尹濤， 李鐵， 鄭斌， 趙非

(1. 上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240； 2. 東安汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司， 黑龍江 哈爾濱 150060)

?

基于冷卻EGR和壓縮比的增壓汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)化

尹濤1， 李鐵1， 鄭斌1， 趙非2

(1. 上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240； 2. 東安汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司， 黑龍江 哈爾濱 150060)

通過(guò)冷卻EGR結(jié)合高幾何壓縮比的方式來(lái)改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，利用GT-Power軟件建立并標(biāo)定了發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)循環(huán)仿真模型，預(yù)測(cè)了帶外部冷卻EGR系統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)提高壓縮比后的性能。提出了一種考慮EGR影響的爆震預(yù)測(cè)方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法及一維熱力學(xué)模型對(duì)冷卻EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何壓縮比進(jìn)行了預(yù)測(cè)優(yōu)化。結(jié)果表明，提高壓縮比后可以在基本不損失外特性扭矩輸出的前提下進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。

廢氣再循環(huán)； 燃油消耗率； 熱效率； 爆震； 預(yù)測(cè)； 性能優(yōu)化

為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的汽車(chē)能耗與排放法規(guī)的要求，全球汽車(chē)工業(yè)都在積極探尋可能的解決方案。傳統(tǒng)的節(jié)氣門(mén)負(fù)荷控制方式會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)存在較高的泵氣損失。發(fā)動(dòng)機(jī)小型化后有效減少了工作排量，從而可以使其更多地運(yùn)行在高效率區(qū)域內(nèi)。為了彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化帶來(lái)的動(dòng)力性能損失，高增壓技術(shù)必不可少，隨之而來(lái)的高負(fù)荷工況往往又容易發(fā)生爆震現(xiàn)象。通常使用降低幾何壓縮比的辦法來(lái)緩解發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向，但這又會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率[1-5]。

通過(guò)引入增加外部冷卻功能的廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)可以有效解決上述一系列的trade-off問(wèn)題[6]。冷卻EGR不僅可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的有害污染物排放[7-8]，而且對(duì)于緩解發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷工況下的爆震問(wèn)題，改善燃油經(jīng)濟(jì)性也非常有效[4,9]。文獻(xiàn)[10]在一臺(tái)2.0 L增壓直噴汽油機(jī)上進(jìn)行了冷卻EGR對(duì)高負(fù)荷爆震工況影響的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)冷卻EGR比例的合理匹配，可以使高幾何壓縮比(壓縮比為10.9)的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)與低幾何壓縮(壓縮比為9.3)但不應(yīng)用EGR的原量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)具有相同的燃燒相位。另外，文獻(xiàn)[11]經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)引入冷卻EGR后，可以將汽油機(jī)的幾何壓縮

比提高到13.5；在試驗(yàn)樣機(jī)上綜合應(yīng)用外部冷卻EGR技術(shù)、高增壓比和高幾何壓縮比技術(shù)，會(huì)帶來(lái)熱效率的顯著提升，最多可達(dá)約10%。由此可見(jiàn)，增加外部冷卻EGR后可以通過(guò)使用更高的幾何壓縮比來(lái)進(jìn)一步改善熱效率，但同時(shí)必須避免發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的發(fā)生。因此，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震邊界進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，進(jìn)而可以通過(guò)優(yōu)化手段對(duì)多參數(shù)多變量的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與控制進(jìn)行合理的選型與匹配。

本研究通過(guò)建立詳細(xì)的發(fā)動(dòng)機(jī)爆震模型，研究了冷卻EGR對(duì)增壓汽油機(jī)不同負(fù)荷下燃油經(jīng)濟(jì)性的影響；耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法，優(yōu)化匹配了發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何壓縮比和增加冷卻EGR的比例，以研究最優(yōu)匹配下發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的變化規(guī)律。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)定

