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

1 初始狀況

隨著歐6d－TEMP廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，實(shí)際行駛運(yùn)行中有害物排放成為了法規(guī)關(guān)注的焦點(diǎn)。雖然內(nèi)燃機(jī)小型化（即在不降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率的情況下，縮小發(fā)動(dòng)機(jī)排量和增加燃燒壓力）有助于降低轎車燃油耗，以滿足未來(lái)的CO2排放的目標(biāo)，但是在高負(fù)荷情況下提高燃燒的壓力和溫度水平對(duì)汽油機(jī)提出了新的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@樣有可能會(huì)增大爆燃現(xiàn)象和增加氮氧化物（NOx）原始排放的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為了保護(hù)零部件因而必須限制廢氣溫度。通過(guò)加濃混合氣，情況可以得到改善，但也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗增加。

相比之下，采用低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）可以同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗和原始排放，這主要是因?yàn)榻档土巳紵龎毫腿紵郎囟?，同時(shí)也降低了廢氣溫度。除此之外，在低負(fù)荷范圍內(nèi)通過(guò)消除節(jié)流還能降低CO2排放。

2 低壓EGR的實(shí)施和發(fā)動(dòng)機(jī)控制

在整個(gè)試驗(yàn)研究項(xiàng)目中，Pierburg公司與Ford公司的亞琛研究及創(chuàng)新中心將1臺(tái)量產(chǎn)的1．0L缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)（表1）增加低壓EGR管路后用于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)（圖1）的試驗(yàn)。

EGR是從三元催化轉(zhuǎn)化器下游的汽油機(jī)顆粒捕集器后提取廢氣的。在廢氣溫度較低時(shí)為了更好運(yùn)行，集成在EGR管路中的EGR冷卻器使用1個(gè)可開關(guān)的旁通道，在循環(huán)廢氣直接被導(dǎo)入新鮮空氣之后，進(jìn)入壓氣機(jī)。

為了調(diào)節(jié)進(jìn)氣管中的惰性氣體含量FMan（也被稱為EGR率），應(yīng)用了1個(gè)組合閥。惰性氣體含量定義為

表1 試驗(yàn)研究用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)布置圖

式中：MGas，verbrannt代表再循環(huán)廢氣質(zhì)量，MGas，gesamt代表進(jìn)氣氣體總質(zhì)量，變量O2是進(jìn)氣氣體中的氧分?jǐn)?shù)，O2，trockeneLuft為干燥空氣的氧分?jǐn)?shù)。

采用這種組合結(jié)構(gòu)型式的閥僅用1個(gè)調(diào)節(jié)器就能同時(shí)調(diào)節(jié)EGR管的自由流動(dòng)橫截面和EGR管路的壓比，為此在1根軸上配置了2個(gè)調(diào)節(jié)閥板。圖2示出了在進(jìn)氣總質(zhì)量流量保持恒定不變的情況下，組合閥分質(zhì)量流量分配與閥板開度的相互關(guān)系。在閥板開度較小時(shí)，通過(guò)EGR小閥板的開度就能有效地控制EGR質(zhì)量流量，而不會(huì)節(jié)流新鮮空氣流（開度A）。如果產(chǎn)生的壓力降不足以調(diào)節(jié)到所必需的EGR率的話，那么就開大閥板（開度B），這樣就能節(jié)流新鮮空氣管路，于是就能達(dá)到所需的EGR率，因此無(wú)需使用2個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器，這樣就能獲得較低的成本和質(zhì)量，而且用于調(diào)節(jié)EGR的調(diào)節(jié)器和位置傳感器僅需1個(gè)調(diào)節(jié)回路。

圖2 組合閥功能

與采用2個(gè)調(diào)節(jié)器的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)配置喪失了調(diào)節(jié)自由度，如無(wú)法在廢氣系統(tǒng)中壓力產(chǎn)生波動(dòng)等影響因素出現(xiàn)時(shí)作出響應(yīng)并加以調(diào)整，而處理和分析這些影響因素的自由度則是接下來(lái)的工作重點(diǎn)。

