LP-EGR和電增壓協(xié)同技術(shù)對(duì)汽油機(jī)性能的影響

韓敬賢,黃昭明,王利,陳偉國(guó),潘金元

(1. 安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系,合肥 230013;2. 皖江工學(xué)院 機(jī)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(jī)電與汽車(chē)學(xué)院,安徽宣城 242000;4. 奇瑞汽車(chē)股份有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)工程研究院,安徽蕪湖 241006)

隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)節(jié)能汽車(chē)的重視,各種新能源技術(shù)不斷應(yīng)用于汽車(chē)[1-2],同時(shí)更多針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的新技術(shù)[3-4]也層出不窮,如增壓小型化[5]、汽油機(jī)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(jī)EGR技術(shù)都能通過(guò)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(shí)上這兩種技術(shù)都會(huì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)都需要利用增壓器提高進(jìn)氣壓力,提高新鮮空氣充量系數(shù)。

對(duì)于EGR和渦輪增壓技術(shù)聯(lián)合運(yùn)行效果來(lái)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(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到受到不同條件的限制和性能上的不足。

1) EGR過(guò)量導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒被過(guò)量抑制,會(huì)引起循環(huán)變動(dòng)率COV太高甚至引起失火[6];

2) 在發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí),由于渦輪增壓器能力不足導(dǎo)致進(jìn)排氣管之間壓差不足使EGR率無(wú)法增加,從而無(wú)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(dòng)機(jī)工況復(fù)雜多變,而EGR流動(dòng)管路較長(zhǎng),EGR率的響應(yīng)特性也存在滯后[10]。

由此可見(jiàn),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(wú)法滿足低壓EGR系統(tǒng)的高效應(yīng)用要求。

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

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置和測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī),匹配外部EGR系統(tǒng),采用催化器后取氣引入壓氣機(jī)前的低壓EGR方案,并對(duì)EGR回流廢氣進(jìn)行冷卻,通過(guò)空濾器后壓氣機(jī)前進(jìn)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(dòng)增壓器與渦輪增壓器壓氣機(jī)串聯(lián),加裝在EGR引入口下游,在電增壓器不工作時(shí),新鮮空氣與EGR回流廢氣混合后通過(guò)旁通管路進(jìn)入廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)。試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)布置如圖1所示,試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)布置

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

試驗(yàn)臺(tái)架所用測(cè)功機(jī)為奧地利AVL電渦流測(cè)功機(jī),采用AVL 735s油耗測(cè)量?jī)x測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量,缸內(nèi)壓力測(cè)量采用Kistler 6115B型缸壓傳感器,發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放(CO,HC,NOx,CO2,O2等)通過(guò)HORIBA MEXA-7100DEGR進(jìn)行測(cè)量,其它設(shè)備有AVL PUMA臺(tái)架控制測(cè)試系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)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(yàn)用電動(dòng)增壓器參數(shù)見(jiàn)表2,試驗(yàn)儀器及傳感器主要參數(shù)件見(jiàn)表3。

表2 電動(dòng)增壓器主要技術(shù)參數(shù)

表3 試驗(yàn)儀器及技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

本研究主要目的是探索發(fā)動(dòng)機(jī)加裝電動(dòng)增壓器時(shí),實(shí)現(xiàn)最大EGR率的潛力,且研究低壓EGR與電動(dòng)增壓對(duì)汽油機(jī)節(jié)能減排和瞬態(tài)響應(yīng)特性影響的協(xié)同作用。

試驗(yàn)研究中選擇發(fā)動(dòng)機(jī)典型轉(zhuǎn)速外特性和典型部分負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行研究,如表4所示。

表4 試驗(yàn)研究工況

同時(shí)在各工況下控制燃燒循環(huán)變動(dòng)COV在4%以內(nèi),探索EGR率的使用極限。試驗(yàn)過(guò)程中優(yōu)先使用廢氣渦輪增壓,在渦輪增壓能力達(dá)到極限時(shí),起動(dòng)電動(dòng)增壓器參與工作,提高EGR率和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣能力,直到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能無(wú)顯著改善或燃燒開(kāi)始惡化為止。用此試驗(yàn)方法對(duì)比電動(dòng)增壓起動(dòng)參與工作后發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo),即經(jīng)濟(jì)性、排放性能和瞬態(tài)響應(yīng)特性。試驗(yàn)過(guò)程中汽油機(jī)運(yùn)行中使用的EGR率表達(dá)式為

