DVVT對(duì)掃氣影響的試驗(yàn)研究

劉　　然　　盧維偉　　姜　　坤　　鄭建超　　郭　　凡（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心　河北　保定　071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

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DVVT對(duì)掃氣影響的試驗(yàn)研究

劉然1，2盧維偉1，2姜坤1，2鄭建超1，2郭凡1，2
（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

基于一臺(tái)3.0 L排量的增壓直噴DVVT汽油機(jī)，在2000 r/min全負(fù)荷進(jìn)行了VVT掃點(diǎn)試驗(yàn)，對(duì)掃氣進(jìn)行了研究，闡述了掃氣的基本原理以及基本配置。試驗(yàn)結(jié)果表明：進(jìn)氣VVT提前，可以增加掃氣效應(yīng)，提高充氣效率，增加缸內(nèi)充量；而進(jìn)氣VVT在上止點(diǎn)開(kāi)啟，排氣VVT滯后帶來(lái)的掃氣效應(yīng)不明顯。

增壓直噴VVT掃氣

引言

從各大汽車廠家以及行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，缸內(nèi)直噴、雙VVT以及廢氣渦輪增壓器技術(shù)基本成為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的標(biāo)配。但是廢氣渦輪增壓器卻有低速段增壓不足，導(dǎo)致進(jìn)氣量不夠，無(wú)法進(jìn)一步提升低速性能的弊端。因此，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升低速動(dòng)力性及掃氣功能是非常有效的方法。資料顯示，自2005年起，國(guó)外汽車廠商陸續(xù)開(kāi)發(fā)了增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣功能，進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速扭矩，提高車輛的加速性能[1]。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于掃氣的研究更多的是對(duì)于超級(jí)爆震的研究[2]，因此本文重點(diǎn)研究了進(jìn)排氣VVT在低速大負(fù)荷對(duì)掃氣效應(yīng)的影響。

1　掃氣的基本原理和配置

1.1掃氣的基本原理

掃氣是在低速大負(fù)荷工況下，通過(guò)調(diào)整進(jìn)、排氣門開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)刻，形成進(jìn)氣門提前開(kāi)啟，排氣門推遲關(guān)閉的特定時(shí)間窗口，然后借助增壓使進(jìn)氣壓力高于排氣壓力，利用新鮮空氣最大程度地將缸內(nèi)殘余廢氣掃到排氣歧管，缸內(nèi)廢氣含量大幅降低，同時(shí)也降低了缸內(nèi)溫度，增加缸內(nèi)充量，進(jìn)而混合氣增加，另外在一定程度上降低了泵氣損失，如圖1所示[3]。

燃燒結(jié)束后，在排氣過(guò)程中，活塞上行排出燃燒廢氣，其中包含未燃產(chǎn)物（CO、HC），然后使其在排氣總管中與掃出的新鮮空氣混合發(fā)生后氧化反應(yīng)，為渦輪增壓提供額外的能量[4]，從而提高增壓壓力，可以較好地改善進(jìn)氣流量，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，進(jìn)而提升低速大負(fù)荷下的性能。

1.2掃氣的基本配置

基于掃氣的基本原理，可以得出發(fā)生掃氣的必要條件是發(fā)動(dòng)機(jī)存在氣門重疊角且進(jìn)氣壓力大于排氣壓力。對(duì)于直噴汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，滿足掃氣的必須配置主要包含增壓器、缸內(nèi)直噴、DVVT。

1）滿足進(jìn)氣壓力大于排氣壓力，必須要匹配增壓器，同時(shí)結(jié)合適當(dāng)?shù)倪M(jìn)、排氣通道設(shè)計(jì)，能夠靈活控制進(jìn)氣壓力。

2）傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)由于是在進(jìn)氣道或者進(jìn)氣歧管噴油，進(jìn)入缸內(nèi)的是燃油和空氣的混合氣，那么在掃氣過(guò)程中，將有可能將混合氣掃至排氣歧管，反而對(duì)該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)性以及排放產(chǎn)生負(fù)面效果，甚至造成催化器溫度過(guò)高等現(xiàn)象。因此，利用掃氣策略是增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

3）DVVT技術(shù)可以靈活地調(diào)節(jié)氣門正時(shí)，選擇合適的進(jìn)、排氣VVT組成的氣門重疊角，同時(shí)結(jié)合增壓器，滿足進(jìn)氣壓力大于排氣壓力，保證一定的氣門重疊持續(xù)期[5]，才能保證較優(yōu)的掃氣效果。

圖1　掃氣示意圖

2　試驗(yàn)背景

2．1發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

本文以一款3.0 L增壓直噴DVVT汽油機(jī)作為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。本文中以480 N·m、2000 r/min為工況點(diǎn)來(lái)研究進(jìn)排氣VVT對(duì)掃氣效應(yīng)的影響。