在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)EGR管路集成了1個(gè)帶有單獨(dú)節(jié)流閥的增壓空氣冷卻器旁通道，這樣就能通過(guò)對(duì)增壓空氣冷卻器和旁通道管路的連續(xù)分配在一定限度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)進(jìn)氣空氣溫度，從而在低負(fù)荷范圍內(nèi)降低進(jìn)氣空氣密度，進(jìn)一步消除發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流。由于旁通管路橫截面較小，繞過(guò)增壓空氣冷卻器的運(yùn)行范圍有限。為了調(diào)節(jié)廢氣背壓，在串聯(lián)于末端消聲器后的廢氣管路中設(shè)置了1個(gè)廢氣調(diào)節(jié)閥，可用于研究系統(tǒng)對(duì)廢氣壓力波動(dòng)的敏感性，因此除了控制干預(yù)點(diǎn)火時(shí)刻、進(jìn)排氣凸輪位置、FMan水平和進(jìn)氣管氣體溫度之外，系統(tǒng)總共有5個(gè)控制變量和1個(gè)控制干擾變量。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行調(diào)節(jié)被分成3個(gè)電控單元，它們能借助于CAN總線彼此相互通信。試驗(yàn)臺(tái)調(diào)節(jié)除了負(fù)荷和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)之外還承擔(dān)規(guī)定變化參數(shù)的額定值，并將其傳輸?shù)桨l(fā)動(dòng)機(jī)電控單元。發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元根據(jù)量產(chǎn)用途以預(yù)先給定的數(shù)據(jù)工作，如EGR閥、增壓空氣冷卻器旁通閥和廢氣閥等非量產(chǎn)部件由1個(gè)實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)控制。

6種自由度的影響很難通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上應(yīng)用常規(guī)的特性曲線場(chǎng)進(jìn)行分析，因此將采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）方法來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

圖3用藍(lán)色圓圈表示發(fā)動(dòng)機(jī)最初的403個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)，以這些點(diǎn)為基礎(chǔ)來(lái)識(shí)別系統(tǒng)性能的改善或者惡化。紅色圓點(diǎn)表示特性曲線場(chǎng)中的DoE測(cè)量點(diǎn)。項(xiàng)目中進(jìn)行了超過(guò)12 000次測(cè)量，灰色點(diǎn)就代表用于模擬的轉(zhuǎn)速－負(fù)荷軌跡。行駛循環(huán)采用約130km／h的最高車速行駛狀況，在這里僅示出了這些行駛循環(huán)的動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果。這種方法適用于各種行駛循環(huán)，覆蓋了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)基本運(yùn)行工況點(diǎn)和DoE點(diǎn)

研究的重點(diǎn)在于采用低壓EGR改善CO2排放。在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩60N·m的負(fù)荷范圍內(nèi)，僅通過(guò)匹配氣門配氣定時(shí)就能達(dá)到相應(yīng)的優(yōu)化，基于這個(gè)原因該負(fù)荷范圍對(duì)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變動(dòng)的優(yōu)化就不如發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩60 N·m以上的負(fù)荷范圍那樣密集。如果能不改變配氣定時(shí)的話，那么在該負(fù)荷范圍內(nèi)EGR降低CO2，形成的DoE數(shù)據(jù)云，不僅能在數(shù)據(jù)上對(duì)FMan、配氣定時(shí)和點(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，而且還能檢驗(yàn)如燃油耗、燃燒噪聲和燃燒穩(wěn)定性以及抗爆燃特性等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)公差容許誤差的敏感性，這將在后文針對(duì)負(fù)荷工況點(diǎn)予以說(shuō)明。

FMan算法的目標(biāo)是要查明在實(shí)際水平±5%內(nèi)的瞬態(tài)工況下進(jìn)氣歧管中的已燃?xì)怏w質(zhì)量份額。EGR控制系統(tǒng)和模型系統(tǒng)共同使用FMan傳感器，在穩(wěn)態(tài)條件下應(yīng)使已燃?xì)怏w質(zhì)量份額保持在目標(biāo)值的±2%以內(nèi)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖4示出了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500r／min和平均有效壓力1．4MPa運(yùn)行工況點(diǎn)的絕熱EGR誤差試驗(yàn)的結(jié)果。FMan沿著橫坐標(biāo)每次變化2．5%，對(duì)于這些工況點(diǎn)中每個(gè)應(yīng)用最佳調(diào)節(jié)的凸輪位置和點(diǎn)火角，而不用考慮所有誤差對(duì)控制器的影響，并且尾管節(jié)流閥之前的廢氣背壓保持在0．02MPa恒定不變。圖4（a）示出了真實(shí)FMan值。

圖4（b）示出了比燃油耗，直至FMan約12．5%的低壓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對(duì)保持不變。EGR誤差±2%的曲線表明比燃油耗對(duì)于這樣大小的變化并不敏感，同樣直至12．5%FMan水平時(shí)，比燃油耗曲線的誤差約±5%，可以認(rèn)為這是瞬間狀況。如與期望值有一定差異，但其誤差還是可以接受的。如果所預(yù)期的FMan超過(guò)實(shí)際的FMan的話，那么敏感性就會(huì)顯著增加。