為了對(duì)引入冷卻EGR后的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程及爆震現(xiàn)象進(jìn)行精確標(biāo)定，本研究在一臺(tái)增壓汽油機(jī)基礎(chǔ)上增加了低壓EGR管路，并進(jìn)行了萬(wàn)有特性試驗(yàn)及爆震工況點(diǎn)火角掃描試驗(yàn)。原機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備主要包括AVL AC170HS電力測(cè)功機(jī)、AVL 735S瞬態(tài)油耗儀、Kistler 6118BFD缸壓傳感器、DEWE-800燃燒分析儀、Horiba MEXA-7500D排放測(cè)試儀等。試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)氣溫度控制在(25±2) ℃，冷卻液和機(jī)油溫度控制在(90±1.5) ℃，各氣缸壓力數(shù)據(jù)采集精度設(shè)定為0.2°曲軸轉(zhuǎn)角，每個(gè)工況點(diǎn)至少采集300個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中EGR率的計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：REGR為EGR率；[CO2]v,intake為進(jìn)氣歧管中CO2體積分?jǐn)?shù)；[CO2]v,exhaust為排氣歧管中CO2體積分?jǐn)?shù)。

為了滿(mǎn)足加入EGR后低轉(zhuǎn)速的扭矩要求，在2 000 r/min以下轉(zhuǎn)速的少數(shù)全負(fù)荷工況中使用到了機(jī)械/渦輪兩級(jí)增壓。在萬(wàn)有特性試驗(yàn)的各個(gè)工況下依次對(duì)VVT、EGR率和點(diǎn)火角進(jìn)行掃描，以尋找最佳燃油消耗點(diǎn)(高負(fù)荷為爆震臨界點(diǎn))。爆震試驗(yàn)時(shí)，則只對(duì)點(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)行掃描，獲得爆震臨界點(diǎn)的邊界。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)建模及驗(yàn)證

本研究建立了描述發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的一維仿真模型，采用了由Keck等人[12]提出的SITurb湍流燃燒模型：

(2)

渦輪增壓器工作時(shí)，需要達(dá)到壓氣機(jī)與渦輪機(jī)流量、扭矩和能量的平衡，因此在每個(gè)仿真步長(zhǎng)下都將進(jìn)行軸端速度和兩側(cè)的壓比、流量與功率的計(jì)算，直至收斂到平衡條件。渦輪增壓器功率可以通過(guò)壓氣機(jī)及渦輪機(jī)上下游的工質(zhì)狀態(tài)和增壓器效率計(jì)算得到。

圖1a示出了在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型及渦輪增壓器模型進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)定后缸內(nèi)壓力仿真與試驗(yàn)的對(duì)比，4個(gè)工況點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)著低、中、高、全負(fù)荷的情況。外特性仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)圖1b與圖1c。由此可見(jiàn)，仿真模型的輸出結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)有較高的一致性。

圖1 仿真輸出與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

本研究采用末端混合氣自著火延遲積分的方法對(duì)爆震現(xiàn)象進(jìn)行模擬[13]：

I=

(3)

式中：p，T分別為缸內(nèi)壓力及未燃區(qū)混合氣溫度；φa為過(guò)量空氣系數(shù)；I為L(zhǎng)ivengood-Wu積分；tknock和tIVC分別為爆震開(kāi)始時(shí)刻和進(jìn)氣閥關(guān)閉時(shí)刻。圖2對(duì)比了在3 000 r/min外特性工況下通過(guò)模型預(yù)測(cè)的爆震起始角與由試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得到的爆震起始角(缸內(nèi)壓力振蕩的第一個(gè)拐點(diǎn)時(shí)刻)。結(jié)果顯示，模型的爆震起始時(shí)刻預(yù)測(cè)方法有著很好的精度。

