电增压促进废气再循环对发动机性能的影响.pdf

第 37 卷第 3 期2023 年 9 月西昌学院学报（自然科学版）Journal of Xichang University（Natural Science Edition）Vol.37，No.3Sept.，2023电增压促进废气再循环对发动机性能的影响周 颖1，潘金元2，尹爱勇3（1.安徽工贸职业技术学院机械与汽车工程系,安徽 淮南 232007；2.奇瑞汽车股份有限公司汽车工程技术研发总院,安徽 芜湖 241006；3.铜陵职业技术学院机械工程系，安徽 铜陵 244000）摘 要：在一台1.5 L带废气涡轮增压的直喷汽油机上进行了电动增压和废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）协同对发动机动力性和经济性的影响规律试验研究。结果表明：全负荷下电动增压促进最高废气再循环率随转速的上升而下降，在4个试验转速下分别提升了17.7%、15.2%、13.84%和0；部分负荷下电动增压促进最高废气再循环率随负荷的提高与转速下降，在6个试验工况下最高废气再循环率分别被提高了23.63%、30.31%、0、14.09%、19.74%和0。全负荷与较低的3个转速下电动增压介入后有效燃油消耗率（brake specific fuel consumption，BSFC）降低近10%，最高转速下废气涡轮增压完全取代电动增压；部分负荷下的两组工况内，电动增压介入后，最高BSFC降低了10.8%和8.4%。结论表明合理应用电增压促进最高废气再循环率可以提升发动机的燃油经济性并保持较高的动力性。关键词：废气涡轮增压；电动增压；废气再循环；动力性；经济性；有效燃油消耗率中图分类号：TK411.8 文献标志码：A 文章编号：16731891（2023）03004405Effect of Electric Supercharging Promotion of Exhaust Gas Recirculation on Engine PerformanceZHOU Ying1，PAN Jinyuan2，YIN Aiyong3（1.Department of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Vocational&Technical College of Industry&Trade，Huainan，Anhui 232007，China；2.Chery Automotive Co.Ltd.，Wuhu，Anhui 241006，China；3.Tongling Polytechnic，Tongling，Anhui 244000，China）Abstract:An experimental study was carried out on the synergistic effect of electric supercharging and exhaust gas recirculation（EGR）on engine power and economy on a 1.5 L direct injection gasoline engine with exhaust gas turbocharging.The results show that under full load,the maximum EGR rate promoted by electric supercharging decreases with the increase of rotational speed,and increases by 17.7%,15.2%,13.84%and 0 respectively under the four experimental rotational speeds.Under partial load,the maximum EGR rate promoted with electric supercharging decreases with the increase of load and rotational speed.Under six experimental conditions,the maximum EGR rate is increased by 23.63%,30.31%,0,14.09%,19.74%and 0 respectively.Under full load and at three