混動(dòng)專用自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)EGR系統(tǒng)匹配與應(yīng)用

在國家“雙碳”目標(biāo)的指引下，國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，產(chǎn)銷量逐年提高，2023年產(chǎn)銷量分別達(dá)到了958.7萬輛和949.5萬輛，同比分別增長35.8% 和 37.9% ，市場占有率達(dá) 。在新能源車的強(qiáng)勁市場表現(xiàn)中，混合動(dòng)力汽車的占比正在逐步提升，2023年1月 ～11 月，插電式混合動(dòng)力汽車?yán)塾?jì)銷量為243.9萬輛，同比增長 83.5% ，遠(yuǎn)高于純電動(dòng)汽車 23.6% 的同比增速[2]?，F(xiàn)階段及未來一段時(shí)間，相比純電動(dòng)車，混動(dòng)車在續(xù)航里程方面優(yōu)勢(shì)明顯，使其能夠適用于更大的市場范圍和更多的用戶場景，受到越來越多消費(fèi)者的青睞，各大主機(jī)廠紛紛加大混動(dòng)車型的技術(shù)和產(chǎn)品投入。

在混動(dòng)技術(shù)中，混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)作為降低油耗、提升續(xù)駛里程的核心環(huán)節(jié)之一，近幾年技術(shù)不斷迭代升級(jí)，熱效率大于 40% 的量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)已是市場主流，高壓縮比、長行程、Atkinson/Miller循環(huán)、EGR等關(guān)鍵技術(shù)已成為提升熱效率的行業(yè)共識(shí)[3-5]，被廣泛采用。與高壓縮比、長行程、Atkinson/Miller循環(huán)等更大程度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的技術(shù)相比，EGR技術(shù)在乘用車汽油機(jī)中鮮有被采用，在混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上可以被看作是一項(xiàng)新技術(shù)。本研究依托混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)及混動(dòng)車型的開發(fā)和應(yīng)用，重點(diǎn)圍繞EGR技術(shù)，在EGR取氣位置、各缸EGR均勻性、可使用EGR的環(huán)境條件（溫度、海拔）等方面進(jìn)行研究和分析。

1發(fā)動(dòng)機(jī)及搭載車型介紹

本研究以北汽混合動(dòng)力專用 1.5L 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了高壓縮比、Atkinson循環(huán)、EGR、氣道噴射、進(jìn)氣VVT、電子水泵、可變機(jī)油泵、集成排氣歧管等關(guān)鍵技術(shù)，最高熱效率為42% ，最大扭矩為 132N？m ，額定功率為 77kW .計(jì)劃搭載 A+ 轎車及A級(jí)SUV。發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表1。

2 EGR系統(tǒng)優(yōu)化分析

EGR的取氣位置影響最佳運(yùn)行線（optimaloperatingline，OOL）區(qū)域的性能、最高EGR率及對(duì)排氣背壓的需求等；EGR回氣位置影響各缸EGR均勻性，進(jìn)而影響相應(yīng)工況的燃燒及燃油消耗率。

因此主要對(duì)EGR的取氣位置及回氣位置進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.1 EGR取氣位置

由于整車平臺(tái)排氣系統(tǒng)只有單級(jí)催化器（無GPF），催化器后取氣存在EGR取氣壓力不足的先天劣勢(shì)，因而進(jìn)行了催化器前、后取氣的對(duì)比，不同的取氣位置如圖1所示。

OOL運(yùn)行區(qū)域燃油消耗率對(duì)比如圖2所示。對(duì)于小負(fù)荷工況，催化器前取氣未燃HC等成分加速燃燒，燃燒效率提升，燃油消耗率更低；但對(duì)于高負(fù)荷工況，催化器前取氣爆震傾向更強(qiáng)，點(diǎn)火推遲，燃油消耗率變差[。整車WLTC循環(huán)（CS模式）下，催化器前取氣燃油消耗量下降約 0.05L 。

從取氣壓力、性能、標(biāo)定、布置等方面對(duì)EGR不同取氣位置進(jìn)行了綜合比較：

1）催化器前取氣背壓需求相比催化器后取氣可降低約 10kPa

2）對(duì)于相同的排氣系統(tǒng)，催化器前取氣壓力較高，可實(shí)現(xiàn)更高的EGR率，但綜合燃燒等方面的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)最高熱效率與催化器后取氣方案相當(dāng)；

3）催化器前取氣方案OOL運(yùn)行區(qū)域距外特性較遠(yuǎn)，更利于整車標(biāo)定策略的實(shí)現(xiàn)，但同等功率水平下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，NVH性能變差；

