GT-SUITE论文｜低压EGR系统的瞬态响应性研究
摘要由于废气再循环（EGR）技术显著的降油耗效果，近些年来被越来越多地应用于汽油机。EGR系统根据其取气和引入位置的不同，分为高压EGR和低压EGR。与高压EGR系统相比，低压EGR系统具有使用工况范围更广和EGR各缸分配更均匀的优点，一般来说其降油耗效果好于高压EGR系统。但由于EGR气体流经管路较长，低压EGR也具有响应性较慢的缺点，这给发动机的瞬态工况控制带来挑战。本文采用GT-Power软件，模拟发动机瞬态工况，研究EGR气体响应规律，为后续的发动机瞬态工况控制提供依据。关键词低压EGR、瞬态响应、GT-Power软件作者：王莹臻 徐政 郭凯 王艳军来自：上海汽车集团股份有限公司技术中心前言过去数十年中，废气再循环（EGR）系统因其降低NOX排放的效果明显，已经成为柴油机的主流技术，应用较为成熟。在越来越严苛的排放和油耗法规压力下，汽车行业需要研制出更高功率密度的点燃式发动机。由于EGR技术显著的降油耗效果，近些年来被越来越多地研究应用于汽油机[1]~[4]。由于EGR气体的比热容较大，引入后可以降低缸内温度，减少散热损失。在较低负荷区域，引入EGR，还可以增大节气门开度，降低泵气损失，从而降低发动机油耗。在高负荷区域，由于缸内温度降低，还可以抑制爆震倾向，采用更大的点火提前角，提升燃烧热效率，从而降低发动机油耗。在高速高负荷区域，由于排温降低，引入EGR还可以扩展Lambda等于1的区域，改善排放性能。如图1所示，EGR系统应用于增压汽油发动机时，根据其取气和引入位置的不同，分为高压EGR系统（HP-EGR）和低压EGR系统（LP-EGR）。HP-EGR从排气系统的涡轮之前取气，通入压气机之后，EGR气体压力较高。而LP-EGR从涡轮后取气，通入压气机前，EGR气体压力较低。从使用工况范围比较，LP-EGR的使用范围更广。在低速高负荷区域，由于增压压力高于涡前压力，HP-EGR无法引入EGR气体。另外，HP-EGR引入EGR气体的位置离气缸距离较近，存在EGR在各缸分配不均匀的问题。EGR的引入虽然可以抑制爆震，但过多的EGR气体也会影响燃烧稳定性，因此存在EGR率引入限值。若存在各缸分配不均匀现象，通入EGR较多的气缸，会较早达到EGR率限值，从而影响降油耗效果。综上所述，一般来说，LP-EGR的降油耗效果好于HP-EGR。但LP-EGR也存在缺点，由于EGR气体在压气机之前通入进气系统，其流经管路较长，因此EGR响应性较慢。从EGR阀的打开到EGR气体流入进气歧管和气缸存在一定的时间间隔，这可能会给发动机的瞬态工况控制带来挑战。EGR气体的引入会影响点火角控制和进气量计算，因此很可能需要增加控制策略估算和追踪EGR气体何时到达进气歧管。本文所做研究，就是为了了解采用LP-EGR系统的发动机在瞬态工况下，EGR气体存在多少迟滞，以及对发动机精确控制可能带来的影响。 图1 高压EGR和低压EGR方法介绍本文研究基于如表1所示的1.5L发动机。表1 发动机技术参数 搭建采用LP-EGR系统的发动机GT-Power模型如图2所示。EGR系统包括EGR管路、EGR冷却器和EGR阀。根据单体试验结果，输入EGR冷却器效率和EGR阀的流量系数。根据全负荷发动机台架试验结果，对模型进行标定。标定参数包括：发动机进排气系统各处温度及压力、充气效率、进气量、功率、扭矩、缸压和比油耗等。如图3和图4所示，分别为进气量和进气歧管压力的标定结果，计算误差在3%之内，可以用于仿真研究。 图2 GT-Power模型 图3 进气流量标定结果 图4 进气歧管压力标定结果仿真分析中EGR率的定义如式（1）所示，其中mEGR为EGR气体的质量流量，mair为进气中的空气质量流量。 式（1） 瞬态工况仿真及结果分析分析工况分别进行如下四种瞬态工况的仿真：1）发动机工况固定在转速3000rpm负荷 BMEP 11bar，EGR率由20%过渡到0。该工况在实际车辆运行中并不出现，仅作为现象研究的对照。实际中，3000rpm 11bar下可引入EGR率较大，达到20%左右。2）3000rpm转速下，负荷由BMEP 11bar到全负荷过渡。全负荷工况下，不引入EGR，EGR率为0。3） 2000rpm 2bar到3000rpm 11bar。如上所述，3000rpm 11bar下EGR率为20%，而2000rpm 2bar下，由于负荷较小，可以采用较大比例的内部EGR，外部EGR率为0。4）3000rpm 11bar到2000rpm 2bar，EGR率由20%变为0。结果分析如图5~8所示，分别为四个瞬态工况下流经发动机不同位置的EGR率随时间变化情况。虚线代表EGR开度，蓝色实线为EGR率目标，其他实线按顺序分别为流经EGR阀、进气歧管谐振腔、第一缸进气道入口和缸内的EGR率数值。以工况1为例，4s之前为3000rpm 11bar EGR率20%的稳定工况。4s后第一个循环，EGR率目标由20%变为0，EGR阀关闭。