lower rotational speeds after the intervention of electric supercharging,the brake specific fuel consumption(BSFC)is reduced by nearly 10%.At the highest speed,exhaust gas turbocharging completely replaces electric supercharging.In two groups of working conditions under partial load and after the intervention of electric supercharging,the maximum BSFC is reduced by 10.8%and 8.4%.It is concluded that the reasonable application of electric supercharging to promote the highest EGR rate can improve the fuel economy and maintain higher power performance of the engine.Keywords:exhaust gas turbocharging;electric supercharging;EGR;power performance;economy;BSFCdoi：10.16104/j.issn.16731891.2023.03.008收稿日期：2022-04-24基金项目：安徽省教育厅自然科学研究重点项目（2022AH053025、KJ2021A1343）。作者简介：周颖（1987），女（满族），内蒙古赤峰人，副教授，硕士，主要研究方向：汽车现代设计理论与方法，e-mail：。第 3 期电增压促进废气再循环对发动机性能的影响0 引言 汽车工业的发展与交通运输的发展紧密相关，汽车工业协同交通运输业对推动全球经济的快速发展影响深远1。内燃机是汽车的动力源，主要消耗石油和天然气。废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）技术可以大大增加工作混合气的总热容，降低最高燃烧温度，减少NOx的排放2-3。废气涡轮增压技术通过有效利用排气能量实现进气加压，增加进气密度，提高了内燃机的各项性能指标4-5。由于EGR和涡轮增压的综合作用，与高压EGR相比，低压EGR在降低燃烧温度和利用排气能量方面具有更多优势。低压EGR可以满足高EGR率，在NOx排放和节能方面效果更好。低压EGR也存在涡轮增压器转速波动低，进气压力不足的问题。在低速时，很难引入废气并提高EGR率，导致发动机缺火，以及EGR率的响应特性滞后6。电动增压技术可以有效地解决上述问题，显著改善涡轮增压发动机的低速扭矩和瞬态响应7。目前针对电动增压器的研究主要集中在性能及其对发动机性能的直接影响上8-10。很少有研究涉及电动增压促进EGR提升发动机性能的综合应用。本研究通过在 GDI 涡轮增压发动机上安装EGR系统和电动增压器，研究该项组合技术对发动机性能和燃油经济性的影响，旨在为节能减排发动机的开发提供参考。1 试验理论油耗是发动机经济性的评价指标，分为油耗率（比油耗）和油耗量。油耗率是单位功率单位时间所消耗的燃油量。同样也存在指示油耗率bi（g/kWh）和有效油耗率be（g/kWh）。由于发动机在不同的工况运行时，其油耗率不一样，也可以用油耗量B作为经济性的衡量指标。实际应用时，通常测定功率和单位时间的燃油消耗量，经单位换算后便可以求出油耗率和油耗量。1.1 指示燃油消耗率为了能更清楚地对不同工作容积发动机工作循环的热功率转换有效程度进行比较，引入平均指示压力pmi（MPa）。，用于研究单位气缸容积一个循环所做的指示功。pmi=WiVs（1）式中：Wi为发动机一个工作循环的指示功（kJ）；Vs为发动机气缸工作容积（L）。式（1）也可以写成下式：Wi=pmiVs=pmi(D2/4)S（2）式中：D和S分别为气缸直径和活塞行程。具有i个气缸的发动机的指示功率Pi（kW）为：Pi=2pmiVsni（3）式中：为冲程数，此处=4。在实际应用时，一般采用式（1）和式（2）代入式（3）得到式（4）：Pi=pmiVsni30（4）指示燃油热效率bi（g/kWh）是指单位指示功的耗油量，即：bi=BPi 103（5）式中：燃油消耗量B（kg/h）可以通过油耗计测得，指示功率Pi（kW）可以通过式（4）求得。