高压中冷EGR对直喷增压发动机油耗影响的试验研究

徐蔡舟 刘杰 王荣吉 王立新 尹建民

（泛亚汽车技术中心有限公司上海201201）

高压中冷EGR对直喷增压发动机油耗影响的试验研究

徐蔡舟 刘杰 王荣吉 王立新 尹建民

（泛亚汽车技术中心有限公司上海201201）

基于某一直喷增压发动机，研究了EGR对发动机小负荷油耗的影响。结果表明：在改善油耗方面，原发动机使用进气门晚关策略优于使用内部EGR策略；在低转速小负荷工作区域，外部中冷EGR对油耗的贡献主要来自于降低了泵气功，但是过多的EGR气体引入容易导致燃烧不稳；使用高压EGR时，最佳的进排气VVT角度与无EGR时相同。

高压EGR泵气功增压直喷

引言

EGR技术长期以来应用在柴油机上用于降低燃烧温度进而降低NOx排放。随着能源与环境问题日益严重，世界各国制定了更为严格的汽车排放和燃料经济性法规[1，2]，使得汽油机逐渐向小型化的方向发展，紧凑型和高功率密度的涡轮增压汽油机逐渐在市场上流行起来。然而，由于涡轮增压汽油机功率密度的增大，发动机在高负荷下发生爆震燃烧和排气温度过高，一定程度上限制了发动机燃油经济性进一步改善。因此，中冷EGR技术在当前汽油机上也逐渐得到了广泛的研究应用，有部分主机厂已经开始了批量化生产[3～5]。与柴油机使用中冷EGR的主要目的不同，汽油机上中冷EGR技术应用主要是提高燃油经济性，其次是降低NOx排放[6]。汽油机采用EGR以后，为了确保同样的功率和扭矩输出，必须提高进气的密度来增加进气量，从而使得节气门开度与无EGR时相比增大，达到降低泵气功的作用；此外，EGR气体的引入可以起到抑制爆燃的作用，降低缸内最高温度，减少传热损失等，这些作用均能够提高汽油机的燃油经济性。

EGR有多种实现形式，本文主要讨论外部中冷EGR系统。外部EGR系统由EGR管路、EGR阀和冷却器（冷却EGR）组成。EGR气体通过EGR阀和冷却器进入进气歧管，冷却液通过EGR冷却器对废气进行冷却，通过调节EGR阀开度获得不同的EGR率。为承受高温的废气，EGR管路的材料大多使用不锈钢。外部EGR利用专门EGR管道将一部分废气引入进气管，使废气和新鲜空气在充分混合均匀后再进入气缸。

此种方式在增压发动机上的应用，根据进排气管连接方式分为低压EGR（LP-EGR）、中压EGR（MP-EGR）和高压EGR（HP-EGR）。低压EGR是直接连接压气机的入口端和废气涡轮出口端来实现EGR。由于压气机的入口为负压，废气涡轮的出口压力为正，因此很容易实现EGR。高压EGR即直接连接进气歧管和废气涡轮入口段来实现EGR。中压EGR即直接连接压气机出口和废气涡轮入口段来实现EGR。从应用角度来说，各种系统都有其优缺点。本文将以某一直喷增压发动机为原型，在原机基础上增加高压EGR系统，同时通过额外的EGR控制模块，对EGR率进行控制，研究了高压EGR系统对发动机油耗的改善。

1 试验装置和方法

本文所研究对象为一台1.4T直喷发动机，原机基本参数如下表1所列。使用AVL 733s油耗仪，具有连续测量能力的动态油耗仪，可以用于发动机台架瞬态测试和动态测试，同时也可以用于稳态试验台折合为一定时间的油耗量。使用AVL622燃烧分析仪对缸内压力进行实时采集和分析。使用排放分析仪Horiba7100 DEGR测试设备对发动机的排放进行测试分析，同时通过采集涡前和进气歧管（EGR气体混合后）CO2浓度进行比较分析实际的EGR率。计算公式为：

表1 发动机基本参数

其中：CO2int即EGR管路和新鲜空气混合后的气体CO2浓度；

CO2exh即发动机尾气里的CO2浓度；

CO2bkg即空气里的CO2浓度。

EGR系统的结构示意图如下图1所示。

图1 高压EGR系统示意图

2 试验结果和分析

试验时发动机转速为1500 r/min，平均有效压力BMEP为0.3 MPa，过量空气系数为1.0．其中BMEP、指示热效率（ηit）和循环变动率（Rcov，IMEP）的表达式如下：

式中：T为发动机的输出扭矩；τ为发动机的冲程数，V为每缸工作容积；i为缸数；Q为得到指示功Wi所消耗的热量；σIMEP为平均指示压力的标准偏差；PIMEP为平均指示压力的平均值。

2.1 进排气相位角对发动机油耗的影响（无外部EGR）

下图2显示的是固定排气门关闭角（EVC=24° CA ATDC），调整进气门开启角，角度越大意味着进气门开启越晚；同样也意味着，进气门关闭得越晚。可以看出随着进气门晚开，发动机的比油耗随之下降，但是20°CA TDC后，比油耗的下降则不明显。

图2 进气相位角对比油耗的影响

图3 进气相位角对比油耗的影响

为深入分析油耗变化的原因，如图3所示同时比较泵气功PMEP和COV随进气相位的变化。从图中可以发现，随着进气门晚开，泵气功出现先增大后变小；COV则随进气门晚开，出现明显下降后，也出现小幅上升。从PMEP的变化可以看出，IVO变小，实现了较多的内部EGR，降低了泵气功；随着IVO变大，进气门晚关，实现了弱阿特金森循环，降低了压缩功，减少了泵气功。对比COV可以发现，发动机在实现较大的内部EGR时，由于燃烧不稳定，所以不仅没有带来油耗上的收益，甚至出现了恶化；同时弱阿特金森循环虽然降低了泵气功，但COV也出现了小幅的上升，抵消了部分泵气功的收益，从而在油耗上没有出现明显的下降。

