小排量汽油機的低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

【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)的實施，實際行駛運行中有害物排放成為了法規(guī)關(guān)注的焦點。雖然內(nèi)燃機小型化（即在不降低發(fā)動機功率的情況下，縮小發(fā)動機排量和增加燃燒壓力）有助于降低轎車燃油耗，以滿足未來的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汽油機提出了新的挑戰(zhàn)，因為這樣有可能會增大爆燃現(xiàn)象和增加氮氧化物（NOx）原始排放的風(fēng)險，同時為了保護零部件因而必須限制廢氣溫度。通過加濃混合氣，情況可以得到改善，但也會導(dǎo)致發(fā)動機燃油耗增加。

相比之下，采用低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）可以同時降低發(fā)動機燃油耗和原始排放，這主要是因為降低了燃燒壓力和燃燒溫度，同時也降低了廢氣溫度。除此之外，在低負(fù)荷范圍內(nèi)通過消除節(jié)流還能降低CO2排放。

2 低壓EGR的實施和發(fā)動機控制

在整個試驗研究項目中，Pierburg公司與Ford公司的亞琛研究及創(chuàng)新中心將1臺量產(chǎn)的1．0L缸內(nèi)直噴式汽油機（表1）增加低壓EGR管路后用于發(fā)動機試驗臺（圖1）的試驗。

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

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

表1 試驗研究用發(fā)動機技術(shù)規(guī)格

圖1 發(fā)動機試驗臺系統(tǒng)布置圖

式中：MGas，verbrannt代表再循環(huán)廢氣質(zhì)量，MGas，gesamt代表進氣氣體總質(zhì)量，變量O2是進氣氣體中的氧分?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個調(diào)節(jié)器就能同時調(diào)節(jié)EGR管的自由流動橫截面和EGR管路的壓比，為此在1根軸上配置了2個調(diào)節(jié)閥板。圖2示出了在進氣總質(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，通過EGR小閥板的開度就能有效地控制EGR質(zhì)量流量，而不會節(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，于是就能達到所需的EGR率，因此無需使用2個獨立的調(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個調(diào)節(jié)回路。

圖2 組合閥功能

與采用2個調(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，如無法在廢氣系統(tǒng)中壓力產(chǎn)生波動等影響因素出現(xiàn)時作出響應(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的工作重點。

在靠近發(fā)動機一側(cè)EGR管路集成了1個帶有單獨節(jié)流閥的增壓空氣冷卻器旁通道，這樣就能通過對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)進氣空氣溫度，從而在低負(fù)荷范圍內(nèi)降低進氣空氣密度，進一步消除發(fā)動機節(jié)流。由于旁通管路橫截面較小，繞過增壓空氣冷卻器的運行范圍有限。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個廢氣調(diào)節(jié)閥，可用于研究系統(tǒng)對廢氣壓力波動的敏感性，因此除了控制干預(yù)點火時刻、進排氣凸輪位置、FMan水平和進氣管氣體溫度之外，系統(tǒng)總共有5個控制變量和1個控制干擾變量。

發(fā)動機運行調(diào)節(jié)被分成3個電控單元，它們能借助于CAN總線彼此相互通信。試驗臺調(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)動機電控單元。發(fā)動機電控單元根據(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個實時模擬系統(tǒng)控制。

6種自由度的影響很難通過發(fā)動機試驗臺上應(yīng)用常規(guī)的特性曲線場進行分析，因此將采用試驗設(shè)計（DoE）方法來進行試驗研究。

3 試驗設(shè)計方法

圖3用藍色圓圈表示發(fā)動機最初的403個運行工況點，以這些點為基礎(chǔ)來識別系統(tǒng)性能的改善或者惡化。紅色圓點表示特性曲線場中的DoE測量點。項目中進行了超過12 000次測量，灰色點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)，覆蓋了整個發(fā)動機特性曲線場。

圖3 發(fā)動機基本運行工況點和DoE點

研究的重點在于采用低壓EGR改善CO2排放。在發(fā)動機扭矩60N·m的負(fù)荷范圍內(nèi)，僅通過匹配氣門配氣定時就能達到相應(yīng)的優(yōu)化，基于這個原因該負(fù)荷范圍對轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變動的優(yōu)化就不如發(fā)動機扭矩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FMan、配氣定時和點火時刻進行優(yōu)化調(diào)整，而且還能檢驗如燃油耗、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)對公差容許誤差的敏感性，這將在后文針對負(fù)荷工況點予以說明。

FMan算法的目標(biāo)是要查明在實際水平±5%內(nèi)的瞬態(tài)工況下進氣歧管中的已燃?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 試驗結(jié)果

圖4示出了發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 500r／min和平均有效壓力1．4MPa運行工況點的絕熱EGR誤差試驗的結(jié)果。FMan沿著橫坐標(biāo)每次變化2．5%，對于這些工況點中每個應(yīng)用最佳調(diào)節(jié)的凸輪位置和點火角，而不用考慮所有誤差對控制器的影響，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保持不變。EGR誤差±2%的曲線表明比燃油耗對于這樣大小的變化并不敏感，同樣直至12．5%FMan水平時，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超過實際的FMan的話，那么敏感性就會顯著增加。

