LP-EGR和电增压协同技术对汽油机性能的影响

韩敬贤,黄昭明,王利,陈伟国,潘金元

(1. 安徽粮食工程职业学院 机电工程系,合肥 230013;2. 皖江工学院 机械工程学院,安徽马鞍山 243031;3. 宣城职业技术学院 机电与汽车学院,安徽宣城 242000;4. 奇瑞汽车股份有限公司 发动机工程研究院,安徽芜湖 241006)

随着国内外对节能汽车的重视,各种新能源技术不断应用于汽车[1-2],同时更多针对发动机的新技术[3-4]也层出不穷,如增压小型化[5]、汽油机废气再循环EGR[6]、米勒循环[7]、超高压喷雾等技术[8]在节油和减排方面效果显著。

其中,米勒循环和汽油机EGR技术都能通过降低缸内燃烧温度,从而抑制爆震,降低燃油消耗率[6-7]。事实上这两种技术都会减少发动机的新鲜空气充量系数,因此很多应用了米勒和EGR技术的发动机都需要利用增压器提高进气压力,提高新鲜空气充量系数。

对于EGR和涡轮增压技术联合运行效果来看,低压EGR系统比高压EGR系统更能降低燃烧温度[9],也能更大程度地利用增压器的废气能量,因此在减少氮氧化物和颗粒物排放与节能效果上比高压EGR更好。

但是在涡轮增压支持下的低压EGR系统在应用过程中经常会遇到受到不同条件的限制和性能上的不足。

1) EGR过量导致缸内燃烧被过量抑制,会引起循环变动率COV太高甚至引起失火[6];

2) 在发动机低速运行时,由于涡轮增压器能力不足导致进排气管之间压差不足使EGR率无法增加,从而无法充分发挥EGR的作用[7];

3) 低压EGR一般从三元催化器后取气,从空滤器后引入废气,由于发动机工况复杂多变,而EGR流动管路较长,EGR率的响应特性也存在滞后[10]。

由此可见,涡轮增压器不论在低转速工况还是工况变化的瞬态响应上都无法满足低压EGR系统的高效应用要求。

随着发动机电气化的发展,48V或混合动力系统使得电动增压器可以配合涡轮增压应用在发动机上。已经有很多研究表明[11-13],电动增压器能大幅度提高发动机低速时动力性和车辆百公里加速的响应特性。但是,电动增压器联合涡轮增压器系统对低压EGR率的引入作用和发动机变工况时EGR的瞬态响应特性还研究得较少。因此本研究拟通过在一台涡轮增压汽油发动机上加装低压EGR系统和电动增压器,研究电动增压器对低压EGR增压汽油机的节能减排作用和瞬态响应特性影响。

1 试验装置和试验方法

1.1 试验装置和测试系统

试验用发动机为一款排量1.5 L带旁通阀的废气涡轮增压缸内直喷汽油机,匹配外部EGR系统,采用催化器后取气引入压气机前的低压EGR方案,并对EGR回流废气进行冷却,通过空滤器后压气机前进气管路节流阀和EGR中冷器后冷端安装的EGR阀控制EGR率;电动增压器与涡轮增压器压气机串联,加装在EGR引入口下游,在电增压器不工作时,新鲜空气与EGR回流废气混合后通过旁通管路进入废气涡轮增压器压气机。试验台架系统布置如图1所示,试验用发动机基本结构参数见表1。

图1 试验台架系统布置

表1 发动机主要结构参数

试验台架所用测功机为奥地利AVL电涡流测功机,采用AVL 735s油耗测量仪测量发动机燃油消耗量,缸内压力测量采用Kistler 6115B型缸压传感器,发动机原始排放(CO,HC,NOx,CO2,O2等)通过HORIBA MEXA-7100DEGR进行测量,其它设备有AVL PUMA台架控制测试系统、发动机台架标定用INCA软件系统、AVL 602燃烧分析系统、AVL 753c油水温度控制仪等。试验用电动增压器参数见表2,试验仪器及传感器主要参数件见表3。

