高低压冷却EGR对增压发动机影响研究

张法，曹亮，曹权佐，胡志刚，张霖

高低压冷却EGR对增压发动机影响研究

张法，曹亮，曹权佐，胡志刚，张霖

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

为适应高效发动机的需要，以一台1.5 L涡轮增压气道喷射发动机为研究对象，对高低压冷却EGR系统对发动机的影响进行测试，通过在同一台发动机上匹配高低压冷却EGR系统，测试相同特征工况下发动机的燃油消耗率及其他参数。研究表明，低压冷却EGR较高压冷却EGR有更好的节油效果，更适合涡轮增压发动机的应用。

高低压冷却EGR；涡轮增压；EGR率；燃油消耗率

引言

随着世界经济及汽车工业快速发展，乘用车保有量持续攀升，车辆在改善人们生活便捷的同时，也带来了能源消耗和环境污染的问题，各国纷纷加快乘用车燃油消耗量限值和污染物排放限值法规升级进行应对，随着油耗法规的日益严格，乘用车汽油发动机面临前所未有的挑战，技术升级刻不容缓。

根据相关研究表明，冷却EGR系统可有效降低汽油发动机缸内混合气燃烧温度，改善燃烧，从而抑制发动机爆震，提前燃烧点火角，提高燃烧效率，同时解决发动机高负荷工况下因排气温度过高而采取喷油加浓策略，从而降低发动机燃油消耗率[1]。

本文主要通过在某款小型缸内直喷汽油发动机上匹配高/低冷却EGR系统，研究其对发动机燃油消耗的改善效果及发动机燃烧过程的影响，为汽油发动机技术升级提供借鉴。

1 冷却EGR布置形式及试验工况

1.1 发动机主要技术参数

本文涉及试验用发动机为一款成熟批产产品，已搭载多款国六车型，表1为发动机主要参数。

1.2 高低压冷却EGR布置

首先对试验用基础发动机进行改制，低压冷却EGR系统改制布置示意图如图1所示，低压EGR系统从一级催化器后取EGR气体，EGR气体经冷却后进入增压器压端入口前（空滤后），与新鲜空气混合后，经过中冷器冷却后，进入进气歧管最终进入发动机缸内。

表1 发动机主要参数

参数名称数值 排量/L1.5 气缸数/个4 缸径×冲程/（mm×mm）75.5×82 压缩比10 喷油形式气道喷射 进气形式废气涡轮增压 燃油牌号（RON）国六 RON 92# 最低燃油消耗率/ （g/kW•h）245

图1 低压冷却EGR系统布置示意图

高压冷却EGR系统改制布置示意图如图2所示，高压EGR系统从排气歧管出口（增压器涡端入口）取EGR气体，EGR气体经冷却后直接进入进气歧管稳压腔（发动机节气门体后），最终进入发动机缸内。

图2 高压冷却EGR系统布置示意图

1.3 试验工况及测试方法

试验用发动机连接燃烧分析仪和排放测量设备，试验过程中保证发动机运行条件及边界条件稳定，固定喷油正时相位，通过调整点火提前角调节燃烧重心（AI50），使其尽可能到压缩上止点后8°左右，否则将其标定至爆震边界。发动机平均有效压力的循环变动系数（COV）不超过3%[2]。

为研究高低压冷却EGR系统对发动机平均有效燃油消耗率改善效果的差异，根据基础发动机试验结果，选取6个特征工况点及低速外特性区域进行研究，如表2所示。

表2 试验测试特征点

转速/rpm扭矩/Nm 2 000120、140、160 2 400140、150、160 1 200、1 600、1 750外特性

基于试验发动机固化标定参数，通过调节EGR阀逐步增加外部EGR率，找到各特征点下的最低燃油消耗率，采集试验数据。EGR率计算公式如下[3]：

式中：CO2in为进气与废气混合后气体中CO2的体积分数；CO2ex为废气中CO2的体积分数；CO2air为新鲜空气中CO2的体积分数。

2 试验结果及分析

2.1 部分负荷油消耗率对比

图3、图4为2 000 rpm及2 400 rpm部分负荷下发动机燃油消耗率对比图，如图所示，在特征点上低压EGR的燃油消耗率明显低于高压EGR，低压EGR最低燃油消耗率为222 g/kW·h，而高压EGR最低燃油消耗率为229 g/kW·h。

