冷却EGR技术对汽油发动机点火控制的影响

王剑锋 潘圣临 曹亮 李晓磊 董恩肖

哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心 黑龙江省哈尔滨市 150060

1 引言

冷却EGR技术作为改善发动机排放及油耗的主要技术之一，一直在柴油机中有广泛应用，随着4阶段油耗法规的发布，各车厂面对油耗的压力纷纷对冷却EGR技术在汽油发动机上的应用进行研究，希望可以通过这一技术使发动机达到4阶段油耗。

对于汽油增压发动机来说，高负荷区域的油耗情况对发动机的整体油耗改善情况有很大的影响，而冷却EGR技术对发动机高负荷油耗的贡献情况尤为明显，如图1某款2.0发动机不同工况下的油耗改善情况，调查其它排量应用冷却EGR发动机可以发现，排量越小在低负荷区域降油耗的效果越明显，根据测试结果显示在NEDC循环发动机节油约为3%，而在中高负荷区域油耗下降幅度可以达到5%-10%。

图1 某款2.0发动机在不同工况下对油耗的改善情况

2 冷却EGR降油耗原理

新鲜空气与冷却后混合气进入气缸燃烧，因为废气的参与导致新鲜空气的含量减少，气缸的燃烧温度有效降低，并且缓和燃烧粗暴程度，使发动机的爆震倾向得到有效抑制，爆震的有效抑制为发动机带来的压比更大的提升空间。从而达到改善发动机效率以及节油的目的[1]。图2不同工况影响发动机效率因素表述了在不同工况下发动机效率提升的制约因素。

图2 不同工况影响发动机效率因素

3 试验验证

3.1 试验参数

试验机参数见表1。

3.2 布置方案

冷却EGR系统试验搭载如图3，低压EGR系统废气取气位置在增压器后端，废气经过EGR冷却器及EGR阀后进入增压器压气侧入口。废气与新鲜空气在压气机、中冷器、及进气歧管内进行充分混合。由于EGR废气的导入是靠排气压力与空气滤后压力差，为了保证足够的EGR率，在空气滤后废气入口前增加一截流阀，用来降低进气端压力。为了掌握EGR率与进排气压力之间的关系及对整个系统的监控，在中冷器前后、EGR阀前后、空气滤后均增加压力及温度测点。

表1 试验机参数

3.3 试验方法

本次试验所有的测试都是在发动机暖机情况下进行的，油温及冷却液温度控制90±3℃，空气滤清器进气温度控制在25±2℃。试验边界按发动机批产边界进行控制。利用排放测量仪测量出进气中CO2 的体积（Cv.intake）比与排气中CO2 的体积（Cv.exhasut）比，并通过公式1，计算出EGR率（rEGR）。

rEGR=Cv.intake/Cv.exhasut×100%[2]

3.4 试验方案

为了精确控制爆震边界，同时使用燃烧分析仪测量缸内压力波动、ECU反馈信号及爆震传感器信号三种监控手段，在不同工况下选择了近40个点进行重新标定，选择最优的EGR率及油耗情况绘制万有特性曲线，验证冷却EGR对一款发动机油耗的影响，另外选取了2个特征点利用不同的分析方法对燃烧情况进行分析。

图3 冷却EGR系统试验搭载方案

3.5 试验结果

选择爆震较为明显的工况1000rpm 10bar的燃烧数据进行分析。通过燃烧测量仪对加入EGR前后发动机各缸的燃烧情况进行测量分析，图4为各缸缸压情况对比，表2为燃烧分析仪的测量数据对比。测量数据中的CA50为燃烧放热量达到50%时所对应的曲轴转角，该值反映了燃烧的热效率。一般CA50在6-8之间时被认为燃烧效率最高，该值受燃烧条件及点火时刻影响较大。燃烧持续时间反应出了可燃气的燃烧情况，持续时间越短燃烧情况越好，爆震倾向也越明显。缸内最大爆发压力反应了发动机的燃烧效率，在同一条件下，缸内最大爆发压力越大燃烧效率越高。

表2 燃烧分析仪测量数据对比

通过试验数据可以看出，受EGR的影响发动机燃烧时间变长，但由于点火角的提前的增加使CA50值向6-8靠近，同时缸内最大爆发压力提高了约20bar，可以看出发动机的燃烧情况有了很大的改善。

为了更加清晰的验证EGR率对发动机燃烧的影响，对3000rpm 10bar这一工况进行更加细致的试验，在这点的试验中，在EGR0-EGRmax中选择了9个EGR率，通过不同EGR率与点火角、油耗、CA50、PP的关系反应EGR率对点火时刻的影响，实验结果如图5。

图4 (a) 加入冷却EGR前燃烧情况

图4 (b) 加入冷却EGR后燃烧情况

图5 各试验参数随EGR率变化情况EGR率（%）

从实验结果可以看出，在EGR率小于23时，CA50、PP及油耗都是随EGR率的增加而优化，在EGR为23时达到最优值。在-EGR率大于23继续增加时，各参数均出现恶化，说明在EGR率达到23时，发动机点火提前角与CA50等参数均已达到最优。产生这种显现的原因是在点火角达到最优值时，EGR对燃烧的影响已不能利用点火时刻的提前来补偿，从而使发动机燃烧恶化。

发动机燃烧情况的改善使发动机整机性能有很大的提升，本次试验中选取了部分特征点对油耗及排放情况进行测试并与原机进行对比，结果如下图。从对比情况可以看出，发动机的排放有很大改善，THC和NOX排放降低近50%，同时从特征点的油耗改善情况可以看出，在低负荷区域油耗改善约为3%，中负荷区域可以达到5%，而影响中负荷区域油耗最主要的因素正是可燃气的燃烧[3]，从另一个方面验证了冷却EGR技术对发动机燃烧的改善情况。

图6 加入EGR后排放改善情况

表3 燃烧分析仪测量数据对比

4 结语

从本文可以看出，由于发动机燃烧过程中加入废气之后，燃烧气的燃烧速率及燃烧温度都会降低，这会对爆震起到抑制做用，这种抑制作用为点火时刻的提前制造了空间，使缸内最大爆发压力点可以在活塞下行初期，即CA50值在6-8范围内。但当点火角提前角增加到一定值时，废气的加入不但不会使发动机性能有所提高，反而会抑制可燃气的燃烧，使发动机性能下降并且油耗增加。