低压EGR系统对缸内直喷发动机性能影响的研究

2020-09-26张盼望张中威纪佳圳李沛焕

广东工业大学学报 2020年5期

张盼望，熊锐，吴坚,2，张中威，纪佳圳，李沛焕

（1. 广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006；2. 广汽集团汽车工程研究院，广东广州 510640）

缸内直喷(Gasoline Direct Injection，GDI)发动机相比进气道喷射发动机在油耗和动力性方面具有明显的优点，因此广泛地应用到市场中[1]。随着国六标准的实施，为了使GDI发动机达到国六标准，加装低压废气再循环(Exhaust Gas Recirculation, EGR)系统成为市场的趋势，废气的比热容高于新鲜空气，从而可降低缸内气体的温度，有效抑制CO和NOx的生成；废气的引入可减少发动机的泵气损失，同时提高了燃油经济性[2-3]。目前，EGR技术在柴油机中得到广泛的应用，在降低排放物方面取得良好的成效[4]，而安装低压EGR系统的汽油机还在探索中，EGR率的精确控制存在巨大挑战。文献[5-7]研究了EGR率对缸内燃烧、经济性能和排放性能的影响，通过台架试验验证了模型的可行性。文献[8-10]提出了一种低压EGR流量估算的方法，以精确估算EGR率等参数。但相关文献中很少涉及到对EGR系统控制的研究。

本文提出一套控制策略，以精确控制EGR率和混合阀的开度。基于控制策略用simulink建立了低压EGR的仿真模型，通过台架试验验证模型准确性，同时研究EGR率对发动机的泵气损失、油耗和排放的影响。

1 低压EGR系统设计

1.1 EGR系统的选取

EGR根据气体取出和引入位置的不同，分为高压EGR和低压EGR；低压EGR从涡轮下游取出EGR气体并引入到压气机上游，如图1所示；高压EGR从涡轮增压器上游取出EGR气体并引入到电子节气门下游。相比高压EGR系统，低压EGR系统具有取出废气温度低、工作区更大的优点[11-12]。故本文选取低压EGR系统进行研究。

图1 低压EGR系统示意图Fig.1 Schematic diagram of low-pressure EGR system

低压EGR系统中，流经EGR阀的质量流量和出口温度为[13-14]

式(1)中，qm(EGR)为通过EGR阀的气体质量流量，kg/s；AEGR为阀截面积，mm2；Tin为气体流入EGR阀的温度，K；Pr为EGR阀前后的压力比；k为废气的绝热指数；R为气体常数。式(2)中，Pin、Pout分别为流入、流出阀的压力。

流过EGR冷却器后气体压力不变，则出口温度为

式(3)中，λEGR为EGR冷却效率；Tcoolent为冷却器中水的温度，K；Tout为流出EGR阀的温度，K；Tin为流入EGR阀的温度，K。

1.2 试验设备及计算方法

本文基于一台2.0T涡轮增压汽油机，加装了低压EGR系统后进行发动机台架试验。表1为发动机的技术参数，配备了空气流量传感器、氧传感器、EGR温度传感器、EGR压差传感器和进气压力传感器，它们的作用是测试传感器安装位置的温度和压力，把采集到的信息反馈给发动机控制单元(Engine Control Unit, ECU)，进而实现准确的闭环控制。

表1 发动机技术参数Table 1 Engine technical parameters

EGR阀采用直流电机驱动的EGR蝶阀，可以精确控制EGR率，EGR率的公式为

扭矩M、转速n和ηEGR的关系式见式(5)。

扭矩M、转速n和混合阀开度α的关系式见式(6)。

2 低压EGR控制系统

2.1 EGR阀的控制

图2为由台架试验得到的EGR率。通过发动机当前转速、扭矩，结合图3中目标EGR率控制模块和式(5)，算出目标EGR率。

图2 基于转速和扭矩的EGR率Fig.2 EGR rate based on speed and torque

根据实际点火角与最优点火角的差值、冷却液温度和进气温度系数对目标EGR率进行修正。为了降低发动机进入和退出EGR区域边缘的波动性，对修正后的目标EGR率进行滤波处理。结合修正后的目标EGR率、EGR处空燃比的值和不包含外部EGR的充气效率计算流过EGR阀处的目标流量，再由式(1)计算出EGR阀的目标开度。根据EGR阀的目标开度，ECU向直流电机发出对应的占空比信号，驱使直流电机带动EGR阀打开相应的角度，结合压差传感器测得的压差和式(1)计算出通过EGR阀处的流量。根据式(4)计算出进入到进气歧管的EGR率。

