韓敬賢,黃昭明,王利,陳偉國,潘金元

(1. 安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院 機電工程系,合肥 230013;2. 皖江工學(xué)院 機械工程學(xué)院,安徽馬鞍山 243031;3. 宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電與汽車學(xué)院,安徽宣城 242000;4. 奇瑞汽車股份有限公司 發(fā)動機工程研究院,安徽蕪湖 241006)

隨著國內(nèi)外對節(jié)能汽車的重視,各種新能源技術(shù)不斷應(yīng)用于汽車[1-2],同時更多針對發(fā)動機的新技術(shù)[3-4]也層出不窮,如增壓小型化[5]、汽油機廢氣再循環(huán)EGR[6]、米勒循環(huán)[7]、超高壓噴霧等技術(shù)[8]在節(jié)油和減排方面效果顯著。

其中,米勒循環(huán)和汽油機EGR技術(shù)都能通過降低缸內(nèi)燃燒溫度,從而抑制爆震,降低燃油消耗率[6-7]。事實上這兩種技術(shù)都會減少發(fā)動機的新鮮空氣充量系數(shù),因此很多應(yīng)用了米勒和EGR技術(shù)的發(fā)動機都需要利用增壓器提高進氣壓力,提高新鮮空氣充量系數(shù)。

對于EGR和渦輪增壓技術(shù)聯(lián)合運行效果來看,低壓EGR系統(tǒng)比高壓EGR系統(tǒng)更能降低燃燒溫度[9],也能更大程度地利用增壓器的廢氣能量,因此在減少氮氧化物和顆粒物排放與節(jié)能效果上比高壓EGR更好。

但是在渦輪增壓支持下的低壓EGR系統(tǒng)在應(yīng)用過程中經(jīng)常會遇到受到不同條件的限制和性能上的不足。

1) EGR過量導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒被過量抑制,會引起循環(huán)變動率COV太高甚至引起失火[6];

2) 在發(fā)動機低速運行時,由于渦輪增壓器能力不足導(dǎo)致進排氣管之間壓差不足使EGR率無法增加,從而無法充分發(fā)揮EGR的作用[7];

3) 低壓EGR一般從三元催化器后取氣,從空濾器后引入廢氣,由于發(fā)動機工況復(fù)雜多變,而EGR流動管路較長,EGR率的響應(yīng)特性也存在滯后[10]。

由此可見,渦輪增壓器不論在低轉(zhuǎn)速工況還是工況變化的瞬態(tài)響應(yīng)上都無法滿足低壓EGR系統(tǒng)的高效應(yīng)用要求。

隨著發(fā)動機電氣化的發(fā)展,48V或混合動力系統(tǒng)使得電動增壓器可以配合渦輪增壓應(yīng)用在發(fā)動機上。已經(jīng)有很多研究表明[11-13],電動增壓器能大幅度提高發(fā)動機低速時動力性和車輛百公里加速的響應(yīng)特性。但是,電動增壓器聯(lián)合渦輪增壓器系統(tǒng)對低壓EGR率的引入作用和發(fā)動機變工況時EGR的瞬態(tài)響應(yīng)特性還研究得較少。因此本研究擬通過在一臺渦輪增壓汽油發(fā)動機上加裝低壓EGR系統(tǒng)和電動增壓器,研究電動增壓器對低壓EGR增壓汽油機的節(jié)能減排作用和瞬態(tài)響應(yīng)特性影響。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試驗裝置和測試系統(tǒng)

試驗用發(fā)動機為一款排量1.5 L帶旁通閥的廢氣渦輪增壓缸內(nèi)直噴汽油機,匹配外部EGR系統(tǒng),采用催化器后取氣引入壓氣機前的低壓EGR方案,并對EGR回流廢氣進行冷卻,通過空濾器后壓氣機前進氣管路節(jié)流閥和EGR中冷器后冷端安裝的EGR閥控制EGR率;電動增壓器與渦輪增壓器壓氣機串聯(lián),加裝在EGR引入口下游,在電增壓器不工作時,新鮮空氣與EGR回流廢氣混合后通過旁通管路進入廢氣渦輪增壓器壓氣機。試驗臺架系統(tǒng)布置如圖1所示,試驗用發(fā)動機基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 試驗臺架系統(tǒng)布置

