低速中低負(fù)荷下VVT 對汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

王國棟，袁觀練，黃榮輝，周 洋，侯獻(xiàn)軍

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545000;2.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

可變氣門正時(shí)控制系統(tǒng)(variable valve timing，VVT)可提高進(jìn)氣效率，實(shí)現(xiàn)低、中轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭矩的充分輸出，保證各個(gè)工況下都能得到足夠的動(dòng)力。可變氣門正時(shí)控制機(jī)構(gòu)的主要作用是在維持發(fā)動(dòng)機(jī)怠速性能的情況下，改善全負(fù)荷性能。該機(jī)構(gòu)通過保持進(jìn)氣門開啟持續(xù)角不變，改變進(jìn)氣門開閉時(shí)刻來增加充氣量［1－2］。采用該機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢有:①能兼顧高速及低速不同工況發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性;②改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒質(zhì)量，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的有害氣體排放;③改善發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及低速時(shí)的性能及穩(wěn)定性［3］。隨著我國對汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性的要求越來越嚴(yán)格，如何提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低有害氣體排放已成為各汽車生產(chǎn)廠家必須面對的一個(gè)問題，解決這個(gè)問題已成為各生產(chǎn)廠家在行業(yè)競爭日益激烈的環(huán)境下?lián)屨际袌龅囊话牙麆Γ?］。普通微型車和轎車在城市工況下的時(shí)速基本保持在60 km/h 以下，在該時(shí)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般在3 500 r/min 以下，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩在50 N·m左右，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能是評價(jià)汽車在城市工況下的重要指標(biāo)。在該工況下，排氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)作用比較明顯。因此通過選擇合適的VVT角度可以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)在該區(qū)域的性能，使汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性得到進(jìn)一步優(yōu)化［5］。

EGR 系統(tǒng)一般可通過內(nèi)部EGR 和外部EGR兩種方式來實(shí)現(xiàn)循環(huán)。內(nèi)部EGR 實(shí)質(zhì)是通過調(diào)節(jié)進(jìn)、排氣門重疊角來實(shí)現(xiàn)的，即增大進(jìn)氣門提前角開啟和推遲排氣門延遲角關(guān)閉或提高排氣背壓等方法來增加缸內(nèi)的殘余廢氣，參與下個(gè)循環(huán)的燃燒，從而實(shí)現(xiàn)EGR。外部EGR 就是通常所指的EGR，即將排氣管中部分廢氣經(jīng)外部管路引入進(jìn)氣管參與再燃燒，從而實(shí)現(xiàn)EGR［6－7］。就形式而言一般可分為機(jī)械式、電氣式和電控式，其中電控式EGR 最具典型性，代表EGR 技術(shù)的發(fā)展方向。筆者著重介紹通過調(diào)整進(jìn)排氣VVT 來實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部EGR。

1 EGR 率的測量方法

EGR 率可根據(jù)空氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)、進(jìn)氣管內(nèi)的CO2體積分?jǐn)?shù)，以及排氣管內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算出來，由于在空氣中的CO2含量非常低，往往可以忽略，因此公式可簡化為:

式中:φyj(CO2)為進(jìn)氣管進(jìn)氣中CO2的體積分?jǐn)?shù);φyp(CO2)為排氣管進(jìn)氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)，即EGR 率為進(jìn)氣管中CO2體積分?jǐn)?shù)與排氣管中CO2體積分?jǐn)?shù)之比［8］。對汽油機(jī)而言，在設(shè)備允許條件下，該方法可以保證得到較高的測量精度。但是要通過同時(shí)測量進(jìn)、排氣的CO2體積分?jǐn)?shù)來計(jì)算EGR 率，實(shí)際操作起來比較麻煩。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣波動(dòng)，缸內(nèi)燃燒氣體的壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及進(jìn)、排氣管的形狀等都會影響到實(shí)際EGR 率。即使計(jì)算出某一款發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳EGR 率，以及在該EGR 率下的進(jìn)、排氣VVT 角度，對同類型不同款式選取同樣進(jìn)、排氣VVT 角度，其EGR 率也會發(fā)生變化，在原來款式發(fā)動(dòng)機(jī)上是最佳VVT 角度的在另一款式發(fā)動(dòng)機(jī)上則不一定是最佳的［9］。因此在實(shí)際應(yīng)用中，主要通過將發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣VVT 角度從最大到最小逐個(gè)進(jìn)行掃描的方法，從中選取出最佳油耗和排放的VVT 角度［10］。