1.2 有效燃油消耗率衡量发动机经济性能的重要指标是有效燃油消耗率be（g/kWh）和有效热效率et，两者成反比关系，知道其一值后，可求出另一个值。有效燃油消耗率be（g/kWh）是单位有效功的耗油量，即：be=BPe 103（6）式中：燃油消耗量B（kg/h）可以通过油耗计测得；指示功率Pe（kW）可以通过式（7）求得。1.3 发动机有效功率发动机有效功率Pe（kW）可以利用各种形式的测功器和转速计分别测出发动机在某一工况下发动机曲轴的输出转矩Ttq（Nm）和转速n（r/min），可以通过试验按下式计算求得：Pe=Ttq2n60 10-3=Ttqn9 550（7）与平均指示压力相似，平均有效压力可以看作是一个假想的、平均不变的压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个行程所做的功等于每循环所做的有效功。平均有效压力是衡量发动机动力性能的一个重要参数。按照上述定义，可以用式（4）所表示的Pi和pmi之间的关系，写出Pe和pme的关系式：Pe=pmeVsni30（8）pme=30PeVsni（9）应用式（7）和式（8）的恒等关系，可得式（10）：45西昌学院学报（自然科学版）第 37 卷Ttq=318.3pmeVsi（10）2 试验系统图1为试验台架系统的架构，通过进排气气路、油路和线路连接了测控系统、发动机及其主要部件。进气分2路，发动机吸气时一路为新鲜空气由空气滤清器过滤后进入电动涡轮增压器，然后由废气涡轮增压器的叶轮增速增压后进入增压中冷器冷却后进一步降温增加进气密度，再通过进气管被吸入气缸；另一路由排出的高温废气经过EGR中冷器降温增加进气密度后，由EGR控制阀控制进入电涡轮增压器的预混废气量。排气由排气管排出，并利用其动能推动废气涡轮增压器的涡轮，排气被减速后流入三元催化装置净化后排入大气。系统在对应位置安装了必要的测控装置，包括油耗仪、测功机、气体排放分析仪等。试验用发动机为一台带废气涡轮增压的缸内直喷（gasoline direct injection，GDI）发动机。该发动机的主要参数包含缸径74.5 mm、行程85.9 mm、排量1.5 L、压缩比12.5、额定功率96 kW（5 500 r/min）、峰值转矩200 Nm（1 4004 000 r/min）、涡轮增压器压气机流量 439.2 kg/h、涡轮增压器涡轮机流量0.012 3 kg/s、喷油嘴喷射压力350 kPa等。3 试验结果及分析本研究选取汽油车实际应用中最常用的转速 1 250 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min 和 4 000 r/min作为台架试验发动机转速，研究全负荷和部分负荷下电动增压分别对最高EGR率与燃油消耗量BSFC的影响。3.1 对最高EGR率的影响EGR在引入进气增压后不但可以降低发动机NOx排放还可以获得更大的发动机输出功率。为了弥补废气涡轮增压在发动机低转速时无法引入的不利局面，试验在台架系统进气管上串联一台电动增压器，用于在外特性低转速区间提高新鲜充量，为EGR率的提升创造条件，外特性下电增压前后最高 EGR 率，如图 2 所示。图 2 中，发动机转速在 1 250 r/min低转速工况下，电增压不工作时无法引入EGR率，电增压工作后，最大EGR率被最大限度地提高了 24%；发动机转速在 1 500、2 000、3 000 r/min 时，最大 EGR 率也分别提升 17.7%、15.2%和13.84%。随着发动机转速的提高，由于废气涡轮增压的作用愈加明显，导致电增压贡献越来越小。4 000 r/min 时，电增压工作前后最高 EGR 率均为10.11%，说明此时进气系统已经无电动增压。为了进一步研究电增压对促进EGR提升发动机工作的性能的影响，在发动机部分负荷工况0.8、1.1、1.4 MPa下，对电增压前后的最高EGR率做了试验，相关影响如图 3 所示。图 3（a）显示在 1 500 r/min、0.8 MPa工况下，不需要电增压辅助，而随着发动机负荷的提高，电增压对最高EGR率的贡献也在不断提高，最高EGR率在1 500 r/min、1.1 MPa和1 500r/min、1.4 MPa 工况下，分别提高了 23.63%和30.31%；图3（b）显示发动机在2 000 r/min、0.8 MPa发动机已不需要电增压辅助，而随着发动机负荷的提高电增压对最高EGR率的贡献在不断提高，最高EGR 率在 2 000 r/min、1.1 MPa 和 2 000 r/min、1.4 MPa工况下，分别提高了14.09%和19.74%。