4）對(duì)于催化器前取氣方案，催化器及EGR取氣管與周邊零部件間距更大，在整車布置上更具優(yōu)勢(shì)。

綜上，最終采用EGR催化器前取氣方案。

2.2 各缸EGR均勻性

對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，EGR回氣至進(jìn)氣歧管，進(jìn)入氣缸前與空氣混合的距離短、時(shí)間少，存在混合不均勻的風(fēng)險(xiǎn)，使得各缸燃燒一致性變差，從而導(dǎo)致燃油消耗率惡化，因此重點(diǎn)對(duì)各缸EGR進(jìn)氣均勻性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]。

仿真分析發(fā)現(xiàn)，僅對(duì)進(jìn)氣歧管進(jìn)行常規(guī)穩(wěn)態(tài)CFD分析無法真實(shí)體現(xiàn)出運(yùn)行狀態(tài)下的各缸EGR均勻性，因此采用將三維CFD模型耦合到一維熱力學(xué)模型的分析方法，分析模型如圖3所示。該方法可體現(xiàn)進(jìn)氣歧管形狀及回氣位置對(duì)各缸EGR均勻性的影響，提升分析精度，優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確獲得各缸新鮮空氣量、EGR量、缸內(nèi)殘余廢氣量、燃燒參數(shù)、動(dòng)力性及燃油消耗率等方面的差異，進(jìn)而準(zhǔn)確評(píng)估進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是一維及三維模型耦合瞬態(tài)分析，使用兩套仿真分析軟件，計(jì)算時(shí)間長。

對(duì)多個(gè)EGR回氣位置優(yōu)化方案，選擇4個(gè)典型工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的一維及三維耦合分析。通過對(duì)比各缸EGR均勻性的仿真結(jié)果，并結(jié)合燃油消耗率、AI50偏差以及各缸一致性的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，選出最優(yōu)方案。

優(yōu)化方案：EGR回氣位置盡量靠近節(jié)氣門，使EGR氣體與新鮮空氣有盡可能多的時(shí)間與空間進(jìn)行混合（如圖4所示）。

仿真結(jié)果顯示，EGR回氣位置優(yōu)化后，各缸EGR均勻性偏差大部分在 ±0.5% 以內(nèi)，優(yōu)化前后對(duì)比結(jié)果見表2，可見各缸EGR均勻性表現(xiàn)優(yōu)秀[8]。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，EGR回氣位置優(yōu)化后，OOL運(yùn)行區(qū)域的燃油消耗率整體略有降低，如圖5所示，圖中油耗差異的計(jì)算方法為（優(yōu)化方案油耗一原方案油耗）/原方案油耗 ×100% 。各缸一致性全面達(dá)成設(shè)計(jì)指標(biāo)，OOL運(yùn)行區(qū)域改善尤為明顯，各缸IMEP相對(duì)偏差由 5%～7% 降低至約 3% ，各缸最高燃燒壓力的循環(huán)平均值偏差由 10%～15% 降低至 5%～10% （如圖6所示），具備進(jìn)一步提升EGR率、降低燃油消耗率的潛力。

2.3使用EGR的環(huán)境邊界條件

為避免EGR在使用中產(chǎn)生冷凝[9、結(jié)冰及超溫等非正常情況，本研究從環(huán)境溫度及冷卻液溫度的角度研究可使用EGR的邊界條件；此外還從控制角度給出了高海拔下的EGR率控制策略及相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性分析結(jié)果。

2.3.1環(huán)境溫度及冷卻液溫度

1）防冷凝、結(jié)冰

使用GT-SUITE建立簡易EGR混合前后的一維分析模型，其中換熱模塊考慮冷凝相變因素，模型如圖7所示。

通過仿真分析得到混合氣析出冷凝水的臨界溫度，結(jié)果如表3所示；同時(shí)分析了不同EGR率及不同環(huán)境溫度下的混合氣溫度，結(jié)果如表4所示。綜合以上分析結(jié)果，建議環(huán)境溫度大于等于5℃時(shí)使用EGR技術(shù)比較穩(wěn)妥（即此時(shí)EGR混合氣溫度高于混合氣析出冷凝水的臨界溫度）；從表3還可以看出，隨海拔升高（壓力降低），可使EGR的環(huán)境溫度逐漸降低。

對(duì)于純EGR氣體，氣體溫度大于 時(shí)不會(huì)有冷凝水析出，如表5所示，穩(wěn)妥起見，建議將開始使用EGR的冷卻液最低溫度設(shè)為 。

需要指出的是，實(shí)際應(yīng)用中并不是不允許冷凝水析出，在析出量不多的情況下，只要做到隨析出隨帶走，而非聚集在一處，便不會(huì)存在燃燒不穩(wěn)定或失火的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而拓展EGR使用場景，因此，對(duì)進(jìn)氣管路設(shè)計(jì)提出不積水的要求，即不要有局部低點(diǎn)。

