CN105332828B - 增压型发动机外部冷却egr试验台架及试验方法 - Google Patents

Abstract

增压型发动机外部冷却EGR试验台架及试验方法，它涉及冷却EGR试验台架及试验方法。本发明的目的是为了解决现有技术无法得到最优EGR率的问题。本发明的试验台架的进气管通过节气阀与压气机的输入端建立连接，压气机的输出端通过中冷器连接发动机的进气端，发动机的气体输出端的连接涡轮的输入端，涡轮的气体输出端连接排气管，EGR冷却器的输入端接在涡轮与排气管之前，EGR冷却器的输出端连接电动EGR阀的输入端，电动EGR阀的输出端接在节气阀与压气机之间。本发明的方法有利于完成带外部冷却EGR增压发动机的开发及后续标定试验。

Description

增压型发动机外部冷却EGR试验台架及试验方法

技术领域

本发明涉及冷却EGR试验台架及试验方法，具体涉及增压型发动机外部冷却EGR试验台架及试验方法，属于EGR率试验技术领域。

背景技术

随着排放法规愈来愈严格及人们对汽车经济性要求逐渐提高，小排量增压汽油机已成为汽油机发展的趋势。受爆震影响，增压发动机压缩比相对较低，低压缩比成为增压发动机扭矩提升的瓶颈。外部冷却 EGR技术可以有效抑制爆震，使得压缩比可以提高，燃油经济性及排放可以得到有效改善。而现有技术没有可靠的方法得到EGR率。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术无法得到最优EGR率的问题。

本发明的技术方案是：增压型发动机外部冷却EGR试验台架，包括进气管、节气阀、压气机、中冷器、发动机、测功机、燃烧分析仪、上位机、涡轮、排气管、EGR冷却器、电动EGR阀、EGR控制器和若干管线，所述进气管通过节气阀与压气机的输入端建立连接，压气机的输出端通过中冷器连接发动机的进气端，发动机的气体输出端连接涡轮的输入端，涡轮的气体输出端连接排气管，所述EGR冷却器的输入端接在涡轮与排气管之间，EGR冷却器的输出端连接电动EGR阀的输入端，电动EGR阀的输出端接在节气阀与压气机之间，所述燃烧分析仪、测功机分别连接发动机，上位机与发动机的ECU单元建立通信连接。

所述进气管与节气阀之间设有空气滤。

所述EGR冷却器的输入端与排气管之间设有催化器。

所述涡轮和压气机通过连接轴同轴转动连接。

所述增压型发动机外部冷却EGR试验台架包括排放分析仪、进气侧测点和排气侧测点，进气侧测点在发动机的电子节气门前5cm的管线处，排气侧测点在涡轮与EGR冷却器之间，进气侧测点与排气侧测点的输出端均与排放分析仪建立连接，选取排放测点，需要考虑采集点出气体的均匀性、气体压力是否满足排放分析仪本身的要求，基于所述增压型发动机外部冷却EGR试验台架的试验方法，包括以下几个步骤：

步骤一，在未导入废气时，调整发动机至待测工况点，点火提前角至最优值、调整空燃比和VVT角度，使其达到目标状态值；

步骤二，导入废气，调整EGR率至最大值，调整点火提前角至最优、空燃比和VVT角度至步骤一所述的目标状态值，调整进气量使发动机运行至待测工况点；

步骤三，使发动机保持在待测工况点，选取不同EGR率数值，重复进行步骤二，记录在不同EGR率下对应的燃烧分析仪COV值和CA50数值、油耗率和点火提前角的数值。

步骤四，利用步骤二和步骤三的数据，确定最优EGR率的数值。

步骤一所述空燃比的目标状态为涡轮前排气温度不超过发动机的开发限值，过量空气系数为1时的空燃比数值，所述开发限值根据不同发动机的设计值来确定。

步骤一所述点火提前角的最优值为燃烧分析仪的CA50的数值在6°至8°时或系统退点火角为0.8°时的点火提前角。

步骤二所述EGR率的最大值为发动机在目标工况下正常工作时的能调整的最大EGR率；步骤三所述选取EGR率数值的选取方法为在最大EGR率数值和EGR率为0之间等差选取EGR率。

