王劍鋒 潘圣臨 曹亮 李曉磊 董恩肖

哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心 黑龍江省哈爾濱市 150060

1 引言

冷卻EGR技術(shù)作為改善發(fā)動機排放及油耗的主要技術(shù)之一，一直在柴油機中有廣泛應(yīng)用，隨著4階段油耗法規(guī)的發(fā)布，各車廠面對油耗的壓力紛紛對冷卻EGR技術(shù)在汽油發(fā)動機上的應(yīng)用進行研究，希望可以通過這一技術(shù)使發(fā)動機達到4階段油耗。

對于汽油增壓發(fā)動機來說，高負荷區(qū)域的油耗情況對發(fā)動機的整體油耗改善情況有很大的影響，而冷卻EGR技術(shù)對發(fā)動機高負荷油耗的貢獻情況尤為明顯，如圖1某款2.0發(fā)動機不同工況下的油耗改善情況，調(diào)查其它排量應(yīng)用冷卻EGR發(fā)動機可以發(fā)現(xiàn)，排量越小在低負荷區(qū)域降油耗的效果越明顯，根據(jù)測試結(jié)果顯示在NEDC循環(huán)發(fā)動機節(jié)油約為3%，而在中高負荷區(qū)域油耗下降幅度可以達到5%-10%。

圖1 某款2.0發(fā)動機在不同工況下對油耗的改善情況

2 冷卻EGR降油耗原理

新鮮空氣與冷卻后混合氣進入氣缸燃燒，因為廢氣的參與導(dǎo)致新鮮空氣的含量減少，氣缸的燃燒溫度有效降低，并且緩和燃燒粗暴程度，使發(fā)動機的爆震傾向得到有效抑制，爆震的有效抑制為發(fā)動機帶來的壓比更大的提升空間。從而達到改善發(fā)動機效率以及節(jié)油的目的[1]。圖2不同工況影響發(fā)動機效率因素表述了在不同工況下發(fā)動機效率提升的制約因素。

圖2 不同工況影響發(fā)動機效率因素

3 試驗驗證

3.1 試驗參數(shù)

試驗機參數(shù)見表1。

3.2 布置方案

冷卻EGR系統(tǒng)試驗搭載如圖3，低壓EGR系統(tǒng)廢氣取氣位置在增壓器后端，廢氣經(jīng)過EGR冷卻器及EGR閥后進入增壓器壓氣側(cè)入口。廢氣與新鮮空氣在壓氣機、中冷器、及進氣歧管內(nèi)進行充分混合。由于EGR廢氣的導(dǎo)入是靠排氣壓力與空氣濾后壓力差，為了保證足夠的EGR率，在空氣濾后廢氣入口前增加一截流閥，用來降低進氣端壓力。為了掌握EGR率與進排氣壓力之間的關(guān)系及對整個系統(tǒng)的監(jiān)控，在中冷器前后、EGR閥前后、空氣濾后均增加壓力及溫度測點。

表1 試驗機參數(shù)

3.3 試驗方法

本次試驗所有的測試都是在發(fā)動機暖機情況下進行的，油溫及冷卻液溫度控制90±3℃，空氣濾清器進氣溫度控制在25±2℃。試驗邊界按發(fā)動機批產(chǎn)邊界進行控制。利用排放測量儀測量出進氣中CO2 的體積（Cv.intake）比與排氣中CO2 的體積（Cv.exhasut）比，并通過公式1，計算出EGR率（rEGR）。

rEGR=Cv.intake/Cv.exhasut×100%[2]

3.4 試驗方案

為了精確控制爆震邊界，同時使用燃燒分析儀測量缸內(nèi)壓力波動、ECU反饋信號及爆震傳感器信號三種監(jiān)控手段，在不同工況下選擇了近40個點進行重新標(biāo)定，選擇最優(yōu)的EGR率及油耗情況繪制萬有特性曲線，驗證冷卻EGR對一款發(fā)動機油耗的影響，另外選取了2個特征點利用不同的分析方法對燃燒情況進行分析。

