发动机内部EGR建模与仿真分析

管登诗++张振东

摘要：在内燃机中，废气残留比例直接影响气缸内气体的燃烧状态，进而影响发动机的排放、动力性和经济性。可变气门正时技术（VVT）可通过调整气门开闭时间实现气缸内的废气再循环（内部EGR），从而控制燃烧气体内的废气比例。分析了气门的结构、物理过程以及气门处的气体流动过程，建立了不同气门开闭时刻对应的废气残留比例动态模型，并搭建仿真模型，分析各个物理参量间的关系，最后通过实验验证了模型的合理性。

关键词：内部EGR；VVT；发动机；MATLAB Simulink

DOIDOI：10.11907/rjdk.161632

中图分类号：TP301

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）009001604

基金项目基金项目：

作者简介作者简介：管登诗（1989-），男，山东德州人，上海理工大学机械工程学院硕士研究生，研究方向为汽车电子控制；张振东（1968-），男，山东胶州人，博士，上海理工大学机械工程学院教授、博士生导师，研究方向为汽车系统仿真和控制技术。

1内部EGR

在内燃机中，参加燃烧的气体由新进的新鲜空气和残留废气构成，废气所占比例直接影响发动机性能。废气比例越高，尾气中的NOX相对减少，经济性越好，但同时动力性变差[13]。当发动机处于怠速、低负荷时，NOX排放浓度相对较低，建议不进行EGR。随着负荷增加，EGR的量一般情况下也相应增加，直到达到最佳值。但是EGR的量不能超过一定限值，否则可能造成爆震[4]。因此，在对应的工况下，选择一个合理的废气比例是非常必要的。

目前，有两种方法来调整燃烧气体中的废气比例：①在尾气歧管并列一个回流管道，分流部分废气，冷却后再注入气缸内，即外部EGR；②通过调整气门打开和关闭角度来改变进气过程中的尾气回流量和气缸内的废气残留量，即内部EGR。外部EGR在回流管道一端存在一个安全阀，当发动机工况发生改变时，安全阀的开度发生相应改变，从而使EGR量也发生改变，达到理想效果。与外部EGR不同，内部EGR无需额外增加器件，只需根据工况调整进气和排气时刻便可改变废气比例，优化发动机工作性能。外部EGR在发动机上得到了广泛应用，随着可变气门技术的日趋成熟，内部EGR的应用也越来越广泛。天津大学在5气门单缸汽油机上利用缸内滚动流体实现分层EGR，在兼顾动力性和经济性的同时降低了NOx排放，为利用气流实现EGR提供了一个新途径[5]；华中科技大学进行了内部EGR控制HCCI燃烧的研究，结果表明负气门重叠期的增大使发动IMEP降低，但可以降低NOx排放[6]；G Fontana等[7]在部分负荷工况下，通过控制VVT 实现了内部EGR和逆米勒循环，增大了节气门开度，降低了泵气功损失，改善了设备的经济性。

本文旨在建立不同气门开闭时刻所对应的废气残留比例动态模型，得到内部EGR与进气提前角和排气迟后角之间的关系。研究的实用性在于当汽车工况发生改变时，所需的内部EGR同样发生改变，这时ECU通过当下工况计算出此时所需的EGR量，由于已得出内部EGR与气门开闭时刻之间的关系，便可在第一时间找到合适的配气相位，对内部EGR作出适当调整。

4实验验证及总结

在现实生活中，由于流量的动态复杂性，回流量是不可测的。本文通过间接测量进行实验验证，即用空气流量计测量出新鲜空气进入量，则可以反映出缸内废气残余量。采用容量为2L的4缸发动机，在进气歧管处采用空气流量计，计算进入气缸的实际新鲜空气量，并与建模中的新鲜空气量进行对比。如图9所示，可以看出两者虽存在细微差距，但是基本上吻合。因此，模型的合理性得到了验证。

如今EGR技术在国外已经作为一项成熟技术应用于发动机上。由于EGR对发动机性能和排放的影响较为复杂，相关技术仍在进一步完善中。下一步研究方向在于EGR系统和发动机的优化匹配以及如何在保证动力性和经济性的前提下，精确控制EGR率，以进一步降低NOx的排放。

参考文献：

[1]卢小锐，高文志，等.内部EGR对柴油机燃烧排放性能影响的研究[J].汽车工程，2014，36（9）： 10291033.

[2]陈群，李俊，等.车用柴油机冷EGR系统的试验研究[J].汽车工程，2001，23（6）：392395.

[3]谭建勋，王志伟，等.内部EGR增压中冷柴油机排放性能试验研究[J].车用发动机，2011（3）：5255.

[4]徐帆，王志，等.内外EGR拓展汽油HCCI发动机高负荷的试验研究[J].内燃机工程，2010，31（4）：610.

[5]S X SHI.A study of effect of egr on exhaust emissions and fuel economy for a fivevalve si engine[J].Proceedings of 1999 SinoKorea International Conference on Internal Combustion Engines， 1999.

[6]谢辉，赵华.基于可变气门定时策略的HCCI汽油机试验研究[J].内燃机学报，2005（6）：392395.

[7]FONTANA G， GALLONI E， PALMACCIO R.The influence of variable valve timing on the combustion process of a small sparkignition engine[J].SAE Technical Paper，2006.

[8]杨靖，冯仁华，等.汽油机凸轮型线改进设计[J].湖南大学学报，2009（11）：2126.

[9]HEYWOOD.Internal combustion engine fundamentals[M].The United State：McGrawHill，2008：121135.

责任编辑（责任编辑：黄健）