步骤三所述不同EGR率的调整方法为：通过调整电动EGR阀的开度调整EGR率，当电动EGR阀的开度达到最大时，通过调整节气阀的开度，对EGR率进行调整。

本发明与现有技术相比具有以下效果：实现了EGR试验方法从无到有的转变，通过本发明的试验台架和试验方法得到最佳EGR率，使用该发明专利的试验方法可以顺利完成带外部冷却EGR增压发动机的开发及后续标定试验。

附图说明

图1，本发明试验台架的结构示意图，图中箭头方向标识台架内气体的流动方向；

图2，本发明实施方式的EGR率与COV值之间的关系曲线；

图3，本发明实施方式的EGR率与CA50数值之间的关系曲线；

图4，本发明实施方式的EGR率与比油耗之间的关系曲线；

图5，本发明实施方式的EGR率与点火提前角之间的关系曲线；

图6，本发明实施方式的EGR率为最优点和EGR率为0时的等排气温度特性的对比曲线；

图7，本发明实施方式的EGR率为最优点和EGR率为0时的等燃油消耗率特性的对比曲线；

图8，本发明实施方式的EGR率为最优点和EGR率为0时的等排放物NOx特性对比曲线；

图9，本发明实施方式的EGR率为最优点和EGR率为0时的等排放物THC特性对比曲线；

图10，本发明实施方式的EGR率为最优点和EGR率为0时的等排放物CO特性对比曲线。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式，本实施方式的增压型发动机外部冷却EGR试验台架，包括进气管1、节气阀2、压气机3、中冷器4、发动机5、测功机13、燃烧分析仪14、上位机15、涡轮6、排气管16、EGR冷却器、电动EGR阀8、EGR控制器9和若干管线，所述进气管1通过节气阀2与压气机3的输入端建立连接，压气机3的输出端通过中冷器4连接发动机5的进气端，发动机5的气体输出端连接涡轮6的输入端，涡轮6的气体输出端连接排气管16，所述EGR冷却器的输入端接在涡轮6与排气管16之间，EGR冷却器的输出端连接电动EGR阀8的输入端，电动EGR阀8的输出端接在节气阀2与压气机3之间，所述燃烧分析仪14、测功机13分别连接发动机5，上位机15与发动机5的ECU单元建立通信连接。

如图1所示， ERG冷却器7的输入端为废气导入点P1，电动EGR阀8的输出端为导出点P2，所述废气导入点P1设在涡轮6后，提高了试验安全性以及导入废气量的控制容易性，通过分析进气管1道各部分的压力情况，所述废气导出点P2设在压气机3入口与空气滤11之间。所述P1点和P2点的选择为确保P1点与P2点之间的压力差符合EGR测试系统的要求。

对于发动机5的各试验工况点所导入废气量的多少，主要取决于废气导入点与导出点的压力差，即P1点和P2点处的压力差，以及废气管道的最小通流面积，所述压力差越大，导入废气量越高，最小流通面积越小，导入废气量越小，最终反应在EGR率上面。

试验过程中可能会出现在某些试验工况电动EGR阀8已开至最大，但所导入的废气量仍需增加的情况。通过调整节气阀2开度可提高P2点管道的真空度，以此进一步增加所导入的废气量本实施方式所述的节气阀2为发动机的机械节气门，并利用试验台架的油门执行机构对其进行控制。

经过EGR冷却器的废气温度主要对电动EGR阀8的使用寿命、压气机3的“污浊”情况、导出废气量等有一定影响结合EGR试验系统在整车上的实际工作状态，温度过高和过低都会使实车进气量偏离标定状态，试验中我们将经EGR冷却器冷却后的废气温度控制在100～150℃之间。

所述进气管1与节气阀2之间设有空气滤11。

所述EGR冷却器的输入端与排气管16之间设有催化器10。

所述涡轮6和压气机3通过连接轴17建立同轴转动连接。

所述增压型发动机外部冷却EGR试验台架包括排放分析仪12、进气侧测点和排气侧测点，进气侧测点在发动机5的电子节气门体前5cm出的管线上，排气侧测点在涡轮6与EGR冷却器之间，进气侧测点与排气侧测点的输出端均与排放分析仪12建立连接。