表2 电动增压器主要技术参数

表3 试验仪器及技术参数

1.2 试验方法

本研究主要目的是探索发动机加装电动增压器时,实现最大EGR率的潜力,且研究低压EGR与电动增压对汽油机节能减排和瞬态响应特性影响的协同作用。

试验研究中选择发动机典型转速外特性和典型部分负荷工况点进行研究,如表4所示。

表4 试验研究工况

同时在各工况下控制燃烧循环变动COV在4%以内,探索EGR率的使用极限。试验过程中优先使用废气涡轮增压,在涡轮增压能力达到极限时,起动电动增压器参与工作,提高EGR率和发动机进气能力,直到对发动机性能无显著改善或燃烧开始恶化为止。用此试验方法对比电动增压起动参与工作后发动机的性能指标,即经济性、排放性能和瞬态响应特性。试验过程中汽油机运行中使用的EGR率表达式为

(1)

式中：REGR为EGR率,%;Rco2(in)为中冷后进气管路的浓度,%;Rco2(air)为新鲜空气中的CO2的浓度,%;Rco2(exh)为涡轮后废气中的CO2的浓度,%。

2 试验研究结果及分析

2.1 电动增压器对发动机EGR系统的促进作用

2.1.1 电动增压器对外特性EGR性能影响

EGR在引入涡轮增压时,能够降低发动机油耗和排放,但是在中低转速时由于废气的能量不足导致涡轮增压器转速低,压气机做功能力弱而无法引入。因此在中低转速大负荷时候EGR的效果无法充分发挥作用,而使用了电动增压器后,使低转速下EGR率能明显上升,这是因为电动增压器不受排气能量不足的限制,如图2所示。图3为发动机1 250～4 000 r/min外特性新鲜进气与EGR流量。

图2 电动增压器工作后外特性最高EGR率对比

图3 发动机进气时新鲜进气与EGR流量

如图2中所示,电动增压器工作后,本来无法引入EGR的工况(低转速1 250 r/min外特性)的EGR率能接近25%,在1 500 r/min和2 000 r/min工况EGR率也有了很大的改善。随着发动机转速的提高和负荷增加,涡轮增压器的能力越来越强,开始不需要电动增压器的介入,EGR率在4 000 r/min时已经完全不需要电动增压器介入。

很多研究表明[14-16],电动增压器的介入使发动机的低速工况动力性有了大幅提高。而在配合EGR系统后,电子增压器在降低油耗方面也起到了较大的作用。图4为EGR率在电动增压器作用下提高后对油耗率的影响。EGR率的提高使1 250 r/min～2 000 r/min外特性工况油耗率降低8.5%～10%,这主要是由于EGR对爆震的抑制,发动机可以采用更为激进的点火角,燃烧相位提前,从而使外特性工况的经济性获得明显改善。电动增压器促进了EGR率的提高,而在4 000 r/min涡轮增压能力已经足够,电增压不需介入了。

图4 EGR率提高后外特性油耗率变化

EGR能够降低缸内燃烧温度,减缓燃烧速度,因此能有效减少发动机的NOx排放,但是在中低转速外特性下,EGR引入非常有限,因此NOx排放水平虽然有所降低却并不明显。在电动增压器配合下,EGR引入量大幅度提高,NOx排放明显降低,如图5所示。EGR率的增加会在较低范围内增大THC的排放,如图6所示。而由于空燃比的控制策略不变,CO的变化并不明显。

图5 EGR率提高后外特性NOx排放变化

图6 EGR率提高后外特性THC排放变化

2.1.2 电动增压器对部分负荷EGR性能影响

1 500 r/min和2 000 r/min是车用汽油机实际应用中最常用的转速,因此本文对这两个转速部分负荷下电动增压器介入工作前后的EGR和发动机性能变化进行了研究。

图7为1 500 r/min和2 000 r/min电动增压器介入工作前后发动机部分负荷能达到的最高EGR率对比。低负荷电增压器是否工作对EGR率影响不明显,但是中高负荷,电增压器对最高EGR率的提高作用非常明显,从10%左右提高到了30%以上。这是因为在低负荷,进气压力较低且新鲜空气的进气量也较少,因此比较容易引入尾气且能达到较高EGR率,并不需要电增压的辅助作用。但是随着负荷的提升,进排气管的压差减小开始无法顺利提高EGR率。在没有电动增压器辅助的情况下,1 500 r/min,1.4 MPa工况EGR率仅能达到5%。而电增压器工作后,能达到30%以上,由此引起的节油和降低NOx排放也非常显著。

图7 电动增压器工作后部分负荷最高EGR率对比

图8为EGR率在电动增压器介入工作后对部分负荷油耗率的影响。从图8电增压器介入点来看,原机部分负荷工况在EGR的作用下还有很大节油空间,只是由于进排气两端压差不足EGR率无法提升不能进一步发挥EGR的节油作用。

