基于廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)的整車(chē)節(jié)油效果研究

楊章暉 韋于剛

摘要：隨著國(guó)家法規(guī)對(duì)乘用車(chē)燃料消耗量更為嚴(yán)格的要求，降低整車(chē)的油耗受到了廣泛的關(guān)注。本文針對(duì)自主某款匹配自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)MPV車(chē)型增加外置冷卻EGR，通過(guò)NEDC工況試驗(yàn)驗(yàn)證，得出外置冷卻EGR對(duì)于整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的提升有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：外置冷卻EGR;節(jié)油;NEDC

中圖分類(lèi)號(hào)：U471文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

面對(duì)日益嚴(yán)苛的油耗法規(guī)，各大汽車(chē)品牌廠家都開(kāi)展了降低燃油車(chē)油耗方法的相關(guān)研究。通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)上增加外置冷卻EGR來(lái)降低油耗是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)便的節(jié)油研究方向。該方案提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性而受到了廣泛關(guān)注，也是獲取更好燃油經(jīng)濟(jì)性的主要解決方案之一。

本文通過(guò)對(duì)自主某款MPV加裝外置冷卻EGR進(jìn)行整車(chē)臺(tái)架試驗(yàn)和仿真分析，初步探討了外置冷卻EGR對(duì)整車(chē)油耗的影響。

2外置冷去口EGR簡(jiǎn)介

2.1外置冷卻EGR

EGR是廢棄再循環(huán)系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是汽油機(jī)和柴油機(jī)應(yīng)用的主要系統(tǒng)之一。廢棄再循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用主要是將發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣重新送回氣缸參與燃燒。

EGR有多種實(shí)現(xiàn)方式，本文討論的是外置冷卻EGR。外部EGR由EGR閥、EGR冷卻器和EGR管路組成，其工作基本原理如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣通過(guò)EGR閥和冷卻器降溫后，重新導(dǎo)入進(jìn)氣歧管，與新鮮氣體混合后進(jìn)入氣缸，再次參與燃燒。

廢氣再循環(huán)的程度用廢氣再循環(huán)率表示，簡(jiǎn)稱(chēng)EGR率。EGR率的定量描述就是經(jīng)過(guò)EGR閥的再循環(huán)廢氣量與總進(jìn)氣量之比。

2.2EGR控制策略

EGR控制策略主要集中于中高轉(zhuǎn)速區(qū)，通常最高轉(zhuǎn)速區(qū)和怠速區(qū)EGR閥都處于關(guān)閉狀態(tài)。怠速狀況下引入廢氣回流會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒不穩(wěn)定、發(fā)出噪聲并可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)全開(kāi)時(shí)，為滿(mǎn)足最大功率輸出，EGR閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

EGR閥的開(kāi)度大小取決于節(jié)氣門(mén)體的碟閥位置、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度、車(chē)速、點(diǎn)火提前角、氧傳感器信號(hào)等輸入?yún)?shù)。

3試驗(yàn)研究

3.1測(cè)試車(chē)輛基本參數(shù)

本次測(cè)試車(chē)輛是自主某款MPV車(chē)型，匹配1.8L直列四缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)和AMT變速器，整車(chē)基本參數(shù)如表1所示。

3.2臺(tái)架試驗(yàn)方法

試驗(yàn)完全參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.5-2013《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）》NEDC工況執(zhí)行，試驗(yàn)由4個(gè)市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)和1個(gè)市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)組成。

市區(qū)循環(huán)用于模擬汽車(chē)在城市行駛時(shí)工況，該工況中最高車(chē)速為50.0km/h，循環(huán)單元平均車(chē)速為19.0km/h。市郊循環(huán)用于模擬汽車(chē)在市郊和高速公路上行駛時(shí)工況，該工況最高車(chē)速為120.0km/h，平均車(chē)速為62.6km/h。具體操作規(guī)范參考GB 18352.5-2013《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五段）》。

臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)車(chē)驅(qū)動(dòng)輪置于底盤(pán)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)轂上，利用底盤(pán)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)轂運(yùn)動(dòng)模擬連續(xù)移動(dòng)的路面，底盤(pán)測(cè)功機(jī)加載裝置模擬汽車(chē)的行駛阻力，底盤(pán)測(cè)功機(jī)飛輪系統(tǒng)模擬汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)慣性，按多工況指定的車(chē)速一時(shí)間規(guī)范和擋位操作試驗(yàn)車(chē)和底盤(pán)測(cè)功機(jī)，并利用底盤(pán)測(cè)功機(jī)測(cè)量裝置記錄行程一車(chē)速一時(shí)間曲線，利用設(shè)備氣體分析儀，通過(guò)排放數(shù)據(jù)分析出汽車(chē)百公里燃油消耗量。試驗(yàn)同時(shí)用計(jì)算機(jī)采集EGR工作信號(hào)。

3.3仿真分析

AVL-Cruise軟件提供了整車(chē)、發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器等模塊，可以達(dá)到快速建模，對(duì)整車(chē)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行預(yù)測(cè)且進(jìn)行仿真結(jié)果分析。該車(chē)型的CRUISE仿真模型包括了整車(chē)參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和換擋控制策略等。