图4显示了排气相位对发动机油耗的影响。固定进气门开启角为44°CA ATDC，调整排气门关闭角，从图中可以看出随着排气门晚关，发动机的比油耗先出现小幅上升后持续下降。

图5比较了PMEP和COV随排气相位角变化的情况。从图中可以看出，泵气功随着EVC的增加先变大后变小。随着EVC的变化，COV也出现了波动，但总体变化不大，比油耗的变化与泵气功变化一致，泵气功的减少对比油耗影响明显。

原发动机最佳比油耗的相位角为进气相位角44°CA ATDC左右，排气相位角24°CA ATDC左右，如图6所示。

图4 进气相位角对比油耗的影响

图5PMEP和COV随排气相位角变化

图6 进排气的最佳相位角

2.2 外部中冷EGR对油耗的影响

前述2.1部分研究了原机VVT相位角对发动机比油耗的影响，了解了发动机内部EGR和推迟进气门关闭角对发动机油耗的影响。本节则基于此，研究外部中冷EGR对该工况点的油耗影响。固定转速1500 r/min，BMEP为0.3 MPa，控制EGR阀，来调整EGR率。

图7显示了固定EGR率约为9%，分别调整VVT，比较VVT对发动机比油耗的影响。可以发现最佳进气相位角为44°CA ATDC，排气相位角为24°CA ATDC。与原机的最佳相位角非常地接近。使用外部冷却EGR，相比无外部EGR的最佳进排气相位角，其最佳相位角基本一致。

图7比油耗随进排气相位角变化

图8 比较了不同EGR率对发动机比油耗的影响。可以看出使用外部EGR后，油耗有一定的改善。在EGR率为9%时，比油耗降低了近1%。试验中EGR率再进一步提高时，COV大于要求值3%，燃烧极为不稳定，无法进行测试。这主要是由于过多的EGR气体进入燃烧室，使得混合气燃烧过慢，导致燃烧不稳定。

图8EGR率对发动机比油耗的影响

图9 比较了EGR对发动机泵气功的影响。可以看出随着EGR率的升高，泵气功下降。在该工况下，试验中节气门开度并未增大，所以该泵气功得益于发动机排气背压的下降，有利于发动机油耗的降低。

发动机在小负荷低转速工况下，随着冷却EGR气体更多的引入气缸，燃烧变得不稳定；相比原机，EGR率为9%时，为维持稳定的燃烧，目标COV小于3%，点火提前角从36°CA调整为49°CA，燃烧持续期略有增加。

3 结论

图9EGR对发动机泵气功的影响

1）基于本机的研究，在改善油耗方面，该直喷发动机在低速小负荷区域使用进气门晚关策略（弱阿特金森循环）比使用内部EGR更有效，主要受限于过多的内部EGR气体使得燃烧不稳定，不利于油耗改善。

2）使用高压EGR时，进排气的最佳相位角与原机最优相位角基本一致。

3）低速小负荷时，存在足够的压差实现更大的EGR率。但是，过多的EGR气体使得燃烧过慢，出现燃烧不稳定，不利于油耗进一步改善。高能点火对扩展EGR率有一定的帮助，从而可以进一步改善油耗。

4）低速小负荷工况，在正压力控制废气旁通阀增压器的发动机上，高压中冷EGR对油耗有一定的改善，这些改善主要来自于降低泵气功的收益。

5）小负荷部分低转速工况下，冷却EGR气体的引入使得燃烧过慢，使得点火提前角变大，对A50并无过多影响。

1周龙保，刘巽俊，高宗英.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005

2魏春源，张卫正，葛蕴珊.高等内燃机学[M].北京：北京理工大学出版社，2001

3樊志卿.汽车排放法规与发动机控制技术[J].上海标准化,2002（5）：38～44

4Liu Zhimin，David Cleary.Fuel consumption evaluation of cooled external EGR for a downsized boosted SIDI DICP engine[C].SAE Paper 2014-01-1235

5Song Dongxian，Jia Ning，Guo Xiangyang.Low pressure cooled EGR for improved fuel economy on a turbocharged PFI gasoline engine[C].SAE Paper 2014-01-1240

6彭海勇.EGR对柴油机起动过程燃烧排放性能影响的研究[D].上海：上海交通大学，2010

Experimental Study of High Pressure Inter-Cooler EGR on Fuel Consumption of Direct Injection Spark Ignition Turbocharged Engine

Xu Caizhou,Liu Jie,Wang Rongji,Wang Lixin,Yin Jianmin
Pan Asia Technical Automotive Center(Shanghai,201201,China)

An experimental investigation of exhaust gas recirculation(EGR)on fuel consumption of a spark ignition direct inject turbocharged engine under low load is carried out.The results showed operation with intake valve later closure strategy is better than that with inner EGR to improve fuel consumption on this engine.In part load with low speed condition,the high pressure EGR is contributed to fuel consumption which is mainly from low pump loss,but overfull EGR gas easily causes combustion instability.Optimized VVT phases with EGR are the same as without EGR.

High pressure EGR,Pump loss,Direct injection turbocharged engine

TK464

A

2095-8234（2014）06-0013-04

2014-11-14）

徐蔡舟（1979—），男，大学本科，主要从事发动机的性能集成和开发。