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(jù)《乘用車燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》第三階段要求2020年當(dāng)年乘用車新車平均燃料消耗量達(dá)到5.0L/100Km；另一方面，國(guó)內(nèi)排放法規(guī)也日趨嚴(yán)格，減少汽車排放污染物已經(jīng)成為治理大氣污染的重要工作。這對(duì)于自主車企來說，都無疑是巨大的挑戰(zhàn)。為了解決這一問題，不同車企紛紛采取不同的技術(shù)手段來降低燃油消耗量以及污染物排放量。在柴油機(jī)上已被成熟應(yīng)用的廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)被嘗試引入到汽油機(jī)中。本章主要介紹通過設(shè)置合理的EGR率，達(dá)到優(yōu)化整車的NEDC循環(huán)排放及油耗的實(shí)際效果。

2 外部EGR控制基本原理

2.1 EGR系統(tǒng)簡(jiǎn)介

廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)是降低汽油機(jī)燃油耗的一項(xiàng)有利技術(shù)，通過將燃燒后的廢氣經(jīng)過冷卻后，引入進(jìn)氣歧管中，可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失，達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率的作用，同時(shí)廢氣進(jìn)入進(jìn)氣道，可以有效抑制爆震，通過提高壓縮比、提前點(diǎn)火時(shí)刻，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率[1]，在降低燃油消耗率的同時(shí)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(tǒng)結(jié)構(gòu)。EGR系統(tǒng)主要由傳感器、控制器（ECU）和

執(zhí)行器（EGR閥）組成。廢氣再循環(huán)程度可用EGR 率表示，其定義為[2]：

試驗(yàn)研究證明，廢氣再循環(huán)率（EGR率）越高，NOX排放越低。但是，過高的廢氣再循環(huán)率，會(huì)對(duì)混合氣的燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生很大影響。因此，合理地控制EGR閥的開閉及開度才能使發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性達(dá)到理想的效果。

2.2 EGR閥控制方法

電控EGR系統(tǒng)控制一般采用PID閉環(huán)控制。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，ECU采集各傳感器發(fā)出的冷卻水溫度、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度等信號(hào)，再根據(jù)這些信號(hào)控制EGR閥的開啟程度，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài)。

在EGR 控制系統(tǒng)中，ECU里預(yù)先存儲(chǔ)了該EGR系統(tǒng)的MAP圖，此MAP圖是根據(jù)在臺(tái)架標(biāo)定試驗(yàn)中不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況時(shí)的最佳EGR率繪制的三維坐標(biāo)圖[3]。此MAP圖是EGR系統(tǒng)的控制依據(jù)，是在試驗(yàn)中調(diào)整各類傳感器信號(hào)的大小，再根據(jù)排放指標(biāo)及發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性要求，來確定的最佳EGR率。由于EGR系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作有很大影響，如若控制不當(dāng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性都會(huì)造成負(fù)面影響。EGR率的控制原則主要有以下三點(diǎn)[4]：

表1 試乘試駕車壞路主觀評(píng)價(jià)得分

圖1

（1）為避免燃燒不穩(wěn)定，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工況、怠速和減速工況及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫低于70 ℃或超過100 ℃時(shí)應(yīng)停止EGR控制。

（2）怠速及低負(fù)荷時(shí)，混合氣較濃，廢氣中惰性氣體含量高，引入廢氣將會(huì)造成燃燒不穩(wěn)定，發(fā)動(dòng)機(jī)很容易熄火，而且，低負(fù)荷對(duì)NOx的貢獻(xiàn)率不高，采用EGR的意義不大，需關(guān)閉EGR閥。

（3）隨著負(fù)荷的增加，在保證動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，使EGR率增加至允許限度。大負(fù)荷、高速及油門全開時(shí)，為了保證功率輸出，對(duì)EGR的使用應(yīng)有一定限制。具體控制策略如下[7]：