圖4（c）以EGR額定值的函數(shù)示出了所有氣缸平均的最大氣缸壓力梯度。在本文中這代表了燃燒噪聲，按期望EGR額定值隨著FMan的增加而降低。除此之外，低估或高估FMan會(huì)導(dǎo)致比名義值更低或更高的噪聲水平。

圖4（d）示出了燃燒穩(wěn)定性，證實(shí)了隨著FMan增大燃燒穩(wěn)定性會(huì)逐步增加。如果高估FMan會(huì)加劇噪聲水平，但在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速2 500r／min和平均有效壓力1．4 MPa運(yùn)行工況點(diǎn)的總偏差仍較低。

在進(jìn)行一般性誤差分析之前，有必要對(duì)點(diǎn)火時(shí)刻和原始廢氣NOx濃度的特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。圖5作為EGR率的函數(shù)圖，示出了預(yù)測(cè)的進(jìn)排氣相位、點(diǎn)火角和NOx原始排放的最佳時(shí)間點(diǎn)。

圖4 轉(zhuǎn)速2 500r／min和平均有效壓力1．4MPa運(yùn)行工況點(diǎn)的誤差分析

圖5 轉(zhuǎn)速2 500r／min和平均有效壓力1．4MPa運(yùn)行工況點(diǎn)EGR率對(duì)配氣相位、點(diǎn)火時(shí)刻和NOx濃度的影響

從轉(zhuǎn)速2 500r／min和平均有效壓力1．4MPa運(yùn)行工況點(diǎn)開始，隨著外部EGR率FMan的提高，缸內(nèi)的殘余氣體將被導(dǎo)入低壓EGR，在進(jìn)氣凸輪軸打開進(jìn)氣門向上止點(diǎn)方向移動(dòng)時(shí)，排氣凸輪軸的相位仍保持在上止點(diǎn)后約10°CA不變，以致于FMan水平超過(guò)7．5%時(shí)有效氣門重疊角減小到小于15°CA，這對(duì)NOx原始排放的影響是顯而易見(jiàn)的。當(dāng)FMan被調(diào)節(jié)到17．5%時(shí)最初的NOx濃度減少2／3，為了能以這樣的FMan水平運(yùn)行，點(diǎn)火時(shí)刻就必須從無(wú)EGR時(shí)的上止點(diǎn)前9°CA提前到上止點(diǎn)前約21°CA。如果應(yīng)以顯著的FMan運(yùn)行的話，就不僅需要控制凸輪軸相位，并且要將點(diǎn)火時(shí)刻與實(shí)際EGR率聯(lián)系起來(lái)，尤其是考慮到可能發(fā)生FMan水平突然降低或升高的短暫情況。在平均有效壓力1．4MPa時(shí)，如果FMan突然大幅度降低，而點(diǎn)火時(shí)刻不馬上調(diào)晚的話，僅是將點(diǎn)火角提前12°CA，通常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃現(xiàn)象。另一方面，如果FMan突然升高，而點(diǎn)火時(shí)刻不提早的話，那么會(huì)導(dǎo)致著火中斷。當(dāng)然，可以借助爆燃傳感器或氣缸壓力測(cè)量進(jìn)行燃燒補(bǔ)償，但無(wú)法根據(jù)進(jìn)氣時(shí)混合氣成分的變化進(jìn)行快速響應(yīng)。因此，采取合適的控制策略才能充分挖掘其全部潛力。

為了生成最佳額定值和進(jìn)行穩(wěn)態(tài)誤差分析利用了DoE數(shù)據(jù)，以DoE為基礎(chǔ)還能擴(kuò)展用來(lái)檢驗(yàn)從穩(wěn)態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)換到瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)所采取的各種假設(shè)。

眾所周知，內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行實(shí)際上是一個(gè)不連續(xù)的過(guò)程，也就是說(shuō)內(nèi)燃機(jī)的工作過(guò)程是由氣體成分和每個(gè)氣缸狀態(tài)決定的，可近似地用以下代數(shù)方程式來(lái)表示：式中：N為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Mfuel為噴入的燃油質(zhì)量；Fman為惰性氣體含量；θVCT，In和θVCT，Exh為進(jìn)排氣凸輪相位；θSpark為點(diǎn)火時(shí)刻；Xp，Eng為排氣歧管對(duì)進(jìn)氣管的壓比。

設(shè)計(jì)方法與燃油控制引導(dǎo)燃燒（CLFC）方法［1］相同，這種方法能用于采用穩(wěn)態(tài)假設(shè)來(lái)研究瞬態(tài)過(guò)程。

