EGR系統對某汽油機排放及油耗影響的研究

彭有榮 黃柳升 范永鵬

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

根據《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》第三階段要求2020年當年乘用車新車平均燃料消耗量達到5.0L/100Km；另一方面，國內排放法規也日趨嚴格，減少汽車排放污染物已經成為治理大氣污染的重要工作。這對于自主車企來說，都無疑是巨大的挑戰。為了解決這一問題，不同車企紛紛采取不同的技術手段來降低燃油消耗量以及污染物排放量。在柴油機上已被成熟應用的廢氣再循環（EGR）技術被嘗試引入到汽油機中。本章主要介紹通過設置合理的EGR率，達到優化整車的NEDC循環排放及油耗的實際效果。

2 外部EGR控制基本原理

2.1 EGR系統簡介

廢氣再循環（EGR）技術是降低汽油機燃油耗的一項有利技術，通過將燃燒后的廢氣經過冷卻后，引入進氣歧管中，可以有效降低發動機的泵氣損失，達到提高發動機的機械效率的作用，同時廢氣進入進氣道，可以有效抑制爆震，通過提高壓縮比、提前點火時刻，改善發動機的熱效率[1]，在降低燃油消耗率的同時又能有效降低氮氧化物的排放。圖一為常見的ECU電控EGR系統結構。EGR系統主要由傳感器、控制器（ECU）和

執行器（EGR閥）組成。廢氣再循環程度可用EGR 率表示，其定義為[2]：

試驗研究證明，廢氣再循環率（EGR率）越高，NOX排放越低。但是，過高的廢氣再循環率，會對混合氣的燃燒和發動機的性能產生很大影響。因此，合理地控制EGR閥的開閉及開度才能使發動機的經濟性、動力性和排放性達到理想的效果。

2.2 EGR閥控制方法

電控EGR系統控制一般采用PID閉環控制。系統運行時，ECU采集各傳感器發出的冷卻水溫度、進氣溫度、進氣壓力、發動機轉速、節氣門開度等信號，再根據這些信號控制EGR閥的開啟程度，使發動機始終處于最佳工作狀態。

在EGR 控制系統中，ECU里預先存儲了該EGR系統的MAP圖，此MAP圖是根據在臺架標定試驗中不同發動機工況時的最佳EGR率繪制的三維坐標圖[3]。此MAP圖是EGR系統的控制依據，是在試驗中調整各類傳感器信號的大小，再根據排放指標及發動機動力性經濟性要求，來確定的最佳EGR率。由于EGR系統對發動機的工作有很大影響，如若控制不當，對發動機動力性、燃油經濟性及排放性都會造成負面影響。EGR率的控制原則主要有以下三點[4]：

表1 試乘試駕車壞路主觀評價得分

圖1

（1）為避免燃燒不穩定，發動機起動工況、怠速和減速工況及發動機冷卻水溫低于70 ℃或超過100 ℃時應停止EGR控制。

（2）怠速及低負荷時，混合氣較濃，廢氣中惰性氣體含量高，引入廢氣將會造成燃燒不穩定，發動機很容易熄火，而且，低負荷對NOx的貢獻率不高，采用EGR的意義不大，需關閉EGR閥。

（3）隨著負荷的增加，在保證動力性和燃油經濟性的基礎上，使EGR率增加至允許限度。大負荷、高速及油門全開時，為了保證功率輸出，對EGR的使用應有一定限制。具體控制策略如下[7]：

3 EGR整車Ⅰ型試驗及結果分析

3.1 試驗方法

利用ECU控制EGR功能的開啟與關閉分別進行兩次I型試驗，對試驗排放和油耗結果進行分析。轉鼓上車輛損失（Vehicle Loss）阻力和轉鼓設定阻力（Dyno set）阻力之和模擬了實際道路阻力[5]；根據GB18352.5-2013中對汽車道路載荷進行測量，得到實際道路阻力；把實際道路阻力設成轉股設定阻力（Dyno set），再根據GB18352.5-2013中轉鼓滑行方法，得到轉鼓上車輛損失阻力（Vehicle Loss）；使用同一輛車、同一組道路阻力和同一車輛損失阻力，依據GB18352.5-2013（輕型汽車污染物排放限值及測量方法中國第五階段）進行Ⅰ型試驗（常溫下冷啟動后排放污染物試驗）；Ⅰ型試驗采用NEDC工況進行試驗，NEDC工況由4個市區工況和1個郊區工況組成，每個市區工況運行時間為195s，1個市區工況運行時間為400s，整個NEDC循環運行時間為19min40s；按Ⅰ型試驗要求先做預處理浸車14小時，隨后分別做4次NEDC試驗，保證每次之間浸車14小時，中間不起動發動機，試驗前需要保證每次蓄電池電壓一致（大于12.3V）；第1、2次打開EGR功能，EGR根據控制策略正常工作，第3、4次關閉EGR功能，EGR一直保持全閉狀態。每次試驗都能保證運行車速在GB18352.5-2013規定范圍誤差內，并且為同一個司機進行操作，試驗過程收集排放物，通過排放分析儀進行排放物結果計算，并使用碳平衡法進行油耗結果計算。

3.2 試驗結果分析

ECU控制EGR功能的開啟與關閉分別進行兩次I型試驗，2次試驗結果如下表，

對比兩次試驗結果可以看出，本次試驗車輛的EGR系統對排放影響較小，但是對油耗的改善卻十分明顯。

EGR系統良好的降低NOx排放的效果看起來在本次試驗車型上并沒能得到驗證，我們又分析了實驗過程中NOx排放的秒采數據（圖2）。從圖中可以看出，在試驗后期高速段，不帶EGR功能的NOx排放量在1150-1100秒這段時間明顯升高，說明EGR能有效減少高速段NOx排放。

油耗方面，本次試驗帶EGR功能時的油耗比不帶EGR功能時的油耗減小了5.6%，效果十分可觀。EGR對各負荷工況的都有降低油耗的效果。小負荷的燃油消耗率優化來自于傳熱損失的降低，機械損失不變，排氣損失略有增大；中負荷時傳熱損失和排氣損失對燃油消耗率優化的均有所貢獻，機械損失略有增大。大負荷時的優化主要來自于排氣損失，傳熱損失和機械損失略有增大[8]。圖3是整個試驗循環中的車輛模擬運行速度和EGR閥PWM（占空比）信號數值，可以看到，隨著試驗進行，發動機水溫升高，EGR開始工作，EGR閥的開啟大多在加速或大負荷工況，在最后的高速工況持續開啟。從圖3和圖4發動機進氣溫度和水溫的對比也可以看出，帶EGR功能總體的進氣溫度更高，水溫升高的略快一點，這也從側面證實了EGR對減少發動機熱損失做出的貢獻，再加上泵其損失的降低，自然就得到了油耗的改善的結果。

圖2

圖3

圖4

圖6為兩次試驗排溫模型溫度對比，可以看出帶EGR功能試驗時，排氣溫度比不帶EGR功能的排氣溫度略低，也從側面證實了EGR功能對降低燃燒溫度的效果。

5 結語

綜上所述，汽油機使用EGR對高速階段NOx排放物產生可以起到較為明顯的抑制作用，同時，EGR又可以減少發動機運行過程中的泵氣損失和排氣熱損失，達到明顯的降低油耗的效果。從排氣溫度上來看，EGR對降低燃燒溫度及減少爆震也有一定作用。

圖6