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，證實了隨著FMan增大燃燒穩(wěn)定性會逐步增加。如果高估FMan會加劇噪聲水平，但在試驗轉(zhuǎn)速2 500r／min和平均有效壓力1．4 MPa運行工況點的總偏差仍較低。

在進行一般性誤差分析之前，有必要對點火時刻和原始廢氣NOx濃度的特性進行試驗研究。圖5作為EGR率的函數(shù)圖，示出了預(yù)測的進排氣相位、點火角和NOx原始排放的最佳時間點。

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

圖5 轉(zhuǎn)速2 500r／min和平均有效壓力1．4MPa運行工況點EGR率對配氣相位、點火時刻和NOx濃度的影響

從轉(zhuǎn)速2 500r／min和平均有效壓力1．4MPa運行工況點開始，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，在進氣凸輪軸打開進氣門向上止點方向移動時，排氣凸輪軸的相位仍保持在上止點后約10°CA不變，以致于FMan水平超過7．5%時有效氣門重疊角減小到小于15°CA，這對NOx原始排放的影響是顯而易見的。當(dāng)FMan被調(diào)節(jié)到17．5%時最初的NOx濃度減少2／3，為了能以這樣的FMan水平運行，點火時刻就必須從無EGR時的上止點前9°CA提前到上止點前約21°CA。如果應(yīng)以顯著的FMan運行的話，就不僅需要控制凸輪軸相位，并且要將點火時刻與實際EGR率聯(lián)系起來，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，如果FMan突然大幅度降低，而點火時刻不馬上調(diào)晚的話，僅是將點火角提前12°CA，通常會導(dǎo)致嚴(yán)重的發(fā)動機爆燃現(xiàn)象。另一方面，如果FMan突然升高，而點火時刻不提早的話，那么會導(dǎo)致著火中斷。當(dāng)然，可以借助爆燃傳感器或氣缸壓力測量進行燃燒補償，但無法根據(jù)進氣時混合氣成分的變化進行快速響應(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)還能擴展用來檢驗從穩(wěn)態(tài)運行轉(zhuǎn)換到瞬態(tài)運行時所采取的各種假設(shè)。

眾所周知，內(nèi)燃機運行實際上是一個不連續(xù)的過程，也就是說內(nèi)燃機的工作過程是由氣體成分和每個氣缸狀態(tài)決定的，可近似地用以下代數(shù)方程式來表示：式中：N為發(fā)動機轉(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為進排氣凸輪相位；θSpark為點火時刻；Xp，Eng為排氣歧管對進氣管的壓比。

設(shè)計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)來研究瞬態(tài)過程。

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)荷工況點為FMan和凸輪軸相位查明最佳額定值，然后再為點火時刻查明最佳額定值。每個用于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)分析的額定值都被綜合在穩(wěn)態(tài)點火時刻和穩(wěn)態(tài)配氣定時之中，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)動態(tài)能力產(chǎn)生不同的系統(tǒng)狀態(tài)，因此點火時刻不僅與轉(zhuǎn)速和所期望的扭矩有關(guān)，而且也與真實的凸輪位置和當(dāng)前的FMan水平有關(guān)，因為點火調(diào)節(jié)是設(shè)置中反映最快的控制系統(tǒng)，因而點火時刻能在燃燒循環(huán)中進行調(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)定氣門配氣定時的位置。EGR系統(tǒng)的調(diào)節(jié)是最慢的，并呈現(xiàn)出強烈的非線性特性。

圖6 模擬設(shè)置

DoE數(shù)據(jù)通過公司內(nèi)部工具原始數(shù)據(jù)MAP圖被裝載到模擬過程中，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，每個工作循環(huán)的所有重要的發(fā)動機信號都要可預(yù)測地進行計算，當(dāng)然數(shù)據(jù)都必須包含在DoE數(shù)據(jù)庫中，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)而且在動態(tài)模擬環(huán)境中進行研究。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的動態(tài)FMan水平。從圖7可以看出，在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)2種模式中測得的燃油耗之間幾乎并無差異，基本穩(wěn)態(tài)和基本動態(tài)與使用EGR的2條曲線幾乎完全重合，這顯然說明與理想的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)相比，在動態(tài)模擬中的動態(tài)調(diào)節(jié)過程考察絲毫沒有呈現(xiàn)出在燃油耗方面的缺陷；在第二個循環(huán)部分中，較多的已燃廢氣量進入再循環(huán)，因而使用EGR情況下累積約3%的燃油耗優(yōu)勢，因此使用EGR再加上合適的調(diào)節(jié)策略，在動態(tài)運行中也能獲得穩(wěn)定的燃油耗優(yōu)勢。最后還需說明的是，在所進行的試驗研究情況下，空氣管路中動態(tài)過程的影響（調(diào)節(jié)氣門配氣定時和EGR調(diào)節(jié)對象）導(dǎo)致了穩(wěn)態(tài)與動態(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)動機運行動態(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)燃機必須進行全面的匹配調(diào)整。本文憑借DoE方法表明，在汽油機上低壓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，本文還介紹了模擬配置，用于考察內(nèi)燃機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)過程，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。