圖2 爆震模型預(yù)測(cè)情況

由于一維仿真模型無(wú)法模擬因末端混合氣自燃造成的缸內(nèi)壓力振蕩過(guò)程，這里引入了一個(gè)與L-W積分達(dá)到1時(shí)的質(zhì)量燃燒率(MBF)相關(guān)的爆震判定標(biāo)準(zhǔn)，以判定仿真過(guò)程中是否發(fā)生爆震。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)掃描點(diǎn)火角得到臨界爆震點(diǎn)時(shí)的MBF值作為用于參考的爆震指標(biāo)閾值。仿真中，當(dāng)L-W積分達(dá)到1，同時(shí)計(jì)算得到的MBF在上述閾值KIref以下，則判定該仿真工況發(fā)生了爆震。

1.3 優(yōu)化方法

為了進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與控制參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，本研究采用拉丁超立方的方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立了發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的近似模型。

發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有高度非線(xiàn)性、離散化的特點(diǎn)，基于進(jìn)化理論的遺傳算法可以用于解決這一類(lèi)問(wèn)題。本研究所設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件見(jiàn)式(4)?？紤]到外特性子問(wèn)題不涉及轉(zhuǎn)速，種群個(gè)體對(duì)應(yīng)幾何壓縮比(GCR)、點(diǎn)火提前角(SA)、進(jìn)氣相位(ICP)、空燃比(AFR)、EGR率(ER)的組合。優(yōu)化時(shí)，需要確保在外特性性能基本不下降的前提下，改善部分負(fù)荷工況的燃油經(jīng)濟(jì)性。因外特性的優(yōu)化涉及到較多轉(zhuǎn)速工況，這里將每個(gè)轉(zhuǎn)速工況作為一個(gè)獨(dú)立的優(yōu)化子問(wèn)題來(lái)考慮。優(yōu)化子問(wèn)題中點(diǎn)火角等運(yùn)行參數(shù)及幾何壓縮比需要在不同的工況下限制在一定范圍內(nèi)，同時(shí)要求扭矩、排氣溫度、爆震指標(biāo)滿(mǎn)足邊界條件。

(4)

式中：x對(duì)應(yīng)包含GCR，SA，ICP，AFR，ER等參數(shù)信息的種群個(gè)體；BSFC，TORQUE，TEMP，KI分別為燃油消耗率、扭矩、排溫及爆震指標(biāo)；TORQUE0為原機(jī)扭矩；KIref為經(jīng)過(guò)標(biāo)定的爆震指標(biāo)閾值。

優(yōu)化變量的取值范圍見(jiàn)表2。因?yàn)樵囼?yàn)條件的限制，EGR率的優(yōu)化范圍被控制在基礎(chǔ)值±5%內(nèi)。

表2 優(yōu)化變量的取值范圍

2 結(jié)果與討論

2.1 冷卻EGR的影響分析

圖3示出了平均有效壓力0.4 MPa，轉(zhuǎn)速2 200 r/min，低負(fù)荷工況點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能隨EGR率的變化曲線(xiàn)。

圖3 低負(fù)荷時(shí)EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

由圖3可見(jiàn)，14%的冷卻EGR會(huì)在最大程度上改善燃油消耗率，約2.9%，但EGR率超出10%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)波動(dòng)上升明顯。因此，選取9%的EGR比例較為合適，此時(shí)的燃油消耗率改善為2.5%。

圖4示出了平均有效壓力1.9 MPa，轉(zhuǎn)速2 200 r/min，高負(fù)荷工況下EGR率及過(guò)量空氣系數(shù)變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在臨界爆震點(diǎn)，渦輪增壓器的工作溫度也較高。

圖4 高負(fù)荷時(shí)EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，提前點(diǎn)火可以使燃燒重心θCA50更接近最大扭矩點(diǎn)(MBT點(diǎn))，從而改善熱效率。通過(guò)燃油加濃及冷卻EGR協(xié)同緩解爆震，此燃油加濃工況的過(guò)量空氣系數(shù)φa=0.88。當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)相同，EGR率升高時(shí)，點(diǎn)火角可以進(jìn)一步提前以降低燃油消耗率。另一方面，在同一點(diǎn)火時(shí)刻較大的EGR率會(huì)導(dǎo)致較高的燃油消耗率，主要因?yàn)槔鋮sEGR使得燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)。