2）防超溫

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度超過一定限值后，應(yīng)停用EGR技術(shù)防止冷卻液溫度繼續(xù)上升，建議在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度超過110℃后停用EGR技術(shù)。

2.3.2 海拔

EMS控制中需要根據(jù)海拔對(duì)EGR率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整方法為在 0km 海拔EGR率控制目標(biāo)的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)海拔的修正系數(shù)。本研究將展示通過仿真手段給出的EGR率海拔修正系數(shù)建議值及相應(yīng)的燃油消耗率、動(dòng)力性分析結(jié)果。

當(dāng)海拔大于等于 3km 時(shí)，受發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性下降影響，仿真顯示所有工況的AI50已接近 曲軸轉(zhuǎn)角，EGR無抑制爆震、改善燃燒的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大負(fù)荷工況僅有微小的降低傳熱損失的作用，可忽略不計(jì)，因此將EGR率修正系數(shù)設(shè)為0。當(dāng)海拔為 1～ 2km 時(shí)，需要綜合考慮燃油消耗率、動(dòng)力性，并結(jié)合EMS控制的可實(shí)現(xiàn)性后平衡選取。

此外，高海拔環(huán)境下也需要對(duì)VVT控制進(jìn)行修正。VVT高原修正系數(shù)（1表示使用 0km 海拔VVT控制目標(biāo)，0表示使用 5km 海拔VVT控制目標(biāo)， 0～1 之間為在 0～5km 海拔間插值）的整體策略為：中低海拔使用 0km 海拔VVT控制目標(biāo)，高海拔使用 5km 海拔的VVT控制目標(biāo)，中間海拔進(jìn)行插值。

根據(jù)以上原則確定的EGR率及VVT不同海拔修正系數(shù)建議值如圖8所示。

基于上述EGR率及VVT高海拔控制策略計(jì)算的 1～3km 海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率結(jié)果及OOL運(yùn)行線如圖9所示。

3結(jié)論

a）EGR在催化器前取氣方案的動(dòng)力性、最高熱效率與催化器后取氣方案基本相當(dāng)，但可使OOL運(yùn)行線下移，有利于整車標(biāo)定策略的實(shí)現(xiàn)，也可降低排氣系統(tǒng)背壓需求，綜合評(píng)估后采用EGR催化器前取氣方案；

b）通過對(duì)EGR回氣位置進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)EGR與新鮮空氣混合越早對(duì)各缸EGR均勻性越有利，對(duì)進(jìn)氣歧管進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化后，各缸EGR均勻性進(jìn)一步提升，整車常用工況點(diǎn)的各缸EGR均勻性偏差大部分提升至 ±0.5% 以內(nèi)；試驗(yàn)結(jié)果顯示OOL線區(qū)域的燃油消耗率降低 0%～1% ，各缸燃燒一致性改善明顯；

c）使用EGR的溫度邊界建議：環(huán)境溫度大于等于5℃，海拔升高，使用EGR的環(huán)境溫度可降低；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度在 之間時(shí)使用EGR；d）使用EGR技術(shù)的海拔邊界建議：海拔低于3km ；對(duì)于 1～2km 海拔的EGR率進(jìn)行高原修正，綜合考慮動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及控制的可實(shí)現(xiàn)性給出了建議值。

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Matchingand ApplicationofEGRSystemfor Dedicated Hybrid Naturally Aspirated Engine

MA Ke1，JI Xiaoliang2，ZHANG Xiuying1，WANG Yicong1，ZHUANG Linyi1，LIU Xihaol （1.Beijing Automotive Research Institute Co.，Ltd.，Beijing10ll06，China； 2.Beijing Martial Delegate Agency，Equipment Department of Army，Beijing 1ooo71，China）

Abstract：Based on a 1.5L naturally aspirated engine using EGR technology，the optimized matching and analysis of EGR systemwerecarredout，focusingonthesimulationanalysisandexperimentalverificationofEGRgas extractionposition，EGR uniformityofeachcylinder，andEGRusingconditionsinvolvedintheapplicationofEGRsystem.Combinedwiththe simulationand testresults，EGR was selectedtotakegas beforecatalyst，andtheEGRreturnairposition was optimized，sothatthe deviation of EGR rate of each cylinder was controlled within ±0.5% .The temperature of using EGR was suggested to be not lower than at the altitude of 0km ，and could drop while the altitude increased and the temperature of engine coolant should be between and . The altitude proposal of using EGR was that the EGR rate should be corrected at the altitude of lower than 3km bycomprehensively considering theeconomy，the power performance and the achievabilityof ECU control.

Keywords：naturally aspirated engine；hybrid power；EGR；matching

[編輯：袁曉燕]