再循环废气量是有关外部EGR研究中的重要参数，常用EGR率进行描述。EGR率是指废气再循环量占进气总量的比值，可用以下两种方法对其进行计算：

1、CO2浓度法

CO2浓度法是指通过测量进气总管、排气总管以及大气环境中的CO2浓度，分别用[CO2]-intake、[CO2]-exhaust、[CO2]-air 表示，利用公式（1-1）进行EGR率的计算。

（1-1）

2、质量流量法

质量流量法是指通过测量再循环废气和吸入新鲜空气的质量流量，分别用Gr和Ga表示，利用公式（1-2）进行EGR率的计算。

（1-2）

基于所述增压型发动机外部冷却EGR试验台架的试验方法，包括以下几个步骤：

步骤一，首先，在未导入废气时，调整发动机5至2600rpm，先通过调节电子节气门开度来增加负荷至目标负荷为6bar，如果电子节气门已开至100%，但负荷仍低于目标值,此时需调整涡轮6增压占空比来满足负荷要求；

然后，点火提前角至最优值，调整空燃比和VVT角度，使其达到目标状态值，所述空燃比以涡轮6前排气温度不超过限值、过量空气系数尽可能逼近1为目标，本实施方式的涡轮6前排温度的限值为930℃，利用上位机15通过ECU单元对空燃比进行调整。

所述点火提前角的最优值的确定以燃烧分析仪14的CA50的数值达到6°～8°之间或者爆震边界即系统退点火角为0.8°时为目标，得到最佳点火提前角，利用上位机15通过ECU单元将点火提前角调整至最佳。

最优VVT角度的确定方法通过ECU调节VVT角度，具体为：固定节气门位置及空燃比，调整VVT角度，可以以5度为步长扫描VVT角度。如分别在-8度、-3度、2度、7度、12度、17度、22度、27度和32度VVT角度下调整点火角至最优记录扭矩及油耗。这8组数据是扭矩最大的VVT角度则为最优。

最后，在确保空燃比及点火提前角均为最优参数，且发动机5运行在6bar /2600rpm工况点时，通过测功机13记录此时的发动机5的燃油消耗值、排气温度、利用排放分析仪12记录排放物NOx值、排放物THC值和排放物CO值；

步骤二，首先，导入废气，发动机5调整至6bar / 2600rpm的工作状态中，调整EGR率至最大值。EGR率的调整方法具体为：首先通过调整EGR阀的开度来调整EGR率，如果EGR阀已开至最大且此时仍想加大EGR率，可通过调整图1中所示的节气阀2开度来加大P2处的真空度，以进一步增加所导入的废气量。

然后，重新调整点火提前角至最优点火提前角，调整空燃比和VVT角度调整至与EGR率为0时一致，并调整进气量使发动机5平稳运行在目标工况点6bar / 2600rpm，通过测功机13记录此时的发动机5的燃油消耗值和排气温度，利用燃烧分析仪14观察并记录燃烧分析仪14的COV值，利用排放分析仪12记录排放物NOx值、排放物THC值和排放物CO值；

COV值表示连续几个工作循环平均有效压力的协方差，可以直接反应燃烧的稳定性，COV值在3%以内时发动机5运行是稳定的。

步骤三，使发动机5保持在6bar / 2600rpm工况点，选取不同EGR率数值，重复进行步骤二，记录在不同EGR率下对应的燃烧分析仪14COV值和CA50数值、油耗率和点火提前角的数值。

步骤二所述EGR率的最大值为发动机5在目标工况下正常工作时的能调整的最大EGR率；步骤三所述选取EGR率数值的选取方法为：以最大EGR率数值起点向EGR率为0方向等差取点，直至取到EGR率为0的点。