圖3 冷卻EGR系統(tǒng)試驗搭載方案

3.5 試驗結(jié)果

選擇爆震較為明顯的工況1000rpm 10bar的燃燒數(shù)據(jù)進行分析。通過燃燒測量儀對加入EGR前后發(fā)動機各缸的燃燒情況進行測量分析，圖4為各缸缸壓情況對比，表2為燃燒分析儀的測量數(shù)據(jù)對比。測量數(shù)據(jù)中的CA50為燃燒放熱量達到50%時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，該值反映了燃燒的熱效率。一般CA50在6-8之間時被認為燃燒效率最高，該值受燃燒條件及點火時刻影響較大。燃燒持續(xù)時間反應(yīng)出了可燃氣的燃燒情況，持續(xù)時間越短燃燒情況越好，爆震傾向也越明顯。缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力反應(yīng)了發(fā)動機的燃燒效率，在同一條件下，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力越大燃燒效率越高。

表2 燃燒分析儀測量數(shù)據(jù)對比

通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，受EGR的影響發(fā)動機燃燒時間變長，但由于點火角的提前的增加使CA50值向6-8靠近，同時缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力提高了約20bar，可以看出發(fā)動機的燃燒情況有了很大的改善。

為了更加清晰的驗證EGR率對發(fā)動機燃燒的影響，對3000rpm 10bar這一工況進行更加細致的試驗，在這點的試驗中，在EGR0-EGRmax中選擇了9個EGR率，通過不同EGR率與點火角、油耗、CA50、PP的關(guān)系反應(yīng)EGR率對點火時刻的影響，實驗結(jié)果如圖5。

圖4 (a) 加入冷卻EGR前燃燒情況

圖4 (b) 加入冷卻EGR后燃燒情況

圖5 各試驗參數(shù)隨EGR率變化情況EGR率（%）

從實驗結(jié)果可以看出，在EGR率小于23時，CA50、PP及油耗都是隨EGR率的增加而優(yōu)化，在EGR為23時達到最優(yōu)值。在-EGR率大于23繼續(xù)增加時，各參數(shù)均出現(xiàn)惡化，說明在EGR率達到23時，發(fā)動機點火提前角與CA50等參數(shù)均已達到最優(yōu)。產(chǎn)生這種顯現(xiàn)的原因是在點火角達到最優(yōu)值時，EGR對燃燒的影響已不能利用點火時刻的提前來補償，從而使發(fā)動機燃燒惡化。

發(fā)動機燃燒情況的改善使發(fā)動機整機性能有很大的提升，本次試驗中選取了部分特征點對油耗及排放情況進行測試并與原機進行對比，結(jié)果如下圖。從對比情況可以看出，發(fā)動機的排放有很大改善，THC和NOX排放降低近50%，同時從特征點的油耗改善情況可以看出，在低負荷區(qū)域油耗改善約為3%，中負荷區(qū)域可以達到5%，而影響中負荷區(qū)域油耗最主要的因素正是可燃氣的燃燒[3]，從另一個方面驗證了冷卻EGR技術(shù)對發(fā)動機燃燒的改善情況。

圖6 加入EGR后排放改善情況

表3 燃燒分析儀測量數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)語

從本文可以看出，由于發(fā)動機燃燒過程中加入廢氣之后，燃燒氣的燃燒速率及燃燒溫度都會降低，這會對爆震起到抑制做用，這種抑制作用為點火時刻的提前制造了空間，使缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力點可以在活塞下行初期，即CA50值在6-8范圍內(nèi)。但當(dāng)點火角提前角增加到一定值時，廢氣的加入不但不會使發(fā)動機性能有所提高，反而會抑制可燃氣的燃燒，使發(fā)動機性能下降并且油耗增加。