VVT對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究

馬少康 喬佳偉 王義夫 梁濤 喬闖

（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

VVT對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究

馬少康1，2喬佳偉1，2王義夫1，2梁濤1，2喬闖1，2

（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

研究了VVT對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)、燃燒、動(dòng)力性和排放的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：充量系數(shù)隨著氣門重疊角的增大而增大，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)影響最佳燃燒對(duì)應(yīng)的氣門重疊角，進(jìn)氣VVT主要影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，合適的進(jìn)氣VVT能夠使扭矩提高11.6%，而排氣VVT則影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，隨著排氣VVT的提前，NOx下降36%。

VVT掃氣充量系數(shù)燃燒排放

引言

傳統(tǒng)的配氣機(jī)構(gòu)不能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理的匹配，其最優(yōu)工作范圍較窄，已不能滿足日益緊張的資源供給和嚴(yán)格的排放法規(guī)。而可變氣門控制正時(shí)系統(tǒng)（VVT），由于可以根據(jù)不同的工況輸出不同的進(jìn)排氣VVT，保持氣門持續(xù)時(shí)間不變，改變進(jìn)排氣的開啟時(shí)刻，從而改變缸內(nèi)充氣，改善燃燒，減小泵氣損失[1~3]。因此能夠兼顧怠速的穩(wěn)定性與全負(fù)荷的動(dòng)力性，在中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)優(yōu)化相應(yīng)的進(jìn)排氣VVT角度，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的最佳匹配，同時(shí)缸內(nèi)混合氣狀態(tài)在不同的氣門重疊角下，對(duì)于改善排放也有著重要影響[4，5]。隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，VVT技術(shù)也受到越來越廣泛的應(yīng)用與關(guān)注。

雖然VVT相對(duì)傳統(tǒng)的配氣機(jī)構(gòu)有著很大的優(yōu)勢(shì)，但是由于其進(jìn)排氣凸輪軸只能實(shí)現(xiàn)開閉的提前與推遲，以致凸輪型線設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的最佳配氣正時(shí)的轉(zhuǎn)速之外的每個(gè)轉(zhuǎn)速仍然不是該轉(zhuǎn)速下的最佳配氣正時(shí)，導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)性能改善、節(jié)能減排效果受限[6，7]，而在發(fā)動(dòng)機(jī)最佳正時(shí)匹配，要求在每一個(gè)轉(zhuǎn)速下都能獲得最佳的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性，因此VVT在各個(gè)工況下的匹配對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能至關(guān)重要。基于此，本文在1500 r/min工況下，通過改變進(jìn)排氣從而改變氣門重疊角來研究發(fā)動(dòng)機(jī)充氣、燃燒、動(dòng)力性和排放的變化，為VVT在全工況的匹配提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在一款4缸16氣門電控直噴汽油機(jī)上進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)設(shè)備包含自主開發(fā)電控系統(tǒng)、電渦流測(cè)功機(jī)、燃燒分析儀、控制柜、油耗儀、排氣分析儀、線性氧傳感器、進(jìn)排氣歧管溫度壓力等。試驗(yàn)中利用ECU進(jìn)行燃燒系統(tǒng)的控制以及數(shù)據(jù)的采集，試驗(yàn)過程中嚴(yán)格控制機(jī)油溫度為95℃，水溫為98℃，進(jìn)氣溫度為25℃。

1.2 試驗(yàn)方案

在1500 r/min轉(zhuǎn)速下，將進(jìn)排氣VVT調(diào)整至（0，0），調(diào)整節(jié)氣門至發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩250 N·m。固定排氣VVT為0°CA，調(diào)整進(jìn)氣VVT，以5°CA為步長(zhǎng)，調(diào)整區(qū)間為（-20，20）同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析時(shí)記IVC（Intake VVT Change）。固定進(jìn)氣VVT，調(diào)整排氣VVT，以5°CA為步長(zhǎng)，調(diào)整區(qū)間為（-20，20）同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析時(shí)記EVC（Exaust VVT Change）。如圖1所示。