可知电增压对最高EGR率提升随着发动机负荷与转速的变化而变化，负荷越高、转速越低，电增压对最高空气滤清器测功机控制及数据采集系统气体排放物分析仪排气管进气管油耗仪油箱三元催化装置废气涡轮增压器增压中冷器电涡轮增压器EGR控制阀EGR中冷器测控仪线路油路进气排气线型备注 图1试验台架系统架构图2外特性下电动增压前后最高EGR率电增压不工作电增压工作最高EGR率/%1 250 1 500 2 000 3 000 4 000 发动机转速/（rmin-1)302418126046第 3 期电增压促进废气再循环对发动机性能的影响EGR率提升更为明显，原因是高负荷、低转速下进气压力高且新鲜充量大，导致难以引入排气，需要电增压辅助提升最高EGR率，而电增压工作后对发动机的燃油经济性和NOx的排放也有显著提高。3.2 对燃油消耗量BSFC的影响电动增压有效提升了低转速下发动机的动力性，而在EGR系统的发动机上，电动增压对其油耗也有不同程度的改善。为了研究外特性下电增压促进EGR率对发动机性能的影响，通过台架试验研究了1 250、1 500、2 000、3 000 r/min下，电动增压促进 EGR 率分别对有效燃油消耗率（brake specific fuel consumption，BSFC）、发动机功率、平均有效缸a.对发动机BSFC的影响c.对发动机BMEP的影响b.对发动机功率的影响d.对发动机扭矩的影响图4外特性下电动增压促进EGR率提高后发动机性能的变化a.1 500r/min时b.2 000r/min时图3部分负荷下电动增压前后最高EGR率47西昌学院学报（自然科学版）第 37 卷内压力（brake mean effective pressure，BMEP）和发动机扭矩的影响，如图4所示，图中红色走势线为电动增压介入。由图4（a）显示，随着EGR率的提高，发动机转速在1 250、1 500、2 000 r/min外特性工况下，BSFC降低了近10%。主要原因是EGR对发动机爆震具有抑制作用，从而可以增大发动机的点火提前角，使得燃烧相位提前，可燃混合气得到充分燃烧，最终使该转速下外特性工况的BSFC得到明显改善。虽然电动增压能够促进EGR率的提高，但发动机转速在3 000 r/min时，电动增压基本被废气涡轮增压所取代，电动增压已经无须介入，此现象也强化了图2中的规律。由图4（b）、图4（c）和图4（d）显示，随着EGR率的提高，在发动机试验转速外特性工况下的发动机功率、BMEP和发动机扭矩变化不大，但总体上电动增压能够促进EGR率改善发动机各项性能参数。图5为在1 500、2 000 r/min部分负荷工况下电动增压促进EGR率提高后BSFC的变化（红色）。从2个图中电动增压介入点来看，部分负荷下电动增压促进EGR率提高后，发动机BSFC下降明显，但随着EGR控制阀进排气端压差接近，EGR率无法被提升，从而不能再推进EGR进一步发挥节油效果。图5（a）显示，随着EGR率的提高，在1 500 r/min、1.4 MPa部分负荷工况下，BSFC降低了近1.9%，电动增压介入后，在此基础上再降低9.1%，总的BSFC降低达到了10.8%。负荷降低后电动增压促进EGR率提高后，在1 500 r/min、1.1MPa部分负荷工况下，电动增压辅助 BSFC 比未介入前又降低了 7.2%，但当EGR 率超过 30%后，在试验负荷 1.1 MPa、1.4 MPa下，油耗不降反升，主要原因是过多的废气引入，导致空燃比过稀，燃烧恶化。图5（b）显示，随着EGR率的提高，发动机在2 000 r/min&1.4 MPa部分负荷工况下，表现出与图5（a）相同的节油规律，与本节上述分析对应的BSFC为1.58%、6.5%和3.7%，同时该图还进一步反映了较高的试验转速节油效果更佳。4 结论1）在发动机全负荷下电动增压对最高EGR率的影响，体现为在1 500、2 000、3 000 r/min下，随着发动机转速的提高废气涡轮增压作用渐显，当发动机转速达到4 000 r/min时已无须电动增压工作了。在发动机部分负荷下电动增压对最高EGR率的影响，体现为在试验工况下电动增压在较高的负荷和较低的转速具有较高辅助作用，原因是高负荷与低转速时进气压力高且新鲜充量大，导致难以引入尾气，需要电增压辅助提升最高EGR率。