基于废气再循环系统(EGR)的整车节油效果研究

杨章晖 韦于刚

摘要：随着国家法规对乘用车燃料消耗量更为严格的要求，降低整车的油耗受到了广泛的关注。本文针对自主某款匹配自然吸气发动机MPV车型增加外置冷却EGR，通过NEDC工况试验验证，得出外置冷却EGR对于整车燃油经济性的提升有著重要的意义。

关键词：外置冷却EGR;节油;NEDC

中图分类号：U471文献标识码：A

1引言

面对日益严苛的油耗法规，各大汽车品牌厂家都开展了降低燃油车油耗方法的相关研究。通过在发动机上增加外置冷却EGR来降低油耗是一个相对简便的节油研究方向。该方案提高了发动机燃烧效率从而提高燃油经济性而受到了广泛关注，也是获取更好燃油经济性的主要解决方案之一。

本文通过对自主某款MPV加装外置冷却EGR进行整车台架试验和仿真分析，初步探讨了外置冷却EGR对整车油耗的影响。

2外置冷去口EGR简介

2.1外置冷却EGR

EGR是废弃再循环系统的简称，是汽油机和柴油机应用的主要系统之一。废弃再循环系统的应用主要是将发动机排放的废气重新送回气缸参与燃烧。

EGR有多种实现方式，本文讨论的是外置冷却EGR。外部EGR由EGR阀、EGR冷却器和EGR管路组成，其工作基本原理如图1所示，发动机排出的废气通过EGR阀和冷却器降温后，重新导入进气歧管，与新鲜气体混合后进入气缸，再次参与燃烧。

废气再循环的程度用废气再循环率表示，简称EGR率。EGR率的定量描述就是经过EGR阀的再循环废气量与总进气量之比。

2.2EGR控制策略

EGR控制策略主要集中于中高转速区，通常最高转速区和怠速区EGR阀都处于关闭状态。怠速状况下引入废气回流会造成发动机的燃烧不稳定、发出噪声并可能导致发动机熄火。发动机节气门全开时，为满足最大功率输出，EGR阀处于关闭状态。

EGR阀的开度大小取决于节气门体的碟阀位置、发动机进气温度、车速、点火提前角、氧传感器信号等输入参数。

3试验研究

3.1测试车辆基本参数

本次测试车辆是自主某款MPV车型，匹配1.8L直列四缸自然吸气发动机和AMT变速器，整车基本参数如表1所示。

3.2台架试验方法

试验完全参照国际标准GB 18352.5-2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》NEDC工况执行，试验由4个市区运转循环和1个市郊运转循环组成。

市区循环用于模拟汽车在城市行驶时工况，该工况中最高车速为50.0km/h，循环单元平均车速为19.0km/h。市郊循环用于模拟汽车在市郊和高速公路上行驶时工况，该工况最高车速为120.0km/h，平均车速为62.6km/h。具体操作规范参考GB 18352.5-2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五段）》。

台架试验时，将试验车驱动轮置于底盘测功机转毂上，利用底盘测功机转毂运动模拟连续移动的路面，底盘测功机加载装置模拟汽车的行驶阻力，底盘测功机飞轮系统模拟汽车的运动惯性，按多工况指定的车速一时间规范和挡位操作试验车和底盘测功机，并利用底盘测功机测量装置记录行程一车速一时间曲线，利用设备气体分析仪，通过排放数据分析出汽车百公里燃油消耗量。试验同时用计算机采集EGR工作信号。

3.3仿真分析

AVL-Cruise软件提供了整车、发动机及变速器等模块，可以达到快速建模，对整车动力经济性进行预测且进行仿真结果分析。该车型的CRUISE仿真模型包括了整车参数、发动机、变速器和换挡控制策略等。

仿真分析时，CRUISE模型需进行校核。将仿真结果和实测数据对比，判定模型的准确性。如表2所示，本次校核模型是不带EGR的原机，仿真结果和实测结果各项偏差在3%以内，从而判定该模型合理，为冷却EGR节油研究仿真分析提供了准确性。

4试验结果与分析

4.1试验结果

为了验证EGR对整车的节油贡献，对3辆样车通过控制EGR功能的关闭和开启，分别进行油耗对比测试，结果如表3所示。

3辆样车综合油耗测试结果在EGR功能关闭条件下都在7.70至7.80的范围内，说明该车型油耗一致性控制是合理的。3辆样车增加EGR功能后的综合油耗节油效果分别达2.1%、3.4%和2.3%，市区和市郊工况也得到了相应改善。

4.2节油效果分析

4.2.1发动机降低泵气损失

试验过程中，通过采集发动机数据发现EGR阀开启后，废气进入进气歧管，导致管内的温度和压力都增高。进气歧管温度的增高促进燃气混合更充分。同时，进气歧管压力的增大，控制进气的节气门会造成气流阻滞从而造成能耗加大。为维持发动机功率的稳定，需增大发动机节气门开度，提高充气效率。节气门开度的增大，进气歧管的节流作用降低，压力会出现相应的提高，发动机进气时活塞下行阻力减小，从而降低发动机的泵气损失。

选取整车常用工况2000r/min（0.2MPa）进行分析（图2），可以看出，随着EGR率的提高，进气歧管的温度和压力均提高。

4.2.2燃油消耗率改善

汽油机工作时会发生爆燃，通常采用降低发动机压缩比或减少点火提前角来抑制爆燃。但减小压缩比会降低燃烧热效率，推迟点火时间会提高油耗和大负荷时的排气温度。EGR废气中的氧含量很小，进入进气歧管与新鲜气体混合后，气缸内的燃烧温度降低，抑制爆燃，增大发动机的压缩比和点火提前角，改善燃烧。

发动机燃油消耗率对比结果如图3所示，增加EGR后，油耗率结果降低。选取整车常用转速范围，对不同扭矩下燃油消耗率进行对比分析，带EGR和原机的节油率可达1%～7%，具体数据见表4。

4.2.3控制策略分析

在试验过程中采集EGR阀开度数据（图4），冷起动时发动机水温及进气温度都相对较低，EGR阀关闭。随着发动机负荷增加，发动机水温及进气温度增高，EGR阀开度渐渐增大。整个NEDC工况测试过程中，减速和高负荷时，EGR阀都处于关闭状态，中高负荷EGR阀开启并伴随开度的变化，符合上述的控制策略。

4.3仿真结果

为验证EGR的仿真节油效果，仿真模型的整车参数、变速器速比、轮胎型号等参数都要保持有无EGR的一致性，只分别通过输入有无EGR台架测得的发动机参数进行计算分析，得到有无EGR整车的油耗仿真结果。根据发动机外置冷却EGR台架标定数据，代入CRUISE模型进行仿真分析。仿真结果如表5所示，带EGR技术理论节油为3.6%。

5总结

根据上述试验结果和仿真分析，可以得出以下结论。

（1）通过台架试验，增加外置冷却EGR可以提高发动机的充气效率和降低泵气损失。

（2）增加外置冷却EGR，发动机的压缩比和点火提前角增大，从而有效的降低燃油消耗率。

（3）通过在台架转毂进行整车NEDC工况油耗验证，外置冷却EGR对整车的节油率达2.1%～3-4%。在理论研究上，通过CRUISE仿真分析，外置冷却EGR对整车节油率达3.6‰为降低整车油耗满足未来更加严苛的燃油消耗限值提供了重要参考意义。