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增压汽油机EGR系统瞬态延迟

摘要：不同的EGR布置结构对瞬态延迟的影响,EGR瞬态延迟对发动机性能的影响；EGR瞬态延迟测量方法研究及测量结果评估.

关键词：EGR（废气再循环）；瞬态延迟；测量方法

1引言

随着国家对乘用车燃油消耗及排放法规的要求越来越高,现有小型增压直喷汽油发动机需要更多的先进技术来提高其燃烧效率,进而提升发动机性能和降低油耗及排放,目前冷却废气再循环(EGR)作为一项新技术,是能改善汽油机爆震问题,富油区油耗高,泵气损失及热损失大等一系列问题的有效措施.

但废气再循环技术本身又会带来很多难题需要一一解决,EGR系统的响应延迟及瞬态控制是决定其能否更好地发挥作用的主要因素之一.

2 EGR瞬态延迟的影响

2.1 不同EGR布置结构对瞬态延迟的影响

针对增压汽油发动机应用,废气再循环的布置结构主要有高压和低压架构之分（见图1）,不同的布置结构在EGR瞬态延迟方面的表现差别很大.

高压EGR架构,废气从排气歧管通过管路直接引入进气歧管,布置紧凑,EGR路径和容积较小,EGR瞬态延迟的影响可降到最低,如下图2所示紧凑型高压EGR布置方式.

低压EGR架构,传统的布置方式（如下图3所示）为废气从催化器经过管路引入压气机入口,压气机后废气还要绕行整车空冷中冷器,节气门后进入进气歧管,管路较长,瞬态延迟问题严重.所以低压EGR架构布置优化就显得尤为重要.

新型优化的低压EGR布置架构如下图4所示,LP EGR阀紧挨压气机布置,减少压前EGR管路容积,压后采用水冷中冷器,直接布置在进气歧管内部,极大缩小EGR所经管路长度及容积,EGR瞬态延迟可基本与高压相当.

2.2 EGR瞬态延迟对发动机性能的影响

EGR的瞬态延迟为整车瞬态驾驶工况时EGR率的精确控制带来了挑战,EGR率的需求从无到有,若逐步增大时,EGR的响应延迟减少其了对燃油经济性的收益；EGR率的需求逐步减少,或突然从有到无时,EGR的响应延迟会导致燃烧恶化,甚至影响排放及导致发动机异常熄火.

所以,目前各大控制系统都需开发针对EGR迟滞的控制模块及修正模型,但不同的发动机,不同的EGR布置架构,相应的EGR延迟状况都有所不同,需要有较好的方法来确认具体EGR的延迟情况.

3 EGR瞬态延迟测量方法的研究

3.1 台架上运行WLTC瞬态工况

试验研究选用的是一个1.OL的增压直喷汽油机,发动机的主要性能参数如下所示：

项目开发前期,通过CAE分析计算得出对应整车WLTC循环时发动机的瞬态运行转速及负荷,台架通过软件编程可控制发动机按此工况循环运行,实现了前期在台架上进行WLTC瞬态工况的测试（如下图5）.

3.2 C02浓度测量方法得到EGR率

采用传统的方法,测量进排气歧管内C02浓度,计算得到EGR率.考虑到歧管内EGR率分配不均匀的问题,在各缸进气口都需连接通道取气以保证测量结果的准确性.

发动机运行WLTC瞬态工况时监控EGR率及EGR阀响应运行情况确认延迟.

3.3监控燃烧压力的测量方法

台架上将发动机EGR阀位置传感器电压信号连入燃烧分析仪,这样EGR阀开启关闭反馈信号与发动机缸压信号可同步起来.

先保持发动机在稳态工况下,EGR阀由关闭变为打开状态,或由打开变为关闭状态,EGR率的变化将会引起燃烧室内缸压的波动,待EGR流量完全稳定后缸压即保持稳定了,通过监控缸压的波动及变化情况即可得出EGR的延迟时间.台架上根据EGR阀前后气路压比的不同,取一些典型工况点进行测量,以确认EGR延迟情况.

然后将发动机在两个工况间快速变换,典型的可由EGR率较大的工况变到EGR率为O的工况,变换速率可设为2s,1s,0.6s,查看在工况瞬态快速变换过程中,EGR率的变化及瞬态延迟对发动机燃烧稳定性的影响.

4 EGR瞬态延迟测量结果及评估

4.1 C02浓度测量方法得到EGR延迟测量结果

台架瞬态运行测量结果如下图8所示,根据EGR阀开度换算得到的EGR率(EGRratio actual)与发动机目标EGR率(EGR ratiotarget)跟随性及一致性很好,延迟基本可忽略不计.但是通过C02浓度方法测得的进气歧管内实际EGR率(EGR ratio from dyno)与目标EGR率(EGR ratio target)相比,延迟滞后严重,有3.5s左右.

经分析,台架测量C02浓度的管路较长(约有lOm),此段管路本身就会导致台架测得EGR率与发动机歧管内实际EGR率相比延迟滞后,所以此3.5m并不是歧管内实际EGR率与目标EGR率相比的延迟值.但通过此实验结果也可看出,在各工况下EGR率延迟基本保持一致,并无随着工况的变化导致延迟有所变化.

4.2监控燃烧压力得到EGR延迟测量结果

稳定工况下测试结果如下图9,以2000rpm @4bar工况为例,EGR阀关闭时最大缸压稳定在3500kpa左右,EGR阀开启后,3-4个燃烧循序内EGR逐步进入燃烧室,燃烧最大缸压逐步降低,直到4个循环后最大缸压稳定在2000kpa左右,3-4个循环的燃烧循环时间即为EGR率逐步稳定延迟滞后的时间,约0.2-0.3s,该发动机其他各工况测量结果基本都保持在这个延迟水平.

瞬态变化工况测试结果如下图10,台架控制发动机在2s内从2000rpm@20bar变化到2000rpm @2bar.转速2000对应负荷20bar和2bar时目标EGR率都为O,但是过渡到中负荷时目标EGR率较高,能达到20%,所以整个运行循环,EGR阀经历先开启然后关闭的瞬态过程,EGR在瞬态工况对燃烧的影响通过此过程可以很好的反应出来.

由IMEP曲线数据可看出,EGR阀由开启到关闭,EGR瞬态延迟导致燃烧不稳定有熄火风险,需要优化标定,根据EGR的延迟调整点火角来优化燃烧.

5结语

EGR系统的响应延迟对EGR瞬态控制带来不利的影响,EGR不同架构布置对瞬态延迟的影响较大,初期架构布置需要考虑尽可能降低EGR延迟；EGR瞬态延迟有各种测量方法,通过监控燃烧压力数值的变化掌握EGR延迟情况及对燃烧的影响是其中较好的方法,可以给后续EGR更好的瞬态控制标定以一定的指导作用.

系统论文范文结:

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