步骤三所述不同EGR率的调整方法为：通过调整电动EGR阀8的开度调整EGR率，当电动EGR阀8的开度达到最大时，通过调整节气阀2的开度，对EGR率进行调整。

步骤四，利用步骤二和步骤三的数据，确定最优EGR率的数值。

以EGR率为横坐标，分别以COV数值、CA50数值、油耗率数值、点火提前角等为纵坐标画出曲线，从中可以看出各个参数随EGR率的变化曲线，如图2至图5所示。

由图2至图5所示，当EGR率为17%时燃油消耗率最低，COV值不大于3%时发动机5运行稳定，故得出发动机5在6bar / 2600rpm工况点的最优EGR率为17%。随着EGR率的升高，最佳点火提前角增大，可以直观的看到燃烧效率的改善情况。

利用上位机15对发动机5全MAP工况点扫描，得出不同EGR率的等油耗率、等排气温度、等排放物等对比出线，如图6至图10所示。

由图6看出EGR率优化后，排气温度相比EGR率为0时的排气温度明显降低；

由图7看出EGR率优化后，燃油消耗率比EGR率为0时的燃油消耗率明显降低；

由图8看出EGR率优化后，NOx排放量相比EGR率为0时的NOx排放量明显降低；

由图9看出EGR率优化后，THC排放量相比EGR率为0时的THC排放量明显升高；

由图10看出EGR率优化后，CO排放量相比EGR率为0时的CO排放量明显降低；

采用优化后的EGR率与不加EGR发动机各项参数的对比，也可以得出EGR率不同的各项参数对比图。从而为发动机5进一步开发的策略提供数据支持，例如加装外部冷却EGR后，压缩比是否有一定提升空间、排气温度保护区域的混合气浓度是否可以进一步减稀以降油耗等。

Claims (5)

1.增压型发动机外部冷却EGR试验台架的试验方法，所述增压型发动机外部冷却EGR试验台架包括进气管、节气阀、压气机、中冷器、发动机、测功机、燃烧分析仪、上位机、涡轮、排气管、EGR冷却器、电动EGR阀、EGR控制器和若干管线，所述进气管通过节气阀与压气机的输入端建立连接，压气机的输出端通过中冷器连接发动机的进气端，发动机的气体输出端连接涡轮的输入端，涡轮的气体输出端连接排气管，所述EGR冷却器的输入端接在涡轮与排气管之间，EGR冷却器的输出端连接电动EGR阀的输入端，电动EGR阀的输出端接在节气阀与压气机之间，所述燃烧分析仪、测功机分别连接发动机，上位机与发动机的ECU单元建立通信连接；

其特征在于：试验方法包括以下几个步骤：

步骤一，在未导入废气时，调整发动机至待测工况点，调整点火提前角至最优值，调整空燃比和VVT角度，使其达到目标状态值；

步骤二，导入废气，调整EGR率至最大值，调整点火提前角至最优值，空燃比和VVT角度至步骤一所述的目标状态值，调整进气量使发动机运行至待测工况点；

步骤三，使发动机保持在待测工况点，选取不同EGR率数值，重复进行步骤二，记录在不同EGR率下对应的燃烧分析仪COV值和CA50数值、油耗率和点火提前角的数值；

步骤四，利用步骤二和步骤三的数据，确定最优EGR率的数值。

2.根据权利要求1所述增压型发动机外部冷却EGR试验台架的试验方法，其特征在于：步骤一所述空燃比的目标状态值为涡轮前排气温度不超过发动机的开发限值，过量空气系数为1时的空燃比数值。

3.根据权利要求1所述增压型发动机外部冷却EGR试验台架的试验方法，其特征在于：步骤一所述点火提前角的最优值为燃烧分析仪的CA50数值在6°至8°时或系统退点火角为0.8°时的点火提前角。

4.根据权利要求1所述增压型发动机外部冷却EGR试验台架的试验方法，其特征在于：步骤二所述EGR率的最大值为发动机在目标工况下正常工作时的能调整的最大EGR率；步骤三所述选取EGR率数值的选取方法为在最大EGR率数值和EGR率为0之间等差选取EGR率。

5.根据权利要求1所述增压型发动机外部冷却EGR试验台架的试验方法，其特征在于：步骤三所述不同EGR率的调整方法为：通过调整电动EGR阀的开度调整EGR率，当电动EGR阀的开度达到最大时，通过调整节气阀的开度，对EGR率进行调整。