表1 汽油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 進(jìn)排氣VVT示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 VVT對(duì)充氣效率的影響

在進(jìn)氣過程中，隨著進(jìn)氣VVT的早開和排氣VVT的遲閉，會(huì)出現(xiàn)一段氣門疊開的時(shí)期。在疊開期間，氣體由進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸，直接由排氣門排出，不參與缸內(nèi)燃燒。該現(xiàn)象稱之為“掃氣”。如圖2所示，掃氣率（IVC）和掃氣率（EVC）的趨勢(shì)一致，隨著氣門重疊角的增大而增大。隨著掃氣的增強(qiáng)，充量系數(shù)也隨之增大，在掃氣最強(qiáng)的氣門重疊處，最大的充量系數(shù)能夠達(dá)到1.16。掃氣一方面能夠降低缸內(nèi)溫度，降低爆震趨勢(shì)，同時(shí)減小充氣時(shí)氣體的加熱，減小氣體膨脹，增大充氣系數(shù)。而充氣效率（IVC）隨著進(jìn)氣早開而呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，這是進(jìn)氣節(jié)流損失隨著進(jìn)氣VVT的提前而呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

2.2 VVT對(duì)燃燒的影響

平均指示壓力變動(dòng)系數(shù)（COV）可用來表征缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性狀況。

圖2VVT對(duì)充氣的影響

其中：σpmi是平均指示壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差，pmi是壓力的平均值。N為循環(huán)數(shù)。

隨著氣門重疊角的增大，COV（IVC）和COV（EVC）基本上都在3以內(nèi)，燃燒持續(xù)期呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，說明整體上缸內(nèi)燃燒比較理想。在氣門重疊角為（-5，5）的區(qū)間內(nèi)，COV（IVC）最低，在氣門重疊角為0°時(shí)，COV（IVC）為1.23。而在該位置，其燃燒持續(xù)期也最短，為19.8°CA。同時(shí)缸內(nèi)爆發(fā)壓力也達(dá)到最大，達(dá)到6.18 MPa。如圖3、4所示。

圖3 VVT對(duì)燃燒的影響

圖4 VVT對(duì)Pmax的影響

在氣門重疊角為-5°CA之前，燃燒持續(xù)期（IVC）較長(zhǎng)，而在-5°CA以后，該持續(xù)期較短。缸內(nèi)爆發(fā)壓力的變化基本上與此一致。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是轉(zhuǎn)速較低時(shí)，進(jìn)氣氣流流速較低，流動(dòng)慣性小，此時(shí)如果進(jìn)氣門過早開啟，而活塞還處于上行排氣，缸內(nèi)氣壓與缸外氣壓差別不大，容易發(fā)生新鮮空氣被擠出氣缸的現(xiàn)象，使進(jìn)氣量減少，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定。而推遲進(jìn)氣門開啟時(shí)刻，可以提高進(jìn)氣速度，，加強(qiáng)進(jìn)氣渦流，使混合氣體獲得更好的均質(zhì)性，可以提高燃燒速率和燃燒更充分，獲得較高的循環(huán)效率。因此發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，應(yīng)減小進(jìn)氣門的提前角。

2.3 VVT對(duì)動(dòng)力性和排放的影響

如圖5所示，在整個(gè)氣門重疊角變化區(qū)間內(nèi)，扭矩（IVC）呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在氣門重疊角為0°CA時(shí)，扭矩達(dá)到最大值254.2N·m，較-20°CA時(shí)大29.2N·m，這與混合氣的燃燒狀態(tài)表現(xiàn)一致。而隨著排氣VVT的滯后，其扭矩變化不大。