綜合以上兩個(gè)因素，臨界爆震點(diǎn)的燃油消耗率在14%EGR率時(shí)可以降低4.9%，如取消加濃可以改善14.6%的燃油消耗率。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)波動(dòng)率可以保持在4.5%以下。由此推知，外特性工況的EGR率上限主要由增壓能力限制，不同于低負(fù)荷由燃燒穩(wěn)定性限制。

加濃工況的θCA50與燃油消耗率降低比例對(duì)應(yīng)較好，說(shuō)明燃燒相位的變化對(duì)于改善燃油消耗率的作用很大。在渦輪機(jī)進(jìn)口處測(cè)出的溫度隨EGR率升高或點(diǎn)火角提前會(huì)逐漸降低，原因在于EGR降低了缸內(nèi)溫度。

另外，取消加濃后渦輪入口溫度的提高反映出加濃操作對(duì)于降低排氣溫度的重要性，在加濃時(shí)燃料的揮發(fā)冷卻及工質(zhì)比熱容的提高使得排氣溫度下降較多。

冷卻EGR的降低燃油消耗率作用在高負(fù)荷時(shí)比低負(fù)荷更加顯著。通過(guò)對(duì)比高、低負(fù)荷不同的試驗(yàn)設(shè)定可以看出，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的燃燒不穩(wěn)定會(huì)限制EGR的上限，而高負(fù)荷冷卻EGR的引入使得在爆震限制內(nèi)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火角提前同時(shí)減少燃油加濃，充足的排氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器保證了較高EGR率，進(jìn)一步使得缸內(nèi)充量的比熱容比增加，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

2.2 幾何壓縮比的優(yōu)化

根據(jù)前述優(yōu)化方法，選取外特性下不同轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)幾何壓縮比的影響進(jìn)行了研究。圖5示出了不同幾何壓縮比(GCR)下優(yōu)化后的扭矩、燃油消耗率預(yù)測(cè)值，其中扭矩的下降趨勢(shì)驗(yàn)證了前述壓縮比提高帶來(lái)的爆震問(wèn)題及排氣溫度問(wèn)題造成的扭矩惡化。幾何壓縮比為12的扭矩曲線(xiàn)基本和原機(jī)的重疊，此時(shí)2 200 r/min處的扭矩已不能滿(mǎn)足原機(jī)扭矩要求。因原機(jī)的結(jié)構(gòu)限制，沒(méi)有考慮更高的幾何壓縮比。隨GCR提高，點(diǎn)火角推遲，燃油加濃，燃油消耗率也隨之攀升。需要注意在高轉(zhuǎn)速工況時(shí)，高壓縮比下優(yōu)化的燃油消耗率比原機(jī)的低，主要原因在于高速工況的爆震對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的破壞更嚴(yán)重[14]，試驗(yàn)機(jī)高速外特性運(yùn)行在較為保守的點(diǎn)火角下，因此原機(jī)并未到達(dá)爆震邊界。廢氣溫度邊界控制在800 ℃以下，隨GCR的提高，燃油加濃及缸內(nèi)傳熱損失增加會(huì)使得排氣溫度降低。

圖5 優(yōu)化結(jié)果

圖6示出了優(yōu)化結(jié)果對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，包括點(diǎn)火提前角(SA)、進(jìn)氣相位(ICP)、空燃比(AFR)、EGR率(ER)。較大的幾何壓縮比對(duì)應(yīng)著推遲的點(diǎn)火角及較低的空燃比，這兩點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致燃燒惡化，對(duì)應(yīng)著圖5中較大的燃油消耗率及降低的扭矩。從圖6a可以看出，SA隨速度的變化有近似拋物線(xiàn)趨勢(shì)，不管GCR如何變化，最遲SA都出現(xiàn)在2 200 r/min峰值扭矩的位置。