2）在发动机全负荷下电动增压对 BSFC 的影响，体现为随着EGR率的提高，在试验转速下外特性工况下BSFC降低，原因是EGR对发动机爆震具有抑制作用，从而可以增大发动机的点火提前角，使得燃烧相位提前，可燃混合气得到充分燃烧，最终使该转速下外特性工况的BSFC得到明显改善。在发动机部分负荷下电动增压对BSFC的影响，体现为在试验工况下，电动增压在较大负荷与较低转速介入时更能节油，但过高的EGR率使得油耗不降反升，原因是过多的废气引入导后空燃比过稀燃烧恶化。a.1 500 r/min时b.2 000 r/min时图5部分负荷下电动增压促进EGR率提高后BSFC的变化（下转第54页）48西昌学院学报（自然科学版）第 37 卷5 结论1）设计了一套基于加权欧式距离的 k-means聚类算法的车轮踏面损伤视觉检测系统，能够快速、准确地进行车轮踏面损伤检测。2）采用基于加权距离的k-means算法，可以更好地反映样本的真实分布，得到更合理的聚类结果。利用聚类法具有保持最大相似性的特性，将该算法用于图像处理，以特征聚类思想对图像作阈值分割，使图像中的各部分特征更加突出。3）图像处理结果显示，采用基于加权距离的k-means聚类算法用于车轮踏面损伤视觉检测系统，可以有效地检测出车轮踏面损伤区域与正常区域有差异性的损伤。参 考 文 献：1肖乾，姜雄峰，刘海涛，等.铁道车轮踏面损伤实时监测方法研究综述 J.华东交通大学学报，2021，38（4）：99-112+126.2唐林.自动采摘目标图像快速识别算法研究基于k-means聚类算法 J.农机化研究，2023，45（5）：32-36.3张忠林，曹志宇，李元韬.基于加权欧式距离的k_means算法研究 J.郑州大学学报（工学版），2010，31（1）：89-92.4宋志明.列车车轮踏面擦伤图像检测算法研究 D.成都：西南交通大学，2012.5侯涛，张志腾.改进Canny算子在列车车轮踏面损伤检测中的应用 J.铁道科学与工程学报，2018，15（8）：2107-2112.6金学松，赵国堂，梁树林，等.高速铁路轮轨磨损特征、机理、影响和对策车轮踏面横向磨耗 J.机械工程学报，2018，54（4）：3-13.7ALEMI A，CORMAN F，LODEWIJKS G.Condition monitoring approaches for the detection of railway wheel defects J.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F：Journal of Rail and Rapid Transit，2017，231（8）：961-981.8杨颖.基于图像的踏面表面缺陷特征分析识别 D.南京：南京航空航天大学，2017.9曹帅帅，陈雪鑫，苗圃，等.基于PSO与K-均值聚类算法优化结合的图像分割方法 J.计算机与现代化，2020（1）：22-27.10 李丽亚，闫宏印.改进k-means加权自适应多视图数据聚类算法 J.计算机仿真，2021，38（8）：314-317+429.a.原始图像 b.灰度图像 c.改进k-means聚类分割图像 d.k-means聚类分割图像图8车轮多边形图像处理结果参考文献：1周龙保.内燃机学 M.北京：机械工业出版社，2015.2程小钢，周斌，张钊，等.低速提扭对废气涡轮增压柴油机燃烧排放特性的影响 J.汽车技术，2019（5）：53-57.3闫嘉楠，周斌，南靖雯，等.电动增压器不同布置方式对涡轮增压器的影响 J.内燃机，2018（4）：5-9+13.4刘青林，何博，滕勤.高效Atkinson循环TGDI发动机作为传统动力的研究 J.内燃机工程，2017，38（6）：131-138.5秦朝举，杨振中，张卫正，等.氢发动机低温燃烧特性的研究 J.汽车工程，2017，39（2）：133-137.6韩敬贤，黄昭明，王利，等.LP-EGR和电增压协同技术对汽油机性能的影响 J.机械科学与技术，2022，41（1）：82-87.7丁占铭，孔冰，程振宇，等.电动增压动态响应特性试验研究 J.车用发动机，2021（6）：30-36.8黄英铭，吕伟，李云龙，等.汽油机电动增压系统研究 J.车用发动机，2021（5）：87-92.9杨攀涛，崔涛，赵彦凯，等.电动增压器对柴油发动机低速稳态性能的影响 J.兵工学报，2021，42（9）：1829-1837.10 张卫波，杨南杰，吴星.车用电动增压系统的设计及其性能试验研究 J.福州大学学报（自然科学版），2017，45（6）：866-872.（上接第48页）54