小排量汽油机的低压废气再循环系统

【德】 T．REIMERS H．PAFFRATH C．VIGILD A．KUSKE

1 初始状况

随着欧6d－TEMP废气排放标准的实施，实际行驶运行中有害物排放成为了法规关注的焦点。虽然内燃机小型化（即在不降低发动机功率的情况下，缩小发动机排量和增加燃烧压力）有助于降低轿车燃油耗，以满足未来的CO2排放的目标，但是在高负荷情况下提高燃烧的压力和温度水平对汽油机提出了新的挑战，因为这样有可能会增大爆燃现象和增加氮氧化物（NOx）原始排放的风险，同时为了保护零部件因而必须限制废气温度。通过加浓混合气，情况可以得到改善，但也会导致发动机燃油耗增加。

相比之下，采用低压废气再循环系统（EGR）可以同时降低发动机燃油耗和原始排放，这主要是因为降低了燃烧压力和燃烧温度，同时也降低了废气温度。除此之外，在低负荷范围内通过消除节流还能降低CO2排放。

2 低压EGR的实施和发动机控制

在整个试验研究项目中，Pierburg公司与Ford公司的亚琛研究及创新中心将1台量产的1．0L缸内直喷式汽油机（表1）增加低压EGR管路后用于发动机试验台（图1）的试验。

EGR是从三元催化转化器下游的汽油机颗粒捕集器后提取废气的。在废气温度较低时为了更好运行，集成在EGR管路中的EGR冷却器使用1个可开关的旁通道，在循环废气直接被导入新鲜空气之后，进入压气机。

为了调节进气管中的惰性气体含量FMan（也被称为EGR率），应用了1个组合阀。惰性气体含量定义为

表1 试验研究用发动机技术规格

图1 发动机试验台系统布置图

式中：MGas，verbrannt代表再循环废气质量，MGas，gesamt代表进气气体总质量，变量O2是进气气体中的氧分数，O2，trockeneLuft为干燥空气的氧分数。

采用这种组合结构型式的阀仅用1个调节器就能同时调节EGR管的自由流动横截面和EGR管路的压比，为此在1根轴上配置了2个调节阀板。图2示出了在进气总质量流量保持恒定不变的情况下，组合阀分质量流量分配与阀板开度的相互关系。在阀板开度较小时，通过EGR小阀板的开度就能有效地控制EGR质量流量，而不会节流新鲜空气流（开度A）。如果产生的压力降不足以调节到所必需的EGR率的话，那么就开大阀板（开度B），这样就能节流新鲜空气管路，于是就能达到所需的EGR率，因此无需使用2个独立的调节器，这样就能获得较低的成本和质量，而且用于调节EGR的调节器和位置传感器仅需1个调节回路。

图2 组合阀功能

与采用2个调节器的传统系统相比，这种系统配置丧失了调节自由度，如无法在废气系统中压力产生波动等影响因素出现时作出响应并加以调整，而处理和分析这些影响因素的自由度则是接下来的工作重点。

在靠近发动机一侧EGR管路集成了1个带有单独节流阀的增压空气冷却器旁通道，这样就能通过对增压空气冷却器和旁通道管路的连续分配在一定限度范围内调节进气空气温度，从而在低负荷范围内降低进气空气密度，进一步消除发动机节流。由于旁通管路横截面较小，绕过增压空气冷却器的运行范围有限。为了调节废气背压，在串联于末端消声器后的废气管路中设置了1个废气调节阀，可用于研究系统对废气压力波动的敏感性，因此除了控制干预点火时刻、进排气凸轮位置、FMan水平和进气管气体温度之外，系统总共有5个控制变量和1个控制干扰变量。

发动机运行调节被分成3个电控单元，它们能借助于CAN总线彼此相互通信。试验台调节除了负荷和转速调节之外还承担规定变化参数的额定值，并将其传输到发动机电控单元。发动机电控单元根据量产用途以预先给定的数据工作，如EGR阀、增压空气冷却器旁通阀和废气阀等非量产部件由1个实时模拟系统控制。