仿真分析時(shí)，CRUISE模型需進(jìn)行校核。將仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，判定模型的準(zhǔn)確性。如表2所示，本次校核模型是不帶EGR的原機(jī)，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果各項(xiàng)偏差在3%以?xún)?nèi)，從而判定該模型合理，為冷卻EGR節(jié)油研究仿真分析提供了準(zhǔn)確性。

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證EGR對(duì)整車(chē)的節(jié)油貢獻(xiàn)，對(duì)3輛樣車(chē)通過(guò)控制EGR功能的關(guān)閉和開(kāi)啟，分別進(jìn)行油耗對(duì)比測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

3輛樣車(chē)綜合油耗測(cè)試結(jié)果在EGR功能關(guān)閉條件下都在7.70至7.80的范圍內(nèi)，說(shuō)明該車(chē)型油耗一致性控制是合理的。3輛樣車(chē)增加EGR功能后的綜合油耗節(jié)油效果分別達(dá)2.1%、3.4%和2.3%，市區(qū)和市郊工況也得到了相應(yīng)改善。

4.2節(jié)油效果分析

4.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)降低泵氣損失

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)采集發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)EGR閥開(kāi)啟后，廢氣進(jìn)入進(jìn)氣歧管，導(dǎo)致管內(nèi)的溫度和壓力都增高。進(jìn)氣歧管溫度的增高促進(jìn)燃?xì)饣旌细浞?。同時(shí)，進(jìn)氣歧管壓力的增大，控制進(jìn)氣的節(jié)氣門(mén)會(huì)造成氣流阻滯從而造成能耗加大。為維持發(fā)動(dòng)機(jī)功率的穩(wěn)定，需增大發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，提高充氣效率。節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的增大，進(jìn)氣歧管的節(jié)流作用降低，壓力會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣時(shí)活塞下行阻力減小，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失。

選取整車(chē)常用工況2000r/min（0.2MPa）進(jìn)行分析（圖2），可以看出，隨著EGR率的提高，進(jìn)氣歧管的溫度和壓力均提高。

4.2.2燃油消耗率改善

汽油機(jī)工作時(shí)會(huì)發(fā)生爆燃，通常采用降低發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比或減少點(diǎn)火提前角來(lái)抑制爆燃。但減小壓縮比會(huì)降低燃燒熱效率，推遲點(diǎn)火時(shí)間會(huì)提高油耗和大負(fù)荷時(shí)的排氣溫度。EGR廢氣中的氧含量很小，進(jìn)入進(jìn)氣歧管與新鮮氣體混合后，氣缸內(nèi)的燃燒溫度降低，抑制爆燃，增大發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比和點(diǎn)火提前角，改善燃燒。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率對(duì)比結(jié)果如圖3所示，增加EGR后，油耗率結(jié)果降低。選取整車(chē)常用轉(zhuǎn)速范圍，對(duì)不同扭矩下燃油消耗率進(jìn)行對(duì)比分析，帶EGR和原機(jī)的節(jié)油率可達(dá)1%～7%，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

4.2.3控制策略分析

在試驗(yàn)過(guò)程中采集EGR閥開(kāi)度數(shù)據(jù)（圖4），冷起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫及進(jìn)氣溫度都相對(duì)較低，EGR閥關(guān)閉。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫及進(jìn)氣溫度增高，EGR閥開(kāi)度漸漸增大。整個(gè)NEDC工況測(cè)試過(guò)程中，減速和高負(fù)荷時(shí)，EGR閥都處于關(guān)閉狀態(tài)，中高負(fù)荷EGR閥開(kāi)啟并伴隨開(kāi)度的變化，符合上述的控制策略。

4.3仿真結(jié)果

為驗(yàn)證EGR的仿真節(jié)油效果，仿真模型的整車(chē)參數(shù)、變速器速比、輪胎型號(hào)等參數(shù)都要保持有無(wú)EGR的一致性，只分別通過(guò)輸入有無(wú)EGR臺(tái)架測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到有無(wú)EGR整車(chē)的油耗仿真結(jié)果。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外置冷卻EGR臺(tái)架標(biāo)定數(shù)據(jù)，代入CRUISE模型進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如表5所示，帶EGR技術(shù)理論節(jié)油為3.6%。

5總結(jié)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果和仿真分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，增加外置冷卻EGR可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率和降低泵氣損失。

（2）增加外置冷卻EGR，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比和點(diǎn)火提前角增大，從而有效的降低燃油消耗率。

（3）通過(guò)在臺(tái)架轉(zhuǎn)轂進(jìn)行整車(chē)NEDC工況油耗驗(yàn)證，外置冷卻EGR對(duì)整車(chē)的節(jié)油率達(dá)2.1%～3-4%。在理論研究上，通過(guò)CRUISE仿真分析，外置冷卻EGR對(duì)整車(chē)節(jié)油率達(dá)3.6‰為降低整車(chē)油耗滿(mǎn)足未來(lái)更加嚴(yán)苛的燃油消耗限值提供了重要參考意義。