表1 發(fā)動機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

試驗臺架所用測功機為奧地利AVL電渦流測功機,采用AVL 735s油耗測量儀測量發(fā)動機燃油消耗量,缸內(nèi)壓力測量采用Kistler 6115B型缸壓傳感器,發(fā)動機原始排放(CO,HC,NOx,CO2,O2等)通過HORIBA MEXA-7100DEGR進行測量,其它設(shè)備有AVL PUMA臺架控制測試系統(tǒng)、發(fā)動機臺架標(biāo)定用INCA軟件系統(tǒng)、AVL 602燃燒分析系統(tǒng)、AVL 753c油水溫度控制儀等。試驗用電動增壓器參數(shù)見表2,試驗儀器及傳感器主要參數(shù)件見表3。

表2 電動增壓器主要技術(shù)參數(shù)

表3 試驗儀器及技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗方法

本研究主要目的是探索發(fā)動機加裝電動增壓器時,實現(xiàn)最大EGR率的潛力,且研究低壓EGR與電動增壓對汽油機節(jié)能減排和瞬態(tài)響應(yīng)特性影響的協(xié)同作用。

試驗研究中選擇發(fā)動機典型轉(zhuǎn)速外特性和典型部分負荷工況點進行研究,如表4所示。

表4 試驗研究工況

同時在各工況下控制燃燒循環(huán)變動COV在4%以內(nèi),探索EGR率的使用極限。試驗過程中優(yōu)先使用廢氣渦輪增壓,在渦輪增壓能力達到極限時,起動電動增壓器參與工作,提高EGR率和發(fā)動機進氣能力,直到對發(fā)動機性能無顯著改善或燃燒開始惡化為止。用此試驗方法對比電動增壓起動參與工作后發(fā)動機的性能指標(biāo),即經(jīng)濟性、排放性能和瞬態(tài)響應(yīng)特性。試驗過程中汽油機運行中使用的EGR率表達式為

(1)

式中：REGR為EGR率,%;Rco2(in)為中冷后進氣管路的濃度,%;Rco2(air)為新鮮空氣中的CO2的濃度,%;Rco2(exh)為渦輪后廢氣中的CO2的濃度,%。

2 試驗研究結(jié)果及分析

2.1 電動增壓器對發(fā)動機EGR系統(tǒng)的促進作用

2.1.1 電動增壓器對外特性EGR性能影響

EGR在引入渦輪增壓時,能夠降低發(fā)動機油耗和排放,但是在中低轉(zhuǎn)速時由于廢氣的能量不足導(dǎo)致渦輪增壓器轉(zhuǎn)速低,壓氣機做功能力弱而無法引入。因此在中低轉(zhuǎn)速大負荷時候EGR的效果無法充分發(fā)揮作用,而使用了電動增壓器后,使低轉(zhuǎn)速下EGR率能明顯上升,這是因為電動增壓器不受排氣能量不足的限制,如圖2所示。圖3為發(fā)動機1 250～4 000 r/min外特性新鮮進氣與EGR流量。

圖2 電動增壓器工作后外特性最高EGR率對比

圖3 發(fā)動機進氣時新鮮進氣與EGR流量

如圖2中所示,電動增壓器工作后,本來無法引入EGR的工況(低轉(zhuǎn)速1 250 r/min外特性)的EGR率能接近25%,在1 500 r/min和2 000 r/min工況EGR率也有了很大的改善。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高和負荷增加,渦輪增壓器的能力越來越強,開始不需要電動增壓器的介入,EGR率在4 000 r/min時已經(jīng)完全不需要電動增壓器介入。