圖5 VVT對(duì)扭矩的影響

如圖6所示，隨著氣門重疊角的增大，由進(jìn)氣VVT和排氣VVT變化引起的THC排放基本上均呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。當(dāng)氣門重疊角為-20°CA時(shí)，THC基本上在1400×10-6左右，而在20°CA時(shí)，基本上在2200×10-6左右。有研究表明[8]，THC排放隨著氣門重疊角的增大而呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，該理論及試驗(yàn)的得出是基于發(fā)動(dòng)機(jī)在中低速小負(fù)荷的基礎(chǔ)上，進(jìn)氣時(shí)由于歧管壓力為負(fù)壓，缸內(nèi)殘余氣體在活塞的上行中被壓入進(jìn)氣歧管，未燃?xì)怏w參與下一循環(huán)的燃燒，從而降低THC排放。而在該試驗(yàn)中的工況，歧管壓力均在0.14 MPa以上，大于排氣結(jié)束時(shí)的缸內(nèi)壓力，因此在掃氣效應(yīng)下，未燃?xì)怏w排出缸外，在催化器處二次燃燒，導(dǎo)致THC排放升高，而催化器中心溫度上升，如圖7、8所示。

圖6 VVT對(duì)排放的影響

圖7 排氣與催中溫度

圖8 歧管壓力變化趨勢(shì)

NOx（IVC）與NOx（EVC）隨著氣門重疊角的增大而呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。但由圖7可以看到，NOx（IVC）下降緩慢，而NOx（EVC）下降較快，最大可降低36%。這是因?yàn)橐环矫嬗捎跉忾T重疊角的增大，掃氣效應(yīng)增加，降低缸內(nèi)溫度，不利于NOx（的產(chǎn)生；另一方面隨著排氣門關(guān)閉的滯后，通過惰性氣體稀釋新鮮空氣以增大稀釋效應(yīng)來降低NOx的產(chǎn)生。因此NOx（IVC）下降較NOx（EVC）緩慢。

3 結(jié)論

通過本次試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1）掃氣率隨著氣門重疊角的增大而增大，由于掃氣降低缸內(nèi)溫度，從而使充量系數(shù)增大。受缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，缸內(nèi)混合氣并未隨著充量系數(shù)的增大而燃燒得更為理想。

2）進(jìn)氣VVT主要影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，隨著進(jìn)氣VVT的提前，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩提升11.6%。受缸內(nèi)氣體燃燒的影響，扭矩最大值并未在氣門重疊角最大處，排氣VVT主要影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，在氣門重疊角最大處，NOx的排放減少36%。

1劉亞奇，高定偉，王春波．增壓直噴汽油機(jī)配氣相位確定方法的研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2012（4）：29～34

2劉國(guó)軍，段景輝，楊金鵬，等.雙VVT開度對(duì)GDI增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2013，42（2）：18～23

3晏雙鶴，盛鵬程，王菲，等.DVVT對(duì)缸內(nèi)直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2012（2）：66～69

4李立軍，張力.采用VVT技術(shù)的汽油機(jī)控制策略的研究[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2011，1（3）：198～203

5孫玉亮.可變配氣系統(tǒng)對(duì)汽油機(jī)動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性能影響的研究[D].天津：天津大學(xué)，2008

6蘇巖,李理光，肖敏，等.可變配氣相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[J].汽車技術(shù)，2000（10）：24～29

7張桐山.基于可變氣門正時(shí)技術(shù)的汽油機(jī)排放性能研究[D].天津：天津大學(xué)，2008

8王國(guó)棟，袁觀練，黃榮輝，等.低速中低負(fù)荷下VVT對(duì)汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2013，35（2）：215～218，261

Experimental Study on Engine Performance with VVT Strategy

Ma Shaokang1，2，Qiao Jiawei1，2，Wang Yifu1，2，Liang Tao1，2，Qiao Chuang1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

The Influence of VVT on volumetric efficiency，combustion，power and emission were studied. The results show that volumetric efficiency increased with the valve overlap angle enhanced.The best combustion was effected by the state of dynamic mixture.Power performance was major influenced by intake VVT，torque was improved by 11.6%with appropriate intake VVT；emission performance was effected by exhaust VVT，NOxwas decreased by 26%with the exhaust VVT postponed.

VVT，Scavenging，Volumetric efficiency，Combustion，Emission

TK411

A

2095-8234（2014）06-0017-04

2014-09-09）

馬少康（1984-），男，碩士，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)電控、燃燒系統(tǒng)的研究開發(fā)。