發動機內部EGR建模與仿真分析

管登詩++張振東

摘要：在內燃機中，廢氣殘留比例直接影響氣缸內氣體的燃燒狀態，進而影響發動機的排放、動力性和經濟性?？勺儦忾T正時技術（VVT）可通過調整氣門開閉時間實現氣缸內的廢氣再循環（內部EGR），從而控制燃燒氣體內的廢氣比例。分析了氣門的結構、物理過程以及氣門處的氣體流動過程，建立了不同氣門開閉時刻對應的廢氣殘留比例動態模型，并搭建仿真模型，分析各個物理參量間的關系，最后通過實驗驗證了模型的合理性。

關鍵詞：內部EGR；VVT；發動機；MATLAB Simulink

DOIDOI：10.11907/rjdk.161632

中圖分類號：TP301

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）009001604

基金項目基金項目：

作者簡介作者簡介：管登詩（1989-），男，山東德州人，上海理工大學機械工程學院碩士研究生，研究方向為汽車電子控制；張振東（1968-），男，山東膠州人，博士，上海理工大學機械工程學院教授、博士生導師，研究方向為汽車系統仿真和控制技術。

1內部EGR

在內燃機中，參加燃燒的氣體由新進的新鮮空氣和殘留廢氣構成，廢氣所占比例直接影響發動機性能。廢氣比例越高，尾氣中的NOX相對減少，經濟性越好，但同時動力性變差[13]。當發動機處于怠速、低負荷時，NOX排放濃度相對較低，建議不進行EGR。隨著負荷增加，EGR的量一般情況下也相應增加，直到達到最佳值。但是EGR的量不能超過一定限值，否則可能造成爆震[4]。因此，在對應的工況下，選擇一個合理的廢氣比例是非常必要的。

目前，有兩種方法來調整燃燒氣體中的廢氣比例：①在尾氣歧管并列一個回流管道，分流部分廢氣，冷卻后再注入氣缸內，即外部EGR；②通過調整氣門打開和關閉角度來改變進氣過程中的尾氣回流量和氣缸內的廢氣殘留量，即內部EGR。外部EGR在回流管道一端存在一個安全閥，當發動機工況發生改變時，安全閥的開度發生相應改變，從而使EGR量也發生改變，達到理想效果。與外部EGR不同，內部EGR無需額外增加器件，只需根據工況調整進氣和排氣時刻便可改變廢氣比例，優化發動機工作性能。外部EGR在發動機上得到了廣泛應用，隨著可變氣門技術的日趨成熟，內部EGR的應用也越來越廣泛。天津大學在5氣門單缸汽油機上利用缸內滾動流體實現分層EGR，在兼顧動力性和經濟性的同時降低了NOx排放，為利用氣流實現EGR提供了一個新途徑[5]；華中科技大學進行了內部EGR控制HCCI燃燒的研究，結果表明負氣門重疊期的增大使發動IMEP降低，但可以降低NOx排放[6]；G Fontana等[7]在部分負荷工況下，通過控制VVT 實現了內部EGR和逆米勒循環，增大了節氣門開度，降低了泵氣功損失，改善了設備的經濟性。

本文旨在建立不同氣門開閉時刻所對應的廢氣殘留比例動態模型，得到內部EGR與進氣提前角和排氣遲后角之間的關系。研究的實用性在于當汽車工況發生改變時，所需的內部EGR同樣發生改變，這時ECU通過當下工況計算出此時所需的EGR量，由于已得出內部EGR與氣門開閉時刻之間的關系，便可在第一時間找到合適的配氣相位，對內部EGR作出適當調整。

4實驗驗證及總結

在現實生活中，由于流量的動態復雜性，回流量是不可測的。本文通過間接測量進行實驗驗證，即用空氣流量計測量出新鮮空氣進入量，則可以反映出缸內廢氣殘余量。采用容量為2L的4缸發動機，在進氣歧管處采用空氣流量計，計算進入氣缸的實際新鮮空氣量，并與建模中的新鮮空氣量進行對比。如圖9所示，可以看出兩者雖存在細微差距，但是基本上吻合。因此，模型的合理性得到了驗證。

如今EGR技術在國外已經作為一項成熟技術應用于發動機上。由于EGR對發動機性能和排放的影響較為復雜，相關技術仍在進一步完善中。下一步研究方向在于EGR系統和發動機的優化匹配以及如何在保證動力性和經濟性的前提下，精確控制EGR率，以進一步降低NOx的排放。

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責任編輯（責任編輯：黃?。?