EGR系统对某汽油机排放及油耗影响的研究

彭有荣 黄柳升 范永鹏

上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007

1 引言

根据《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》第三阶段要求2020年当年乘用车新车平均燃料消耗量达到5.0L/100Km；另一方面，国内排放法规也日趋严格，减少汽车排放污染物已经成为治理大气污染的重要工作。这对于自主车企来说，都无疑是巨大的挑战。为了解决这一问题，不同车企纷纷采取不同的技术手段来降低燃油消耗量以及污染物排放量。在柴油机上已被成熟应用的废气再循环（EGR）技术被尝试引入到汽油机中。本章主要介绍通过设置合理的EGR率，达到优化整车的NEDC循环排放及油耗的实际效果。

2 外部EGR控制基本原理

2.1 EGR系统简介

废气再循环（EGR）技术是降低汽油机燃油耗的一项有利技术，通过将燃烧后的废气经过冷却后，引入进气歧管中，可以有效降低发动机的泵气损失，达到提高发动机的机械效率的作用，同时废气进入进气道，可以有效抑制爆震，通过提高压缩比、提前点火时刻，改善发动机的热效率[1]，在降低燃油消耗率的同时又能有效降低氮氧化物的排放。图一为常见的ECU电控EGR系统结构。EGR系统主要由传感器、控制器（ECU）和

执行器（EGR阀）组成。废气再循环程度可用EGR 率表示，其定义为[2]：

试验研究证明，废气再循环率（EGR率）越高，NOX排放越低。但是，过高的废气再循环率，会对混合气的燃烧和发动机的性能产生很大影响。因此，合理地控制EGR阀的开闭及开度才能使发动机的经济性、动力性和排放性达到理想的效果。

2.2 EGR阀控制方法

电控EGR系统控制一般采用PID闭环控制。系统运行时，ECU采集各传感器发出的冷却水温度、进气温度、进气压力、发动机转速、节气门开度等信号，再根据这些信号控制EGR阀的开启程度，使发动机始终处于最佳工作状态。

在EGR 控制系统中，ECU里预先存储了该EGR系统的MAP图，此MAP图是根据在台架标定试验中不同发动机工况时的最佳EGR率绘制的三维坐标图[3]。此MAP图是EGR系统的控制依据，是在试验中调整各类传感器信号的大小，再根据排放指标及发动机动力性经济性要求，来确定的最佳EGR率。由于EGR系统对发动机的工作有很大影响，如若控制不当，对发动机动力性、燃油经济性及排放性都会造成负面影响。EGR率的控制原则主要有以下三点[4]：

表1 试乘试驾车坏路主观评价得分

图1

（1）为避免燃烧不稳定，发动机起动工况、怠速和减速工况及发动机冷却水温低于70 ℃或超过100 ℃时应停止EGR控制。

（2）怠速及低负荷时，混合气较浓，废气中惰性气体含量高，引入废气将会造成燃烧不稳定，发动机很容易熄火，而且，低负荷对NOx的贡献率不高，采用EGR的意义不大，需关闭EGR阀。

（3）随着负荷的增加，在保证动力性和燃油经济性的基础上，使EGR率增加至允许限度。大负荷、高速及油门全开时，为了保证功率输出，对EGR的使用应有一定限制。具体控制策略如下[7]：

3 EGR整车Ⅰ型试验及结果分析

3.1 试验方法

利用ECU控制EGR功能的开启与关闭分别进行两次I型试验，对试验排放和油耗结果进行分析。转鼓上车辆损失（Vehicle Loss）阻力和转鼓设定阻力（Dyno set）阻力之和模拟了实际道路阻力[5]；根据GB18352.5-2013中对汽车道路载荷进行测量，得到实际道路阻力；把实际道路阻力设成转股设定阻力（Dyno set），再根据GB18352.5-2013中转鼓滑行方法，得到转鼓上车辆损失阻力（Vehicle Loss）；使用同一辆车、同一组道路阻力和同一车辆损失阻力，依据GB18352.5-2013（轻型汽车污染物排放限值及测量方法中国第五阶段）进行Ⅰ型试验（常温下冷启动后排放污染物试验）；Ⅰ型试验采用NEDC工况进行试验，NEDC工况由4个市区工况和1个郊区工况组成，每个市区工况运行时间为195s，1个市区工况运行时间为400s，整个NEDC循环运行时间为19min40s；按Ⅰ型试验要求先做预处理浸车14小时，随后分别做4次NEDC试验，保证每次之间浸车14小时，中间不起动发动机，试验前需要保证每次蓄电池电压一致（大于12.3V）；第1、2次打开EGR功能，EGR根据控制策略正常工作，第3、4次关闭EGR功能，EGR一直保持全闭状态。每次试验都能保证运行车速在GB18352.5-2013规定范围误差内，并且为同一个司机进行操作，试验过程收集排放物，通过排放分析仪进行排放物结果计算，并使用碳平衡法进行油耗结果计算。

3.2 试验结果分析

ECU控制EGR功能的开启与关闭分别进行两次I型试验，2次试验结果如下表，

对比两次试验结果可以看出，本次试验车辆的EGR系统对排放影响较小，但是对油耗的改善却十分明显。

EGR系统良好的降低NOx排放的效果看起来在本次试验车型上并没能得到验证，我们又分析了实验过程中NOx排放的秒采数据（图2）。从图中可以看出，在试验后期高速段，不带EGR功能的NOx排放量在1150-1100秒这段时间明显升高，说明EGR能有效减少高速段NOx排放。

油耗方面，本次试验带EGR功能时的油耗比不带EGR功能时的油耗减小了5.6%，效果十分可观。EGR对各负荷工况的都有降低油耗的效果。小负荷的燃油消耗率优化来自于传热损失的降低，机械损失不变，排气损失略有增大；中负荷时传热损失和排气损失对燃油消耗率优化的均有所贡献，机械损失略有增大。大负荷时的优化主要来自于排气损失，传热损失和机械损失略有增大[8]。图3是整个试验循环中的车辆模拟运行速度和EGR阀PWM（占空比）信号数值，可以看到，随着试验进行，发动机水温升高，EGR开始工作，EGR阀的开启大多在加速或大负荷工况，在最后的高速工况持续开启。从图3和图4发动机进气温度和水温的对比也可以看出，带EGR功能总体的进气温度更高，水温升高的略快一点，这也从侧面证实了EGR对减少发动机热损失做出的贡献，再加上泵其损失的降低，自然就得到了油耗的改善的结果。

图2

图3

图4

图6为两次试验排温模型温度对比，可以看出带EGR功能试验时，排气温度比不带EGR功能的排气温度略低，也从侧面证实了EGR功能对降低燃烧温度的效果。

5 结语

综上所述，汽油机使用EGR对高速阶段NOx排放物产生可以起到较为明显的抑制作用，同时，EGR又可以减少发动机运行过程中的泵气损失和排气热损失，达到明显的降低油耗的效果。从排气温度上来看，EGR对降低燃烧温度及减少爆震也有一定作用。

图6