6种自由度的影响很难通过发动机试验台上应用常规的特性曲线场进行分析，因此将采用试验设计（DoE）方法来进行试验研究。

3 试验设计方法

图3用蓝色圆圈表示发动机最初的403个运行工况点，以这些点为基础来识别系统性能的改善或者恶化。红色圆点表示特性曲线场中的DoE测量点。项目中进行了超过12 000次测量，灰色点就代表用于模拟的转速－负荷轨迹。行驶循环采用约130km／h的最高车速行驶状况，在这里仅示出了这些行驶循环的动态模拟结果。这种方法适用于各种行驶循环，覆盖了整个发动机特性曲线场。

图3 发动机基本运行工况点和DoE点

研究的重点在于采用低压EGR改善CO2排放。在发动机扭矩60N·m的负荷范围内，仅通过匹配气门配气定时就能达到相应的优化，基于这个原因该负荷范围对转速和负荷变动的优化就不如发动机扭矩60 N·m以上的负荷范围那样密集。如果能不改变配气定时的话，那么在该负荷范围内EGR降低CO2，形成的DoE数据云，不仅能在数据上对FMan、配气定时和点火时刻进行优化调整，而且还能检验如燃油耗、燃烧噪声和燃烧稳定性以及抗爆燃特性等关键参数对公差容许误差的敏感性，这将在后文针对负荷工况点予以说明。

FMan算法的目标是要查明在实际水平±5%内的瞬态工况下进气歧管中的已燃气体质量份额。EGR控制系统和模型系统共同使用FMan传感器，在稳态条件下应使已燃气体质量份额保持在目标值的±2%以内。

4 试验结果

图4示出了发动机转速2 500r／min和平均有效压力1．4MPa运行工况点的绝热EGR误差试验的结果。FMan沿着横坐标每次变化2．5%，对于这些工况点中每个应用最佳调节的凸轮位置和点火角，而不用考虑所有误差对控制器的影响，并且尾管节流阀之前的废气背压保持在0．02MPa恒定不变。图4（a）示出了真实FMan值。

图4（b）示出了比燃油耗，直至FMan约12．5%的低压EGR都改善了比燃油耗，在低于20%的最大FMan界限以下比燃油耗水平相对保持不变。EGR误差±2%的曲线表明比燃油耗对于这样大小的变化并不敏感，同样直至12．5%FMan水平时，比燃油耗曲线的误差约±5%，可以认为这是瞬间状况。如与期望值有一定差异，但其误差还是可以接受的。如果所预期的FMan超过实际的FMan的话，那么敏感性就会显著增加。

图4（c）以EGR额定值的函数示出了所有气缸平均的最大气缸压力梯度。在本文中这代表了燃烧噪声，按期望EGR额定值随着FMan的增加而降低。除此之外，低估或高估FMan会导致比名义值更低或更高的噪声水平。

图4（d）示出了燃烧稳定性，证实了随着FMan增大燃烧稳定性会逐步增加。如果高估FMan会加剧噪声水平，但在试验转速2 500r／min和平均有效压力1．4 MPa运行工况点的总偏差仍较低。

在进行一般性误差分析之前，有必要对点火时刻和原始废气NOx浓度的特性进行试验研究。图5作为EGR率的函数图，示出了预测的进排气相位、点火角和NOx原始排放的最佳时间点。

图4 转速2 500r／min和平均有效压力1．4MPa运行工况点的误差分析

图5 转速2 500r／min和平均有效压力1．4MPa运行工况点EGR率对配气相位、点火时刻和NOx浓度的影响

从转速2 500r／min和平均有效压力1．4MPa运行工况点开始，随着外部EGR率FMan的提高，缸内的残余气体将被导入低压EGR，在进气凸轮轴打开进气门向上止点方向移动时，排气凸轮轴的相位仍保持在上止点后约10°CA不变，以致于FMan水平超过7．5%时有效气门重叠角减小到小于15°CA，这对NOx原始排放的影响是显而易见的。当FMan被调节到17．5%时最初的NOx浓度减少2／3，为了能以这样的FMan水平运行，点火时刻就必须从无EGR时的上止点前9°CA提前到上止点前约21°CA。如果应以显著的FMan运行的话，就不仅需要控制凸轮轴相位，并且要将点火时刻与实际EGR率联系起来，尤其是考虑到可能发生FMan水平突然降低或升高的短暂情况。在平均有效压力1．4MPa时，如果FMan突然大幅度降低，而点火时刻不马上调晚的话，仅是将点火角提前12°CA，通常会导致严重的发动机爆燃现象。另一方面，如果FMan突然升高，而点火时刻不提早的话，那么会导致着火中断。当然，可以借助爆燃传感器或气缸压力测量进行燃烧补偿，但无法根据进气时混合气成分的变化进行快速响应。因此，采取合适的控制策略才能充分挖掘其全部潜力。