(1)

式中：REGR為EGR率,%;Rco2(in)為中冷后進(jìn)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(yàn)研究結(jié)果及分析

2.1 電動(dòng)增壓器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)EGR系統(tǒng)的促進(jìn)作用

2.1.1 電動(dòng)增壓器對(duì)外特性EGR性能影響

EGR在引入渦輪增壓時(shí),能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放,但是在中低轉(zhuǎn)速時(shí)由于廢氣的能量不足導(dǎo)致渦輪增壓器轉(zhuǎn)速低,壓氣機(jī)做功能力弱而無(wú)法引入。因此在中低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時(shí)候EGR的效果無(wú)法充分發(fā)揮作用,而使用了電動(dòng)增壓器后,使低轉(zhuǎn)速下EGR率能明顯上升,這是因?yàn)殡妱?dòng)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(dòng)機(jī)1 250～4 000 r/min外特性新鮮進(jìn)氣與EGR流量。

圖2 電動(dòng)增壓器工作后外特性最高EGR率對(duì)比

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣時(shí)新鮮進(jìn)氣與EGR流量

如圖2中所示,電動(dòng)增壓器工作后,本來(lái)無(wú)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高和負(fù)荷增加,渦輪增壓器的能力越來(lái)越強(qiáng),開(kāi)始不需要電動(dòng)增壓器的介入,EGR率在4 000 r/min時(shí)已經(jīng)完全不需要電動(dòng)增壓器介入。

很多研究表明[14-16],電動(dòng)增壓器的介入使發(fā)動(dòng)機(jī)的低速工況動(dòng)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(dòng)增壓器作用下提高后對(duì)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(duì)爆震的抑制,發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用更為激進(jìn)的點(diǎn)火角,燃燒相位提前,從而使外特性工況的經(jīng)濟(jì)性獲得明顯改善。電動(dòng)增壓器促進(jìn)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(dòng)機(jī)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(dòng)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(huì)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(dòng)增壓器對(duì)部分負(fù)荷EGR性能影響

1 500 r/min和2 000 r/min是車(chē)用汽油機(jī)實(shí)際應(yīng)用中最常用的轉(zhuǎn)速,因此本文對(duì)這兩個(gè)轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷下電動(dòng)增壓器介入工作前后的EGR和發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化進(jìn)行了研究。

圖7為1 500 r/min和2 000 r/min電動(dòng)增壓器介入工作前后發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷能達(dá)到的最高EGR率對(duì)比。低負(fù)荷電增壓器是否工作對(duì)EGR率影響不明顯,但是中高負(fù)荷,電增壓器對(duì)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?yàn)樵诘拓?fù)荷,進(jìn)氣壓力較低且新鮮空氣的進(jìn)氣量也較少,因此比較容易引入尾氣且能達(dá)到較高EGR率,并不需要電增壓的輔助作用。但是隨著負(fù)荷的提升,進(jìn)排氣管的壓差減小開(kāi)始無(wú)法順利提高EGR率。在沒(méi)有電動(dòng)增壓器輔助的情況下,1 500 r/min,1.4 MPa工況EGR率僅能達(dá)到5%。而電增壓器工作后,能達(dá)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(dòng)增壓器工作后部分負(fù)荷最高EGR率對(duì)比

圖8為EGR率在電動(dòng)增壓器介入工作后對(duì)部分負(fù)荷油耗率的影響。從圖8電增壓器介入點(diǎn)來(lái)看,原機(jī)部分負(fù)荷工況在EGR的作用下還有很大節(jié)油空間,只是由于進(jìn)排氣兩端壓差不足EGR率無(wú)法提升不能進(jìn)一步發(fā)揮EGR的節(jié)油作用。

圖8 EGR率提高后部分負(fù)荷油耗率變化

原機(jī)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(dá)到了10.8%和8.4%。負(fù)荷降低后,電增壓的效果開(kāi)始降低,在1.1 MPa工況電增壓輔助油耗在原機(jī)EGR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上又降低了7.2%和3.7%。但是EGR率超過(guò)30%后,油耗開(kāi)始上升,過(guò)多的廢氣引入會(huì)導(dǎo)致燃燒惡化。