将时间换算为发动机循环，则EGR阀关闭后1个循环通过EGR阀处的EGR率由20%变为0.5%；EGR阀关闭后第8个循环进气歧管谐振腔处的EGR率由20%变为0.5%；EGR阀关闭后第9个循环通过进气道处的EGR率由22%变为约2%；EGR阀关闭后第11个循环缸内EGR率由24%变为约5%。进气道和缸内的EGR率最终稳定值高于EGR阀处的EGR率，这是由于EGR率中包括了外部EGR和内部EGR。 图5 工况1下发动机不同位置EGR率随时间变化 图6 工况2下发动机不同位置EGR率随时间变化 图7 工况3下发动机不同位置EGR率随时间变化如表2所示，四个工况下EGR气体在流经不同位置时均存在不同程度的迟滞，距离EGR阀越远迟滞越多。由于进气歧管到进气道和缸内距离较短，故这三个位置之间的迟滞时间较短，主要的迟滞发生在EGR阀和进气歧管之间。工况2和工况1相比，迟滞时间减少一个发动循环，主要由于发动机工况过渡为全负荷后，进气流量增加，流速增大。而工况3和工况4中，起始工况和终了工况均为2000rpm 2bar，该工况下流量较小，故迟滞时间明显长于工况1和工况2。工况4过渡之后的流量小，其迟滞时间最长，但由于转速较低，一个发动机循环对应的时间较长，将迟滞时间换算到发动机循环后反而较小（2000rpm下一个发动机循环为0.06s，3000rpm下一个循环为0.04s）。表2 发动机不同位置处的EGR迟滞情况（单位：发动机循环） EGR气体的引入会影响点火角控制和进气量计算，若仅根据EGR阀动作判断何时引入EGR气体，从计算结果可知，在一些工况下，将导致超过20个发动机循环的点火角不合理和进气量计算错误。ECU错误判断EGR引入后，将会过早地提前点火角，这可能导致发动机发生爆震；也会因为认为进气量中含有一定的EGR气体，而错误计算实际进气量，导致各种控制参数出现偏差。这将严重影响发动机的正常运行，因此有必要增加控制策略估算和追踪EGR气体何时到达进气歧管。如图8所示，发动机工况由3000rpm 11bar变化到2000rpm 2bar后，气道和缸内的EGR率产生了一个峰值，缸内总EGR率已经超过了35%。如果出现这种情况，会导致燃烧不稳定和失火现象。出现该现象的原因是，在EGR阀动作之后，外部EGR率存在明显滞后，并没有立刻降低，而配气相位立刻动作到2000rpm 2bar下重叠角较大的状态，内部EGR率迅速增多，总EGR率超过限值。如图9所示，调整EGR阀动作后的VVT动作速度，使VVT缓慢过渡到2000rpm 2bar状态，可以将缸内总EGR率控制在可承受范围内。 图8 工况4下发动机不同位置EGR率随时间变化 图9 工况4下调整VVT过渡后EGR率随时间变化 结论本文基于某1.5L增压直喷发动机，采用GT-Power软件研究了瞬态工况下低压EGR存在的迟滞现象。结论如下：1）低压EGR系统由于传播路径长，从EGR阀动作到EGR流量进入进气歧管和缸内，存在滞后现象。2）该滞后量会影响发动机瞬态工况下的控制，需要增加控制策略估算和追踪EGR气体何时到达进气歧管，从而根据缸内的实际EGR率，进行点火角控制和进气量计算。3）滞后时间跟进气流量相关，进气流量越小，流速越小，滞后越严重。4）从通入较大外部EGR率的中速中负荷向内部残余废气较多且不通外部EGR的低速小负荷过渡时，由于外部EGR率降低存在迟滞，可能导致过渡过程中总EGR率超出燃烧系统所能承受的极限，出现燃烧不稳定现象。若在过渡过程中，适当减小气门重叠角，可避免该现象。参考文献[1] Helmut Blank, Heinrich Dis mon, Michael W. Kochs等. EGR and Air Management for Direct Injection Gasoline Engines. SAE 2002-01-0707.[2]Alasdair Cairns, Hugh Blaxill，Graham Irlam. Exhaust Gas Recirculation for Improved Part and Full Load Fuel Economy in a Turbocharged Gasoline Engine. SAE 2006-01-0047.[3] Miller, J., Taylor, J., Freeland, P., Warth, M.等. Future Gasoline Engine Technology and the Effect on Thermal Management and Real World Fuel Consumption. SAE 2013-01-0271.[4] Daisuke Takaki, Hirofumi Tsuchida, Tetsuya Kobara, Mitsuhiro Akagi等. Study of an EGR System for Downsizing Turbocharged Gasoline Engine to Improve Fuel Economy [C]. SAE 2014-01-1199.来源：艾迪捷