为了生成最佳额定值和进行稳态误差分析利用了DoE数据，以DoE为基础还能扩展用来检验从稳态运行转换到瞬态运行时所采取的各种假设。

众所周知，内燃机运行实际上是一个不连续的过程，也就是说内燃机的工作过程是由气体成分和每个气缸状态决定的，可近似地用以下代数方程式来表示：式中：N为发动机转速；Mfuel为喷入的燃油质量；Fman为惰性气体含量；θVCT，In和θVCT，Exh为进排气凸轮相位；θSpark为点火时刻；Xp，Eng为排气歧管对进气管的压比。

设计方法与燃油控制引导燃烧（CLFC）方法［1］相同，这种方法能用于采用稳态假设来研究瞬态过程。

5 模拟配置

图6示出了用于瞬态行驶循环分析的模拟设置。首先根据所要求的负荷工况点为FMan和凸轮轴相位查明最佳额定值，然后再为点火时刻查明最佳额定值。每个用于稳态数据分析的额定值都被综合在稳态点火时刻和稳态配气定时之中，FMan额定值用于生成稳态和瞬态数据，而配气定时额定值最后仅用于生成瞬态数据。以稳态数据为基础生成额定值的CLFC方法，根据动态能力产生不同的系统状态，因此点火时刻不仅与转速和所期望的扭矩有关，而且也与真实的凸轮位置和当前的FMan水平有关，因为点火调节是设置中反映最快的控制系统，因而点火时刻能在燃烧循环中进行调节。凸轮轴相位调节器能跟随燃烧循环迅速地预定气门配气定时的位置。EGR系统的调节是最慢的，并呈现出强烈的非线性特性。

图6 模拟设置

DoE数据通过公司内部工具原始数据MAP图被装载到模拟过程中，这种工具为N维度输入参数生成M 维度原始矩阵，这就是说，每个工作循环的所有重要的发动机信号都要可预测地进行计算，当然数据都必须包含在DoE数据库中，并覆盖输入数据。

6 燃油耗分析结果

图7示出了转速－负荷集群的燃油耗分析结果，低压EGR的影响不仅在稳态而且在动态模拟环境中进行研究。图7（a）示出了累积标准燃油质量流量，而图7（b）示出了低压EGR的动态FMan水平。从图7可以看出，在稳态和动态2种模式中测得的燃油耗之间几乎并无差异，基本稳态和基本动态与使用EGR的2条曲线几乎完全重合，这显然说明与理想的稳态状态相比，在动态模拟中的动态调节过程考察丝毫没有呈现出在燃油耗方面的缺陷；在第二个循环部分中，较多的已燃废气量进入再循环，因而使用EGR情况下累积约3%的燃油耗优势，因此使用EGR再加上合适的调节策略，在动态运行中也能获得稳定的燃油耗优势。最后还需说明的是，在所进行的试验研究情况下，空气管路中动态过程的影响（调节气门配气定时和EGR调节对象）导致了稳态与动态分析之间存在较小差异，但是这些燃油质量流量曲线在很大程度上是重合的。如果

图7 以DoE为基础的行驶循环模拟

行驶循环需要显示出发动机运行动态，那么就能显著地消除偏差。

7 结论

废气排放法规不断加严，内燃机必须进行全面的匹配调整。本文凭借DoE方法表明，在汽油机上低压EGR不仅能降低燃油耗，而且也能降低NOx排放；与传统的采用2个调节器的系统配置相比，使用组合阀调节EGR丝毫不存在缺陷。同时，本文还介绍了模拟配置，用于考察内燃机调节系统的动态过程，所获得的模拟结果显示出了行驶循环燃油耗得到显著降低。