除了推遲的點(diǎn)火時(shí)刻，高負(fù)荷加濃的低AFR也更容易在優(yōu)化搜索的過(guò)程中保留下來(lái)。由圖6可見(jiàn)，GCR從9增加到10時(shí)，爆震較為嚴(yán)重的2 000～3 600 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間的加濃需求較為明顯。要指出GCR由11到12時(shí)，AFR迅速下降，主要是因?yàn)榇藭r(shí)與9～10壓縮相比區(qū)間比SA推遲程度相對(duì)較小。

圖6 優(yōu)化的運(yùn)行參數(shù)

EGR率在3 000 r/min處呈現(xiàn)出峰值，從圖6c中可以看出此速度下燃油加濃的取消。優(yōu)化過(guò)程的EGR率控制在原機(jī)EGR率5%區(qū)間內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)最佳EGR率對(duì)于大多速度工況有輕微的降低，可能原因是在GCR升高時(shí)排氣溫度減小，渦輪轉(zhuǎn)速降低，從而使得增壓壓力減小，泵入廢氣的能力降低。試驗(yàn)中2 000 r/min以下的低速全負(fù)荷工況使用到了機(jī)械增壓，因此EGR率可以提高到15%～30%，而EGR率的提高在高轉(zhuǎn)速受發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火能量的限制。ICP的值是指由壓縮沖程結(jié)束的上止點(diǎn)時(shí)刻開(kāi)始，到進(jìn)氣閥最大開(kāi)度的時(shí)刻之間所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角，代表了進(jìn)氣VVT的工作角度，對(duì)應(yīng)著進(jìn)氣閥開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)刻。進(jìn)氣閥開(kāi)閉與進(jìn)入缸內(nèi)工質(zhì)的總量相關(guān)，從而對(duì)外特性扭矩影響很大。因?yàn)樵贓GR率及點(diǎn)火角掃描試驗(yàn)中未對(duì)各個(gè)工況進(jìn)行詳細(xì)的VVT優(yōu)化，全局優(yōu)化后的ICP值與原機(jī)情況相差較大。

可以從圖5b及圖6b中看出，當(dāng)GCR介于11～12之間時(shí)AFR迅速下降，燃油加濃顯著惡化了燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，最佳的GCR應(yīng)在9～11之間。

2.3 熱效率分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)全局優(yōu)化優(yōu)先考慮了NEDC測(cè)試循環(huán)的6個(gè)常用特征工況(見(jiàn)表3)，使用與全負(fù)荷優(yōu)化相同的方法對(duì)選取工況的熱效率隨幾何壓縮比的變化進(jìn)行了分析。

表3 驗(yàn)證工況

圖7a示出了使用最佳EGR率及提高GCR對(duì)于特征點(diǎn)燃油消耗率改善的影響。對(duì)于常用的5個(gè)負(fù)荷相對(duì)較低的工況，可以通過(guò)調(diào)整點(diǎn)火角將θCA50維持在最佳位置，提高壓縮比后的熱效率可以進(jìn)一步上升。然而，在1.4 MPa，2 600 r/min這樣的高負(fù)荷工況，熱效率下降，燃油消耗率升高。

幾何壓縮比提高，缸內(nèi)溫度提高，燃燒室面容比增大，傳熱損失提高。同時(shí)，燃燒速度加快，燃燒持續(xù)期變短，等容度提高。圖7b示出了不同工況下壓縮比提升對(duì)中低負(fù)荷特征點(diǎn)效率的影響?？梢钥闯?.5 MPa，1 000 r/min工況效率提升最小，原因在于低轉(zhuǎn)速傳熱時(shí)間長(zhǎng)，傳熱損失大，其帶來(lái)的損失會(huì)抵消一部分等容度改善帶來(lái)的效率提升。1.4 MPa，2 600 r/min工況的優(yōu)化結(jié)果顯示此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在爆震邊界區(qū)域，因此需要推遲點(diǎn)火角，加濃混合氣來(lái)將發(fā)動(dòng)機(jī)限制在爆震邊界以?xún)?nèi)，從而導(dǎo)致燃油消耗率上升。