很多研究表明[14-16],電動增壓器的介入使發(fā)動機的低速工況動力性有了大幅提高。而在配合EGR系統(tǒng)后,電子增壓器在降低油耗方面也起到了較大的作用。圖4為EGR率在電動增壓器作用下提高后對油耗率的影響。EGR率的提高使1 250 r/min～2 000 r/min外特性工況油耗率降低8.5%～10%,這主要是由于EGR對爆震的抑制,發(fā)動機可以采用更為激進的點火角,燃燒相位提前,從而使外特性工況的經(jīng)濟性獲得明顯改善。電動增壓器促進了EGR率的提高,而在4 000 r/min渦輪增壓能力已經(jīng)足夠,電增壓不需介入了。

圖4 EGR率提高后外特性油耗率變化

EGR能夠降低缸內(nèi)燃燒溫度,減緩燃燒速度,因此能有效減少發(fā)動機的NOx排放,但是在中低轉(zhuǎn)速外特性下,EGR引入非常有限,因此NOx排放水平雖然有所降低卻并不明顯。在電動增壓器配合下,EGR引入量大幅度提高,NOx排放明顯降低,如圖5所示。EGR率的增加會在較低范圍內(nèi)增大THC的排放,如圖6所示。而由于空燃比的控制策略不變,CO的變化并不明顯。

圖5 EGR率提高后外特性NOx排放變化

圖6 EGR率提高后外特性THC排放變化

2.1.2 電動增壓器對部分負荷EGR性能影響

1 500 r/min和2 000 r/min是車用汽油機實際應(yīng)用中最常用的轉(zhuǎn)速,因此本文對這兩個轉(zhuǎn)速部分負荷下電動增壓器介入工作前后的EGR和發(fā)動機性能變化進行了研究。

圖7為1 500 r/min和2 000 r/min電動增壓器介入工作前后發(fā)動機部分負荷能達到的最高EGR率對比。低負荷電增壓器是否工作對EGR率影響不明顯,但是中高負荷,電增壓器對最高EGR率的提高作用非常明顯,從10%左右提高到了30%以上。這是因為在低負荷,進氣壓力較低且新鮮空氣的進氣量也較少,因此比較容易引入尾氣且能達到較高EGR率,并不需要電增壓的輔助作用。但是隨著負荷的提升,進排氣管的壓差減小開始無法順利提高EGR率。在沒有電動增壓器輔助的情況下,1 500 r/min,1.4 MPa工況EGR率僅能達到5%。而電增壓器工作后,能達到30%以上,由此引起的節(jié)油和降低NOx排放也非常顯著。

圖7 電動增壓器工作后部分負荷最高EGR率對比

圖8為EGR率在電動增壓器介入工作后對部分負荷油耗率的影響。從圖8電增壓器介入點來看,原機部分負荷工況在EGR的作用下還有很大節(jié)油空間,只是由于進排氣兩端壓差不足EGR率無法提升不能進一步發(fā)揮EGR的節(jié)油作用。

圖8 EGR率提高后部分負荷油耗率變化

原機1 500 r/min和2 000 r/min在1.4 MPa工況,在EGR的作用下油耗分別降低了1.9%和1.58%;電增壓器輔助后,在此基礎(chǔ)上再分別降低油耗9.1%和6.5%;總節(jié)油率達到了10.8%和8.4%。負荷降低后,電增壓的效果開始降低,在1.1 MPa工況電增壓輔助油耗在原機EGR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上又降低了7.2%和3.7%。但是EGR率超過30%后,油耗開始上升,過多的廢氣引入會導(dǎo)致燃燒惡化。

圖9 EGR率提高后部分負荷NOx排放變化

圖9為電增壓器介入工作后,部分負荷下NOx排放的進一步降低的效果。在原機EGR系統(tǒng)作用的基礎(chǔ)上,電動增壓器提高的EGR率使NOx排放降到了極低的水平,充分發(fā)揮了EGR的作用。但是在EGR率超過30%后,THC排放會有較明顯升高,如圖10所示。

圖10 EGR率提高后部分負荷THC排放變化

2.2 電動增壓器對瞬態(tài)特性的影響

2.2.1 電動增壓器對動力響應(yīng)特性影響

很多研究中提到,電動增壓器能大大提高發(fā)動機的動力瞬態(tài)響應(yīng),使扭矩能快速攀升,這一點在本研究中得到了體現(xiàn),如圖11和圖12所示。