3 EGR整車Ⅰ型試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方法

利用ECU控制EGR功能的開啟與關(guān)閉分別進(jìn)行兩次I型試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)排放和油耗結(jié)果進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)鼓上車輛損失（Vehicle Loss）阻力和轉(zhuǎn)鼓設(shè)定阻力（Dyno set）阻力之和模擬了實(shí)際道路阻力[5]；根據(jù)GB18352.5-2013中對(duì)汽車道路載荷進(jìn)行測(cè)量，得到實(shí)際道路阻力；把實(shí)際道路阻力設(shè)成轉(zhuǎn)股設(shè)定阻力（Dyno set），再根據(jù)GB18352.5-2013中轉(zhuǎn)鼓滑行方法，得到轉(zhuǎn)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(jù)GB18352.5-2013（輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法中國(guó)第五階段）進(jìn)行Ⅰ型試驗(yàn)（常溫下冷啟動(dòng)后排放污染物試驗(yàn)）；Ⅰ型試驗(yàn)采用NEDC工況進(jìn)行試驗(yàn)，NEDC工況由4個(gè)市區(qū)工況和1個(gè)郊區(qū)工況組成，每個(gè)市區(qū)工況運(yùn)行時(shí)間為195s，1個(gè)市區(qū)工況運(yùn)行時(shí)間為400s，整個(gè)NEDC循環(huán)運(yùn)行時(shí)間為19min40s；按Ⅰ型試驗(yàn)要求先做預(yù)處理浸車14小時(shí)，隨后分別做4次NEDC試驗(yàn)，保證每次之間浸車14小時(shí)，中間不起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)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(jù)控制策略正常工作，第3、4次關(guān)閉EGR功能，EGR一直保持全閉狀態(tài)。每次試驗(yàn)都能保證運(yùn)行車速在GB18352.5-2013規(guī)定范圍誤差內(nèi)，并且為同一個(gè)司機(jī)進(jìn)行操作，試驗(yàn)過程收集排放物，通過排放分析儀進(jìn)行排放物結(jié)果計(jì)算，并使用碳平衡法進(jìn)行油耗結(jié)果計(jì)算。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

ECU控制EGR功能的開啟與關(guān)閉分別進(jìn)行兩次I型試驗(yàn)，2次試驗(yàn)結(jié)果如下表，

對(duì)比兩次試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本次試驗(yàn)車輛的EGR系統(tǒng)對(duì)排放影響較小，但是對(duì)油耗的改善卻十分明顯。

EGR系統(tǒng)良好的降低NOx排放的效果看起來在本次試驗(yàn)車型上并沒能得到驗(yàn)證，我們又分析了實(shí)驗(yàn)過程中NOx排放的秒采數(shù)據(jù)（圖2）。從圖中可以看出，在試驗(yàn)后期高速段，不帶EGR功能的NOx排放量在1150-1100秒這段時(shí)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(yàn)帶EGR功能時(shí)的油耗比不帶EGR功能時(shí)的油耗減小了5.6%，效果十分可觀。EGR對(duì)各負(fù)荷工況的都有降低油耗的效果。小負(fù)荷的燃油消耗率優(yōu)化來自于傳熱損失的降低，機(jī)械損失不變，排氣損失略有增大；中負(fù)荷時(shí)傳熱損失和排氣損失對(duì)燃油消耗率優(yōu)化的均有所貢獻(xiàn)，機(jī)械損失略有增大。大負(fù)荷時(shí)的優(yōu)化主要來自于排氣損失，傳熱損失和機(jī)械損失略有增大[8]。圖3是整個(gè)試驗(yàn)循環(huán)中的車輛模擬運(yùn)行速度和EGR閥PWM（占空比）信號(hào)數(shù)值，可以看到，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫升高，EGR開始工作，EGR閥的開啟大多在加速或大負(fù)荷工況，在最后的高速工況持續(xù)開啟。從圖3和圖4發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度和水溫的對(duì)比也可以看出，帶EGR功能總體的進(jìn)氣溫度更高，水溫升高的略快一點(diǎn)，這也從側(cè)面證實(shí)了EGR對(duì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失做出的貢獻(xiàn)，再加上泵其損失的降低，自然就得到了油耗的改善的結(jié)果。

圖2

圖3

圖4

圖6為兩次試驗(yàn)排溫模型溫度對(duì)比，可以看出帶EGR功能試驗(yàn)時(shí)，排氣溫度比不帶EGR功能的排氣溫度略低，也從側(cè)面證實(shí)了EGR功能對(duì)降低燃燒溫度的效果。

5 結(jié)語

綜上所述，汽油機(jī)使用EGR對(duì)高速階段NOx排放物產(chǎn)生可以起到較為明顯的抑制作用，同時(shí)，EGR又可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的泵氣損失和排氣熱損失，達(dá)到明顯的降低油耗的效果。從排氣溫度上來看，EGR對(duì)降低燃燒溫度及減少爆震也有一定作用。

圖6