5 模擬配置

圖6示出了用于瞬態(tài)行駛循環(huán)分析的模擬設(shè)置。首先根據(jù)所要求的負(fù)荷工況點(diǎn)為FMan和凸輪軸相位查明最佳額定值，然后再為點(diǎn)火時(shí)刻查明最佳額定值。每個(gè)用于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)分析的額定值都被綜合在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火時(shí)刻和穩(wěn)態(tài)配氣定時(shí)之中，F(xiàn)Man額定值用于生成穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)數(shù)據(jù)，而配氣定時(shí)額定值最后僅用于生成瞬態(tài)數(shù)據(jù)。以穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)生成額定值的CLFC方法，根據(jù)動(dòng)態(tài)能力產(chǎn)生不同的系統(tǒng)狀態(tài)，因此點(diǎn)火時(shí)刻不僅與轉(zhuǎn)速和所期望的扭矩有關(guān)，而且也與真實(shí)的凸輪位置和當(dāng)前的FMan水平有關(guān)，因?yàn)辄c(diǎn)火調(diào)節(jié)是設(shè)置中反映最快的控制系統(tǒng)，因而點(diǎn)火時(shí)刻能在燃燒循環(huán)中進(jìn)行調(diào)節(jié)。凸輪軸相位調(diào)節(jié)器能跟隨燃燒循環(huán)迅速地預(yù)定氣門配氣定時(shí)的位置。EGR系統(tǒng)的調(diào)節(jié)是最慢的，并呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性特性。

圖6 模擬設(shè)置

DoE數(shù)據(jù)通過(guò)公司內(nèi)部工具原始數(shù)據(jù)MAP圖被裝載到模擬過(guò)程中，這種工具為N維度輸入?yún)?shù)生成M 維度原始矩陣，這就是說(shuō)，每個(gè)工作循環(huán)的所有重要的發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)都要可預(yù)測(cè)地進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)然數(shù)據(jù)都必須包含在DoE數(shù)據(jù)庫(kù)中，并覆蓋輸入數(shù)據(jù)。

6 燃油耗分析結(jié)果

圖7示出了轉(zhuǎn)速－負(fù)荷集群的燃油耗分析結(jié)果，低壓EGR的影響不僅在穩(wěn)態(tài)而且在動(dòng)態(tài)模擬環(huán)境中進(jìn)行研究。圖7（a）示出了累積標(biāo)準(zhǔn)燃油質(zhì)量流量，而圖7（b）示出了低壓EGR的動(dòng)態(tài)FMan水平。從圖7可以看出，在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)2種模式中測(cè)得的燃油耗之間幾乎并無(wú)差異，基本穩(wěn)態(tài)和基本動(dòng)態(tài)與使用EGR的2條曲線幾乎完全重合，這顯然說(shuō)明與理想的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)相比，在動(dòng)態(tài)模擬中的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程考察絲毫沒(méi)有呈現(xiàn)出在燃油耗方面的缺陷；在第二個(gè)循環(huán)部分中，較多的已燃廢氣量進(jìn)入再循環(huán)，因而使用EGR情況下累積約3%的燃油耗優(yōu)勢(shì)，因此使用EGR再加上合適的調(diào)節(jié)策略，在動(dòng)態(tài)運(yùn)行中也能獲得穩(wěn)定的燃油耗優(yōu)勢(shì)。最后還需說(shuō)明的是，在所進(jìn)行的試驗(yàn)研究情況下，空氣管路中動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響（調(diào)節(jié)氣門配氣定時(shí)和EGR調(diào)節(jié)對(duì)象）導(dǎo)致了穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)分析之間存在較小差異，但是這些燃油質(zhì)量流量曲線在很大程度上是重合的。如果

圖7 以DoE為基礎(chǔ)的行駛循環(huán)模擬

行駛循環(huán)需要顯示出發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行動(dòng)態(tài)，那么就能顯著地消除偏差。

7 結(jié)論

廢氣排放法規(guī)不斷加嚴(yán)，內(nèi)燃機(jī)必須進(jìn)行全面的匹配調(diào)整。本文憑借DoE方法表明，在汽油機(jī)上低壓EGR不僅能降低燃油耗，而且也能降低NOx排放；與傳統(tǒng)的采用2個(gè)調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)配置相比，使用組合閥調(diào)節(jié)EGR絲毫不存在缺陷。同時(shí)，本文還介紹了模擬配置，用于考察內(nèi)燃機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，所獲得的模擬結(jié)果顯示出了行駛循環(huán)燃油耗得到顯著降低。