圖11 電動增壓器工作時扭矩的動態(tài)響應(yīng)過程

圖12 電動增壓器工作時缸內(nèi)IMEP的動態(tài)響應(yīng)過程

在沒有電增壓器工作時,1 500 r/min從0.2 MPa到1.5 MPa需要2.32 s;而在電增壓器輔助下,從0.2 MPa到1.5 MPa需要0.7 s,動力性提升響應(yīng)時間縮短2/3,對帶放氣閥廢氣渦輪增壓發(fā)動機的動力瞬態(tài)響應(yīng)特性有極大地改善。這主要是由于對于傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓發(fā)動機,雖然油門開度可以迅速提升到100%,但轉(zhuǎn)矩增加會有所遲滯,這是因為提升動力時首先需要增加進氣量,進而增加排氣能量加速渦輪,渦輪加速后繼續(xù)增加進氣量,從而達到動力輸出要求,在此過程中存在進排氣容積遲滯、渦輪轉(zhuǎn)動慣量遲滯等多種因素,導(dǎo)致渦輪響應(yīng)緩慢;當(dāng)電增壓工作時,電機近乎瞬間轉(zhuǎn)速響應(yīng)的優(yōu)勢,大大提升了進氣歧管壓力的建立速度,因而發(fā)動機的動力瞬態(tài)響應(yīng)獲得巨大提升。圖13展示了電動增壓器建立進氣歧管壓力的瞬態(tài)過程,可以看出電增壓工作時歧管壓力迅速建立,轉(zhuǎn)矩輸出增加,同時伴隨著點火角的快速調(diào)整。

圖13 電動增壓器工作時進氣歧管壓力動態(tài)建立過程

2.2.2 電動增壓器對EGR率瞬態(tài)響應(yīng)的影響

從圖13可知,電增壓工作時歧管壓力升高斜率為不工作時的2.5倍,因而能快速提高發(fā)動機扭矩。但是在裝載了低壓EGR系統(tǒng)的發(fā)動機上,EGR率的提升滯后是一直存在的問題之一,由于低壓EGR管路較長,而汽車的工況復(fù)雜多變,EGR率的變化也存在滯后。而在電動增壓器的作用下,這一問題也得到了緩解,如圖14所示。

圖14 電動增壓器對EGR提升的動態(tài)影響

發(fā)動機處于加速工況時,隨著負荷的持續(xù)增加,EGR率需要提升,以滿足發(fā)動機大負荷工況采用相對較高EGR率抑制爆震并改善燃油經(jīng)濟性的需求;此時進氣管路中節(jié)流閥開度減小,以提升低壓EGR管路與壓氣機前進氣管路的壓差,促進歧管EGR濃度的提升。電增壓工作時,在進氣管路會產(chǎn)生泵吸作用,有效提升了進氣歧管EGR率的建立速度,EGR率從5%提升到15%原機需要2.5 s,而在電增壓器的輔助下,能在1.2 s內(nèi)達到目標(biāo)EGR率,提前了發(fā)動機以優(yōu)越的控制參數(shù)(較高EGR率與激進的點火提前角)運行的時間 點,取得了發(fā)動機整體性能提升的綜合效果。

3 結(jié)論

1) 電動增壓器能不受尾氣能量不足的限制,在低負荷大量引入EGR率,能達到20%以上,這能大大降低原本由于壓差不足無法引入EGR的工況的油耗率和NOx排放。外特性的油耗最高能降低8.5%～10%,部分負荷工況油耗最高能降低9.1%。NOx排放也降到了極低的水平。

2) 電動增壓器能大大提高發(fā)動機的動力瞬態(tài)響應(yīng),1 500 r/min從0.2 MPa上升到1.5 MPa的時間縮短了2/3。

3) 電動增壓器也能很好地消除低壓EGR率的遲滯問題,工況改變時,EGR率的達到目標(biāo)比例只需原機時間的一半。