图8 EGR率提高后部分负荷油耗率变化

原机1 500 r/min和2 000 r/min在1.4 MPa工况,在EGR的作用下油耗分别降低了1.9%和1.58%;电增压器辅助后,在此基础上再分别降低油耗9.1%和6.5%;总节油率达到了10.8%和8.4%。负荷降低后,电增压的效果开始降低,在1.1 MPa工况电增压辅助油耗在原机EGR系统的基础上又降低了7.2%和3.7%。但是EGR率超过30%后,油耗开始上升,过多的废气引入会导致燃烧恶化。

图9 EGR率提高后部分负荷NOx排放变化

图9为电增压器介入工作后,部分负荷下NOx排放的进一步降低的效果。在原机EGR系统作用的基础上,电动增压器提高的EGR率使NOx排放降到了极低的水平,充分发挥了EGR的作用。但是在EGR率超过30%后,THC排放会有较明显升高,如图10所示。

图10 EGR率提高后部分负荷THC排放变化

2.2 电动增压器对瞬态特性的影响

2.2.1 电动增压器对动力响应特性影响

很多研究中提到,电动增压器能大大提高发动机的动力瞬态响应,使扭矩能快速攀升,这一点在本研究中得到了体现,如图11和图12所示。

图11 电动增压器工作时扭矩的动态响应过程

图12 电动增压器工作时缸内IMEP的动态响应过程

在没有电增压器工作时,1 500 r/min从0.2 MPa到1.5 MPa需要2.32 s;而在电增压器辅助下,从0.2 MPa到1.5 MPa需要0.7 s,动力性提升响应时间缩短2/3,对带放气阀废气涡轮增压发动机的动力瞬态响应特性有极大地改善。这主要是由于对于传统的废气涡轮增压发动机,虽然油门开度可以迅速提升到100%,但转矩增加会有所迟滞,这是因为提升动力时首先需要增加进气量,进而增加排气能量加速涡轮,涡轮加速后继续增加进气量,从而达到动力输出要求,在此过程中存在进排气容积迟滞、涡轮转动惯量迟滞等多种因素,导致涡轮响应缓慢;当电增压工作时,电机近乎瞬间转速响应的优势,大大提升了进气歧管压力的建立速度,因而发动机的动力瞬态响应获得巨大提升。图13展示了电动增压器建立进气歧管压力的瞬态过程,可以看出电增压工作时歧管压力迅速建立,转矩输出增加,同时伴随着点火角的快速调整。

图13 电动增压器工作时进气歧管压力动态建立过程

2.2.2 电动增压器对EGR率瞬态响应的影响

从图13可知,电增压工作时歧管压力升高斜率为不工作时的2.5倍,因而能快速提高发动机扭矩。但是在装载了低压EGR系统的发动机上,EGR率的提升滞后是一直存在的问题之一,由于低压EGR管路较长,而汽车的工况复杂多变,EGR率的变化也存在滞后。而在电动增压器的作用下,这一问题也得到了缓解,如图14所示。

图14 电动增压器对EGR提升的动态影响

发动机处于加速工况时,随着负荷的持续增加,EGR率需要提升,以满足发动机大负荷工况采用相对较高EGR率抑制爆震并改善燃油经济性的需求;此时进气管路中节流阀开度减小,以提升低压EGR管路与压气机前进气管路的压差,促进歧管EGR浓度的提升。电增压工作时,在进气管路会产生泵吸作用,有效提升了进气歧管EGR率的建立速度,EGR率从5%提升到15%原机需要2.5 s,而在电增压器的辅助下,能在1.2 s内达到目标EGR率,提前了发动机以优越的控制参数(较高EGR率与激进的点火提前角)运行的时间 点,取得了发动机整体性能提升的综合效果。

3 结论

1) 电动增压器能不受尾气能量不足的限制,在低负荷大量引入EGR率,能达到20%以上,这能大大降低原本由于压差不足无法引入EGR的工况的油耗率和NOx排放。外特性的油耗最高能降低8.5%～10%,部分负荷工况油耗最高能降低9.1%。NOx排放也降到了极低的水平。

2) 电动增压器能大大提高发动机的动力瞬态响应,1 500 r/min从0.2 MPa上升到1.5 MPa的时间缩短了2/3。

3) 电动增压器也能很好地消除低压EGR率的迟滞问题,工况改变时,EGR率的达到目标比例只需原机时间的一半。