圖9 EGR率提高后部分負(fù)荷NOx排放變化

圖9為電增壓器介入工作后,部分負(fù)荷下NOx排放的進(jìn)一步降低的效果。在原機(jī)EGR系統(tǒng)作用的基礎(chǔ)上,電動(dòng)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(guò)30%后,THC排放會(huì)有較明顯升高,如圖10所示。

圖10 EGR率提高后部分負(fù)荷THC排放變化

2.2 電動(dòng)增壓器對(duì)瞬態(tài)特性的影響

2.2.1 電動(dòng)增壓器對(duì)動(dòng)力響應(yīng)特性影響

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

圖11 電動(dòng)增壓器工作時(shí)扭矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程

圖12 電動(dòng)增壓器工作時(shí)缸內(nèi)IMEP的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程

在沒(méi)有電增壓器工作時(shí),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(dòng)力性提升響應(yīng)時(shí)間縮短2/3,對(duì)帶放氣閥廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力瞬態(tài)響應(yīng)特性有極大地改善。這主要是由于對(duì)于傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī),雖然油門(mén)開(kāi)度可以迅速提升到100%,但轉(zhuǎn)矩增加會(huì)有所遲滯,這是因?yàn)樘嵘齽?dòng)力時(shí)首先需要增加進(jìn)氣量,進(jìn)而增加排氣能量加速渦輪,渦輪加速后繼續(xù)增加進(jìn)氣量,從而達(dá)到動(dòng)力輸出要求,在此過(guò)程中存在進(jìn)排氣容積遲滯、渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí),電機(jī)近乎瞬間轉(zhuǎn)速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì),大大提升了進(jìn)氣歧管壓力的建立速度,因而發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力瞬態(tài)響應(yīng)獲得巨大提升。圖13展示了電動(dòng)增壓器建立進(jìn)氣歧管壓力的瞬態(tài)過(guò)程,可以看出電增壓工作時(shí)歧管壓力迅速建立,轉(zhuǎn)矩輸出增加,同時(shí)伴隨著點(diǎn)火角的快速調(diào)整。

圖13 電動(dòng)增壓器工作時(shí)進(jìn)氣歧管壓力動(dòng)態(tài)建立過(guò)程

2.2.2 電動(dòng)增壓器對(duì)EGR率瞬態(tài)響應(yīng)的影響

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

圖14 電動(dòng)增壓器對(duì)EGR提升的動(dòng)態(tài)影響

發(fā)動(dòng)機(jī)處于加速工況時(shí),隨著負(fù)荷的持續(xù)增加,EGR率需要提升,以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷工況采用相對(duì)較高EGR率抑制爆震并改善燃油經(jīng)濟(jì)性的需求;此時(shí)進(jìn)氣管路中節(jié)流閥開(kāi)度減小,以提升低壓EGR管路與壓氣機(jī)前進(jìn)氣管路的壓差,促進(jìn)歧管EGR濃度的提升。電增壓工作時(shí),在進(jìn)氣管路會(huì)產(chǎn)生泵吸作用,有效提升了進(jìn)氣歧管EGR率的建立速度,EGR率從5%提升到15%原機(jī)需要2.5 s,而在電增壓器的輔助下,能在1.2 s內(nèi)達(dá)到目標(biāo)EGR率,提前了發(fā)動(dòng)機(jī)以優(yōu)越的控制參數(shù)(較高EGR率與激進(jìn)的點(diǎn)火提前角)運(yùn)行的時(shí)間 點(diǎn),取得了發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能提升的綜合效果。

3 結(jié)論

1) 電動(dòng)增壓器能不受尾氣能量不足的限制,在低負(fù)荷大量引入EGR率,能達(dá)到20%以上,這能大大降低原本由于壓差不足無(wú)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(fù)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(dòng)增壓器能大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力瞬態(tài)響應(yīng),1 500 r/min從0.2 MPa上升到1.5 MPa的時(shí)間縮短了2/3。

3) 電動(dòng)增壓器也能很好地消除低壓EGR率的遲滯問(wèn)題,工況改變時(shí),EGR率的達(dá)到目標(biāo)比例只需原機(jī)時(shí)間的一半。