低的扭矩。从图6a可以看出，SA随速度的变化有近似抛物线趋势，不管GCR如何变化，最迟SA都出现在2 200 r/min峰值扭矩的位置。

除了推迟的点火时刻，高负荷加浓的低AFR也更容易在优化搜索的过程中保留下来。由图6可见，GCR从9增加到10时，爆震较为严重的2 000～3 600 r/min转速区间的加浓需求较为明显。要指出GCR由11到12时，AFR迅速下降，主要是因为此时与9～10压缩相比区间比SA推迟程度相对较小。

图6 优化的运行参数

EGR率在3 000 r/min处呈现出峰值，从图6c中可以看出此速度下燃油加浓的取消。优化过程的EGR率控制在原机EGR率5%区间内，可以发现最佳EGR率对于大多速度工况有轻微的降低，可能原因是在GCR升高时排气温度减小，涡轮转速降低，从而使得增压压力减小，泵入废气的能力降低。试验中2 000 r/min以下的低速全负荷工况使用到了机械增压，因此EGR率可以提高到15%～30%，而EGR率的提高在高转速受发动机点火能量的限制。ICP的值是指由压缩冲程结束的上止点时刻开始，到进气阀最大开度的时刻之间所经历的曲轴转角，代表了进气VVT的工作角度，对应着进气阀开启关闭时刻。进气阀开闭与进入缸内工质的总量相关，从而对外特性扭矩影响很大。因为在EGR率及点火角扫描试验中未对各个工况进行详细的VVT优化，全局优化后的ICP值与原机情况相差较大。

可以从图5b及图6b中看出，当GCR介于11～12之间时AFR迅速下降，燃油加浓显著恶化了燃油经济性。因此，最佳的GCR应在9～11之间。

2.3 热效率分析及试验验证

发动机全局优化优先考虑了NEDC测试循环的6个常用特征工况(见表3)，使用与全负荷优化相同的方法对选取工况的热效率随几何压缩比的变化进行了分析。

表3 验证工况

图7a示出了使用最佳EGR率及提高GCR对于特征点燃油消耗率改善的影响。对于常用的5个负荷相对较低的工况，可以通过调整点火角将θCA50维持在最佳位置，提高压缩比后的热效率可以进一步上升。然而，在1.4 MPa，2 600 r/min这样的高负荷工况，热效率下降，燃油消耗率升高。

几何压缩比提高，缸内温度提高，燃烧室面容比增大，传热损失提高。同时，燃烧速度加快，燃烧持续期变短，等容度提高。图7b示出了不同工况下压缩比提升对中低负荷特征点效率的影响。可以看出0.5 MPa，1 000 r/min工况效率提升最小，原因在于低转速传热时间长，传热损失大，其带来的损失会抵消一部分等容度改善带来的效率提升。1.4 MPa，2 600 r/min工况的优化结果显示此时发动机运行在爆震边界区域，因此需要推迟点火角，加浓混合气来将发动机限制在爆震边界以内，从而导致燃油消耗率上升。

图7c示出了优化后带外部冷却EGR系统的高几何压缩比发动机工作循环与理论Otto循环的效率对比。可以看出，GCR由11提高到12时综合效率改善已有下降的趋势。

图7 热效率分析

为了验证优化结果的可靠性，设计了几何压缩比为10的发动机活塞并进行了台架标定试验。NEDC循环特征点的台架标定试验数据与前述优化结果的对比见图8。5个特征点的仿真优化结果落在试验结果3%偏差内，而1.4 MPa，2 600 r/min处偏差略高。

图8 几何压缩比10试验验证

3 结论

a) 冷却EGR对于高负荷燃油经济性的改善作用比低负荷更为明显，主要得益于高负荷较好的燃烧稳定性及较高的排气能量，可以引入更多的EGR来增大缸内工质比热容比，提高热效率；

b) 在保证发动机能够稳定运行的前提下，可以引入的最大EGR比例在低负荷时主要受限于工作负荷变动率，而在高负荷时则主要受限于增压器的增压能力；

c) 高几何压缩比耦合冷却EGR可以在原机EGR试验基础上进一步改善NEDC循环特征点的热效率，但在逼近爆震边界的高负荷区域,过高的几何压缩比同样会引起综合热效率的恶化；

d) 优化结果可以同时满足外特性的扭矩要求及常用特征工况点的改善燃油经济性要求，发动机最佳的几何压缩比应介于10～11之间。

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[编辑： 姜晓博]

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

教育部博士点基金(20120073120059)；上海市浦江人才计划(13PJ1404300)

尹涛(1995—)，男，硕士，主要研究方向为内燃机工作过程数值模拟；catalystao@sjtu.edu.cn。

李铁(1974—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为先进内燃机燃烧、代用燃料技术；litie@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.006

TK411.7

B

1001-2222(2016)02-0028-07