管登詩(shī)++張振東

摘要：在內(nèi)燃機(jī)中，廢氣殘留比例直接影響氣缸內(nèi)氣體的燃燒狀態(tài)，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排放、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)（VVT）可通過(guò)調(diào)整氣門(mén)開(kāi)閉時(shí)間實(shí)現(xiàn)氣缸內(nèi)的廢氣再循環(huán)（內(nèi)部EGR），從而控制燃燒氣體內(nèi)的廢氣比例。分析了氣門(mén)的結(jié)構(gòu)、物理過(guò)程以及氣門(mén)處的氣體流動(dòng)過(guò)程，建立了不同氣門(mén)開(kāi)閉時(shí)刻對(duì)應(yīng)的廢氣殘留比例動(dòng)態(tài)模型，并搭建仿真模型，分析各個(gè)物理參量間的關(guān)系，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的合理性。

關(guān)鍵詞：內(nèi)部EGR；VVT；發(fā)動(dòng)機(jī)；MATLAB Simulink

DOIDOI：10.11907/rjdk.161632

中圖分類(lèi)號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）009001604

基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：管登詩(shī)（1989-），男，山東德州人，上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)槠?chē)電子控制；張振東（1968-），男，山東膠州人，博士，上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槠?chē)系統(tǒng)仿真和控制技術(shù)。

1內(nèi)部EGR

在內(nèi)燃機(jī)中，參加燃燒的氣體由新進(jìn)的新鮮空氣和殘留廢氣構(gòu)成，廢氣所占比例直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。廢氣比例越高，尾氣中的NOX相對(duì)減少，經(jīng)濟(jì)性越好，但同時(shí)動(dòng)力性變差[13]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速、低負(fù)荷時(shí)，NOX排放濃度相對(duì)較低，建議不進(jìn)行EGR。隨著負(fù)荷增加，EGR的量一般情況下也相應(yīng)增加，直到達(dá)到最佳值。但是EGR的量不能超過(guò)一定限值，否則可能造成爆震[4]。因此，在對(duì)應(yīng)的工況下，選擇一個(gè)合理的廢氣比例是非常必要的。

目前，有兩種方法來(lái)調(diào)整燃燒氣體中的廢氣比例：①在尾氣歧管并列一個(gè)回流管道，分流部分廢氣，冷卻后再注入氣缸內(nèi)，即外部EGR；②通過(guò)調(diào)整氣門(mén)打開(kāi)和關(guān)閉角度來(lái)改變進(jìn)氣過(guò)程中的尾氣回流量和氣缸內(nèi)的廢氣殘留量，即內(nèi)部EGR。外部EGR在回流管道一端存在一個(gè)安全閥，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況發(fā)生改變時(shí)，安全閥的開(kāi)度發(fā)生相應(yīng)改變，從而使EGR量也發(fā)生改變，達(dá)到理想效果。與外部EGR不同，內(nèi)部EGR無(wú)需額外增加器件，只需根據(jù)工況調(diào)整進(jìn)氣和排氣時(shí)刻便可改變廢氣比例，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能。外部EGR在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，隨著可變氣門(mén)技術(shù)的日趨成熟，內(nèi)部EGR的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。天津大學(xué)在5氣門(mén)單缸汽油機(jī)上利用缸內(nèi)滾動(dòng)流體實(shí)現(xiàn)分層EGR，在兼顧動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)降低了NOx排放，為利用氣流實(shí)現(xiàn)EGR提供了一個(gè)新途徑[5]；華中科技大學(xué)進(jìn)行了內(nèi)部EGR控制HCCI燃燒的研究，結(jié)果表明負(fù)氣門(mén)重疊期的增大使發(fā)動(dòng)IMEP降低，但可以降低NOx排放[6]；G Fontana等[7]在部分負(fù)荷工況下，通過(guò)控制VVT 實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部EGR和逆米勒循環(huán)，增大了節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，降低了泵氣功損失，改善了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。

本文旨在建立不同氣門(mén)開(kāi)閉時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的廢氣殘留比例動(dòng)態(tài)模型，得到內(nèi)部EGR與進(jìn)氣提前角和排氣遲后角之間的關(guān)系。研究的實(shí)用性在于當(dāng)汽車(chē)工況發(fā)生改變時(shí)，所需的內(nèi)部EGR同樣發(fā)生改變，這時(shí)ECU通過(guò)當(dāng)下工況計(jì)算出此時(shí)所需的EGR量，由于已得出內(nèi)部EGR與氣門(mén)開(kāi)閉時(shí)刻之間的關(guān)系，便可在第一時(shí)間找到合適的配氣相位，對(duì)內(nèi)部EGR作出適當(dāng)調(diào)整。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及總結(jié)

在現(xiàn)實(shí)生活中，由于流量的動(dòng)態(tài)復(fù)雜性，回流量是不可測(cè)的。本文通過(guò)間接測(cè)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，即用空氣流量計(jì)測(cè)量出新鮮空氣進(jìn)入量，則可以反映出缸內(nèi)廢氣殘余量。采用容量為2L的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，在進(jìn)氣歧管處采用空氣流量計(jì)，計(jì)算進(jìn)入氣缸的實(shí)際新鮮空氣量，并與建模中的新鮮空氣量進(jìn)行對(duì)比。如圖9所示，可以看出兩者雖存在細(xì)微差距，但是基本上吻合。因此，模型的合理性得到了驗(yàn)證。

如今EGR技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)作為一項(xiàng)成熟技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)上。由于EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響較為復(fù)雜，相關(guān)技術(shù)仍在進(jìn)一步完善中。下一步研究方向在于EGR系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化匹配以及如何在保證動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，精確控制EGR率，以進(jìn)一步降低NOx的排放。

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