2 試驗(yàn)方法

筆者以B15 DVVT 發(fā)動(dòng)機(jī)的VVT 選點(diǎn)為研究對象，通過對該發(fā)動(dòng)機(jī)的VVT 選點(diǎn)以及選點(diǎn)前后發(fā)動(dòng)機(jī)性能對比，從中分析出選擇不同進(jìn)排氣VVT 角度時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。B15 DVVT 發(fā)動(dòng)機(jī)的VVT 初始位置進(jìn)氣角度為26°，排氣角度為－19°，試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從1 600 r/min 到3 200 r/min每隔400 r/min 為一個(gè)斷點(diǎn)，負(fù)荷以充氣效率15%、20%、30%為斷點(diǎn)，VVT 角度以進(jìn)氣角度從26°到－14°，排氣角度從－19°到21°每隔10°為一個(gè)斷點(diǎn)進(jìn)行掃描。表1 為轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、充氣效率為30%時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。可以得出，在同一充氣效率下，當(dāng)進(jìn)氣VVT 從最大調(diào)到最小，排氣VVT 從最小調(diào)到最大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率最大相差20 g/(kW·h)，從表1 也可以看出隨著進(jìn)排氣重疊角增大(進(jìn)氣VVT 角度減小，排氣VVT 角度增大)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR 率增大，缸內(nèi)燃燒最高壓力和溫度減小，爆震傾向減小，點(diǎn)火提前角逐漸增大。但是，隨著EGR 率增大，缸內(nèi)燃燒惡化，各缸的工作穩(wěn)定性差，如繼續(xù)增大EGR，則會引起發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化，HC 排放升高，動(dòng)力性急劇下降，如表1 所示。當(dāng)進(jìn)、排氣門分別從26°和－19°變化到－14°和21°時(shí)，缸內(nèi)工作均勻性由原來的1.1%左右增大到15%左右，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩已經(jīng)明顯下降，燃油消耗明顯升高。一般汽油機(jī)的EGR 率不超過20%，如果可以增強(qiáng)組織進(jìn)氣渦流，改善燃燒室內(nèi)的燃燒速度的話，則可以適當(dāng)增加EGR 率。

表1 轉(zhuǎn)速為1 600 r/min 充氣效率為30%左右的VVT 試驗(yàn)結(jié)果

3 VVT 選點(diǎn)方法

原來進(jìn)、排氣VVT 的角度分別為6°和11°，對應(yīng)的比油耗為311 g/(kW·h)，而在整個(gè)掃描中比油耗最低點(diǎn)為進(jìn)、排氣角度分別是－4°和21°的點(diǎn)，對應(yīng)的比油耗為302 g/(kW·h)，其次為進(jìn)、排氣角度為－14°、11°，－14°、1°和－4°、11°的3 個(gè)點(diǎn)。先選擇進(jìn)氣VVT 的角度，如果選擇最低油耗點(diǎn)則選－4°，比最低油耗點(diǎn)稍高的為－14°，綜合考慮已經(jīng)選擇出的上一負(fù)荷的點(diǎn)(充氣效率20%的點(diǎn))的進(jìn)氣角度為16°，如果在30%充氣效率點(diǎn)選進(jìn)氣VVT 角度為－14°，則VVT 從上一工況轉(zhuǎn)到這一工況工作時(shí)VVT 角度要變化30°，該變化比較大，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性，故選擇－4°比選擇－16°更有利于發(fā)動(dòng)機(jī)工作的平穩(wěn)性。再選擇排氣VVT 角度，當(dāng)選定進(jìn)氣VVT 角度后，比油耗比較低的排氣VVT 的角度只有21°和11°兩個(gè)點(diǎn)?？紤]到上一個(gè)負(fù)荷排氣VVT 的角度選擇為－9°，如果選擇21°為現(xiàn)工況的排氣VVT 角度，則從上一工況到這一工況變化過大，故選11°為現(xiàn)工況排氣VVT 角度。經(jīng)過調(diào)整所選擇的進(jìn)、排氣VVT 角度如表2 ～表5 所示。