图3 2 000 rpm部分负荷燃油消耗率对比

图4 2 400 rpm部分负荷燃油消耗率对比

图5为2 000 rpm及2 400 rpm部分负荷下发动机最优EGR率对比图，如图所示，低压EGR的EGR率明显高于高压EGR，且低压EGR系统通过节流阀的控制可以继续增大EGR率，但高压EGR系统中由于进气歧管内与涡前压差较小，EGR率无法进一步提高，因此节油效果较低压EGR差距较大。

图5 部分负荷最优EGR率对比

2.2 部分符合发动机参数对比

图6、图7为特征工况下发动机进气温度及进气量的对比。通过对比可发现由于高低压EGR布置结构差异，高压EGR中的废气未经过中冷器的冷却直接进入进气歧管，因此低压EGR进气温度明显低于高压EGR。由于进气温度过高，在同等试验条件下，进入到气缸内的进气量更低，同时过高的进气温度也会导致发动机燃烧劣化，爆震倾向更加明显[3-4]，从而导致发动机点火角退角，如图8部分负荷点火角对比所示。

图6 部分负荷进气温度对比

图7 部分负荷进气量对比

图8 部分负荷点火角对比

2.3 全负荷外特性对比

图9为高低压EGR在1 200 rpm、1 600 rpm、1 750 rpm转速下外特性表现，如图所示，在1 200 rpm、1 600 rpm两个转速下低压冷却EGR能够提高发动机外特性，但在1 750 rpm后，引入过大的EGR率发动机扭矩会有所降低，影响发动机外特性扭矩提高。

图9 低转速下外特性对比

图10为高压EGR系统内气路的压力对比，如图所示在低速全负荷工况下，EGR阀出气口（进气歧管）的压力大于进气口（涡前）压力，从而出现废气无法导入的状况，由此可见高压EGR在增压机型的部分工况中是无法使用的，而低压EGR系统无该问题。

图10 高压EGR系统气路压力

4 总结

本次研究表明，采用冷却EGR系统可以有效改善发动机燃烧过程，提高发动机燃烧效率，从而大幅降低发动机平均有效燃油消耗率。

根据选定的特征工况点试验结果显示，平均有效燃油消耗率平均降低幅度在7%，最大降低幅度达到9%左右。

对比高低压冷却EGR系统在发动机外特性及特征点油耗及相关参数，结论如下：

（1）在部分负荷下，高低压冷却EGR系统对降低发动机燃油消耗率均有一定贡献，且低压冷却EGR效果更加明显。

（2）由于高压冷却EGR系统的布置原因，高压EGR入口和出口的压差过小，因此无法进一步提高EGR率；同时由于高压EGR直接进入进气歧管稳压腔内，导致进气温度提高，不利于控制发动机爆震。

（3）在低速外特性下，低压冷却EGR系统在一定程度上能够提高发动机性能，但超过一定转速后增大EGR率会使得进入气缸的新鲜空气量减少，导致性能降低。

综上，在涡轮增压发动机上更适合采用低压冷却EGR系统，可作为后续发动机热效率升级的重要手段之一。

[1] 贾宁,高定伟,郭向阳,等. EGR对增压进气道喷射汽油机的影响研究[J].内燃机工程,2016,37(2):43-47.

[2] 张鹏,曹思雨,郑洪磊,等.低压冷却EGR系统对汽油发动机燃油经济性[J].小型内燃机与车辆技术,2019,48(6):6-9.

[3] 余光耀,李岩,曹春晖,等.低压废气再循环(LP_EGR)在汽油机上的应用[J].汽车科技,2019(2):54-60.

[4] 吉田慎一郎,依藤行伸,平井直树,等.低压冷却EGR系统在小型增压式汽油机上的应用[J].国外内燃机,2017(2):49-53.

Research on the Influence of High and Low Pressure Cooling EGR on the Turbocharged Engine

ZHANG Fa, CAO Liang, CAO Quanzuo, HU Zhigang, ZHANG Lin

（Center of Technology, Harbin Dongan Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd., Heilongjiang Harbin 150060）

To suit the requirements of the high-efficiency engines, taking one 1.5 L PFI engine as the research object,the influence of the high and low pressure cooling EGR system on the engine was tested. By matching the HP/LP cooling EGR system on the same engine, the fuel consumption rate and other parameters of the engine under the same characteristic working conditions were tested. The research shows that the LP cooling EGR has better fuel saving effect than the HP cooling EGR, and is more suitable for the application of turbocharged engines.

HP cooler EGR and LP cooler EGR; Turbocharger; EGR rate; Brake specific fuel consumption

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.037

U464

A

1671-7988(2021)21-142-04

U464

A

1671-7988(2021)21-142-04

张法（1987—），男，工程师，学历硕士，就职于哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，研究方向：发动机整机开发。