2.2 混合阀的控制

图3 低压EGR系统控制原理图Fig.3 Low pressure EGR system control schematic diagram

图4 基于转速和扭矩的混合阀开度Fig.4 Mixing valve opening based on speed and torque

图4为根据发动机转速和扭矩标定的台架试验混合阀开度。结合图3混合阀目标开度控制模块和式(6)可计算混合阀目标开度，当有EGR率需求时，根据当前EGR阀前后压比和混合阀目标开度控制进气混合阀的开度。比例、积分、微分(Proportion，Integration，Differentiation，PID)控制模块根据混合阀目标开度与混合阀实际开度的差值[15]，对混合阀的实际开度进行调节，从而达到闭环控制的目的。

3 仿真和试验数据的分析

3.1 仿真数据和试验数据的对比

图5所示为混合阀开度的仿真与试验结果对比，混合阀的准确控制为EGR率的计算提供了依据。

如图6所示为EGR率的仿真与试验结果对比，仿真结果验证了此控制策略的可行性。精确的EGR率控制，为分析EGR率对油耗、泵气损失和排放的影响提供了基础。

3.2 EGR率对泵气损失和油耗的影响

图5 模型仿真与台架实测的混合阀开度对比Fig.5 Mixing valve opening degree of the model simulation and comparison of measured gantry

图6 模型仿真与台架实测的EGR率对比Fig.6 Comparison of model simulation and bench-measured EGR rate

如图7所示为在2 500 r/min、109 N·m工况下，节气门开度与EGR率的关系。EGR率从0增大到18%时，节气门开度增加幅度最大。由于泵气损失与节气门开度成反比，所以泵气损失降低最小。在2 500 r/min、180 N·m时，引入的EGR气体达到20%时，节气门处于全开状态，此工况下泵气损失降低幅度最小。

图8所示为不同工况下比油耗的变化情况，在引入EGR气体后，每个工况下的比油耗都在降低。在3 600 r/min、158 N·m工况下，加入EGR气体大于15.1%时，比油耗出现上升的情况，是由于过多地加入EGR气体造成燃油燃烧不稳定，从而出现了上升的趋势。

图7 EGR率和节气门开度的关系Fig.7 Relationship between EGR rate and throttle opening

图8 EGR率与油耗的关系Fig.8 Relationship between EGR rate and fuel consumption

如图9所示为全球统一轻型车辆测试循环(Worldwide Light-duty Test Cycle, WLTC)和新欧洲标准行驶循环(New European Driving Cycle, NEDC)分别打开和关闭EGR功能的4种试验。对比WLTC工况下打开和关闭EGR功能，在低转速、中负荷的情况下，引入的废气在打开EGR功能时能得到合理利用，燃油消耗量减少了4%。对比NEDC工况下打开和关闭EGR功能，打开EGR功能的NEDC循环比关闭EGR功能的NEDC循环燃油消耗量降低了2%。

图9 4种不同循环试验Fig.9 4 different loops

3.3 EGR率对排放的影响

图10 EGR率与THC的关系Fig.10 Relationship between EGR rate and THC

图11 EGR率与NOx的关系Fig.11 Relationship between EGR rate and NOx

图10和图11为THC和NOx排放随EGR率的变化情况。随着EGR率的增加，NOx排放出现明显降低的趋势，在2 000 r/min、160 N·m工况下，表现得更加明显。废气与新鲜空气混合后提高了混合气的比热容，同时，废气的引入稀释了新鲜空气，延长了缸内气体温度升高的时间。以上两种原因都会降低缸内燃烧温度，抑制了NOx的生成条件，从而使NOx排放降低。另一方面，随着引入废气量的增加，造成缸内燃油燃烧不充分，从而造成THC排放量略有增加。

如图12所示为随着EGR率的增大，CO排放呈现减小的趋势，在2 400 r/min、160 N·m工况下，CO排放降低最多。这是由于EGR的引入降低了燃烧室内的温度，减少了二氧化碳(CO2)的裂解反应，并且燃烧持续期的延长促进了CO的化学反应时间，这都有利于CO的减少。