表2 進(jìn)氣VVT 調(diào)整前進(jìn)氣VVT 初步選點(diǎn)和掃描后選點(diǎn)對比 (°)

表3 進(jìn)氣VVT 調(diào)整后進(jìn)氣VVT 初步選點(diǎn)和掃描后選點(diǎn)對比 (°)

表4 排氣VVT 調(diào)整前排氣VVT 初步選點(diǎn)和掃描后選點(diǎn)對比 (°)

表5 排氣VVT 調(diào)整后排氣VVT 初步選點(diǎn)和掃描后選點(diǎn)對比 (°)

4 VVT 選點(diǎn)前后對比試驗(yàn)

通過對比掃描前后的進(jìn)、排VVT 角度選擇可以看出，在低負(fù)荷區(qū)掃描前后的進(jìn)氣VVT 角度基本沒有變化，僅在1 600 r/min 和2 000 r/min 的30%和40% 充氣效率下比原來減小了10°，在2 800 r/min的20%充氣效率下比原來增大了10°和40%、50%充氣效率比原來減小了10°。而排氣VVT 角度則比優(yōu)化前增大了10° ～30°(如表6所示)。進(jìn)、排氣的重疊角也比優(yōu)化前增大了10°～30°(如表7 所示)，從而增加了EGR 率。當(dāng)對進(jìn)、排氣的VVT 角度進(jìn)行調(diào)整后再繪制發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性圖，并與沒調(diào)整VVT 角度的萬有特性圖進(jìn)行比較，可以看出經(jīng)過調(diào)整后在低速低負(fù)荷區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗普遍比原來下降了5 g/(kW·h)左右，如圖1 所示。

圖1 VVT 調(diào)整后減去調(diào)整前萬有特性

表6 調(diào)整前后排氣VVT 角度差 (°)

表7 調(diào)整前后氣門重疊角度差 (°)

5 結(jié)論

VVT 技術(shù)不僅可以通過選擇合適的VVT 角度，特別是在低速中低負(fù)荷區(qū)的VVT 角度，還可以在一定程度上通過降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。特別是在對汽車燃油消耗率和尾氣排放要求日益嚴(yán)格的今天，這種降低顯得特別重要。

［1］ 王韜，秦德，郝志勇. 發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)的研究［J］. 小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2003(3):20－23.

［2］ 柳熾偉.可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)故障診斷技術(shù)與應(yīng)用［J］.內(nèi)燃機(jī)，2011(6):38－41.

［3］ 蘇巖，李理光，肖敏，等.可變配氣相位對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響［J］.汽車技術(shù)，2000(10):10－14.

［4］ 劉文華，聶磊. 內(nèi)燃機(jī)可變氣門技術(shù)的研究與展望［J］.北京汽車，2007(2):28－32.

［5］ 張葵葵. 電控發(fā)動(dòng)機(jī)原理與檢測技術(shù)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:45－46.

［6］ 林建華，倪計(jì)民. 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2007(2):7－10.

［7］ 朱濤.EGR 對汽油機(jī)排放和性能影響的研究［D］.天津:天津大學(xué)圖書館，2004.

［8］ DIRK J. Appliance of high EGR rates with a short and long route EGR system on a heavy duty diesel engine［R］. ［S.l.］:SAE Technical Paper Series，2007.

［9］ 蔡偉義. 可變氣門正時(shí)技術(shù)［J］.汽車維修與保養(yǎng)，2003(8):40－41.

［10］王文惠，李劍虹. 可變配氣相位機(jī)構(gòu)的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，1996(1):29－34.