圖7c示出了優(yōu)化后帶外部冷卻EGR系統(tǒng)的高幾何壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)與理論Otto循環(huán)的效率對(duì)比?？梢钥闯?，GCR由11提高到12時(shí)綜合效率改善已有下降的趨勢(shì)。

圖7 熱效率分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，設(shè)計(jì)了幾何壓縮比為10的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞并進(jìn)行了臺(tái)架標(biāo)定試驗(yàn)。NEDC循環(huán)特征點(diǎn)的臺(tái)架標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)與前述優(yōu)化結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)圖8。5個(gè)特征點(diǎn)的仿真優(yōu)化結(jié)果落在試驗(yàn)結(jié)果3%偏差內(nèi)，而1.4 MPa，2 600 r/min處偏差略高。

圖8 幾何壓縮比10試驗(yàn)驗(yàn)證

3 結(jié)論

a) 冷卻EGR對(duì)于高負(fù)荷燃油經(jīng)濟(jì)性的改善作用比低負(fù)荷更為明顯，主要得益于高負(fù)荷較好的燃燒穩(wěn)定性及較高的排氣能量，可以引入更多的EGR來(lái)增大缸內(nèi)工質(zhì)比熱容比，提高熱效率；

b) 在保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，可以引入的最大EGR比例在低負(fù)荷時(shí)主要受限于工作負(fù)荷變動(dòng)率，而在高負(fù)荷時(shí)則主要受限于增壓器的增壓能力；

c) 高幾何壓縮比耦合冷卻EGR可以在原機(jī)EGR試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善NEDC循環(huán)特征點(diǎn)的熱效率，但在逼近爆震邊界的高負(fù)荷區(qū)域,過(guò)高的幾何壓縮比同樣會(huì)引起綜合熱效率的惡化；

d) 優(yōu)化結(jié)果可以同時(shí)滿(mǎn)足外特性的扭矩要求及常用特征工況點(diǎn)的改善燃油經(jīng)濟(jì)性要求，發(fā)動(dòng)機(jī)最佳的幾何壓縮比應(yīng)介于10～11之間。

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[編輯： 姜曉博]

Optimization of Fuel Economy for Turbocharged Gasoline Engine Based on Cooled EGR and Compression Ratio

YIN Tao1, LI Tie1, ZHENG Bin1, ZHAO Fei2

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China； 2. Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd., Harbin 150060, China)

The cooled EGR combined with high geometric compression ratio was adopted to improve the engine thermal efficiency, the thermodynamic model was built and calibrated with GT-Power, and the performance of inlet injection engine with external cooled EGR system after increasing the compression ratio was predicted. A method of knock prediction considering the EGR influence was put forward and verified through the experiment. Moreover, the geometric compression ratio of engine with cooled EGR was optimized through the artificial neural networks (ANNs), genetic algorithm (GA) and 1D thermodynamic model. The results show that the thermal efficiency improves without losing engine torque output after the optimization of compression ratio.

EGR; specific fuel consumption; thermal efficiency; knock; prediction; performance optimization

2015-10-07；

2015-12-20

教育部博士點(diǎn)基金(20120073120059)；上海市浦江人才計(jì)劃(13PJ1404300)

尹濤(1995—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)工作過(guò)程數(shù)值模擬；catalystao@sjtu.edu.cn。

李鐵(1974—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)內(nèi)燃機(jī)燃燒、代用燃料技術(shù)；litie@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.006

TK411.7

B

1001-2222(2016)02-0028-07