2．2試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)裝置主要包括AVL電力測(cè)功機(jī)、燃燒分析儀、空燃比分析儀、缸內(nèi)直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)及電控系統(tǒng)、進(jìn)排氣瞬態(tài)壓力傳感器等。試驗(yàn)裝置的具體布置情況見(jiàn)圖2所示。

2．3試驗(yàn)內(nèi)容

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖2　臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)布局

針對(duì)工況點(diǎn)進(jìn)行VVT掃點(diǎn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定了進(jìn)氣VVT為0°CA、-10°CA、-20°CA和排氣VVT 為-9°CA、1°CA、8°CA的正交組合試驗(yàn)[5]，其中VVT角度以0.5mm升程來(lái)定義，正值是在換氣上止點(diǎn)之后，負(fù)值則在換氣上止點(diǎn)之前。

另外需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是此試驗(yàn)中并沒(méi)有選取隨著進(jìn)氣VVT提前，性能也隨之提升的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，這是因?yàn)樵跊](méi)有氣門重疊角的前期下，進(jìn)氣VVT提前，是利用進(jìn)氣慣性的原理增加了缸內(nèi)充量，并非掃氣致使性能提升[6]。

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的VVT組合均可以達(dá)到480N·m扭矩要求，下文中將針對(duì)進(jìn)氣VVT提前以及排氣VVT滯后兩個(gè)方向?qū)邭膺M(jìn)行研究。

3.1進(jìn)氣VVT提前的掃氣效果

選取排氣VVT為1°CA，進(jìn)氣VVT為0°CA、-10°CA，-20°CA的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，三組數(shù)據(jù)的0.5mm氣門重疊角分別為1°CA、11°CA、21°CA，通過(guò)采集的缸壓曲線、進(jìn)排氣瞬態(tài)壓力曲線作圖來(lái)進(jìn)行分析，具體結(jié)果如圖3～圖5所示。

進(jìn)、排氣VVT和進(jìn)、排氣壓力的封閉面積可以表征掃氣效應(yīng)的大小，從圖3、4、5中可以看出，隨著進(jìn)氣VVT提前，掃氣面積逐漸增大。

在排氣門關(guān)閉后，隨著進(jìn)氣VVT提前，掃氣程度增加，進(jìn)氣沖程的整體缸壓曲線也隨之提高，這是因?yàn)楦變?nèi)殘余廢氣降低，缸內(nèi)充量增大，活塞下行過(guò)程中壓力就會(huì)增加，與圖3、4、5中的表現(xiàn)吻合。在進(jìn)氣沖程30°CA附近的缸壓曲線隨著進(jìn)氣VVT的提前而增加，這就是充氣效率也會(huì)隨之增大的根本原因，見(jiàn)圖6。

圖3　進(jìn)氣0°CA和排氣1°CA的壓力變化

圖4　進(jìn)氣-10°CA和排氣1°CA的壓力變化

圖5　進(jìn)氣-20°CA和排氣1°CA的壓力變化

隨著進(jìn)氣VVT的提前，泵氣損失降低，見(jiàn)圖7。其原因是開(kāi)啟初期氣門上升比較緩慢，截面圖11 AI50對(duì)通過(guò)面積小，以及進(jìn)氣氣流的加速需要一段時(shí)間等慣性的影響[6]，就會(huì)出現(xiàn)進(jìn)氣VVT提前，缸內(nèi)真空度降低，進(jìn)氣量增加的現(xiàn)象，勢(shì)必會(huì)降低進(jìn)氣壓力，排氣損失減小，排氣壓力降低，進(jìn)而降低泵氣損失，同時(shí)這也使進(jìn)氣VVT提前，進(jìn)排氣壓力也會(huì)隨之降低，見(jiàn)圖3、4、5、8。

圖6　進(jìn)氣VVT 對(duì)充氣效率的影響

三組數(shù)據(jù)進(jìn)氣壓力均大于排氣壓力，如果進(jìn)氣VVT提前過(guò)多，那么就會(huì)出現(xiàn)缸內(nèi)壓力高于缸外背壓的情況下，進(jìn)、排氣慣性沒(méi)有得到充分利用，進(jìn)而增大泵氣損失，甚至還會(huì)造成燃燒不穩(wěn)定等現(xiàn)象，因此需要合理選擇進(jìn)氣VVT，并非一味提前就好。另外，如果將進(jìn)氣壓力進(jìn)一步提高，進(jìn)氣VVT提前，掃氣程度增大，扭矩將會(huì)進(jìn)一步提升。

圖7　進(jìn)氣VVT對(duì)泵氣損失的影響

圖8　進(jìn)氣VVT對(duì)排氣壓力的影響

3.2排氣VVT滯后的掃氣效果

選取進(jìn)氣VVT為0°CA，排氣VVT為-9°CA、1° CA、8°CA的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，三組數(shù)據(jù)的0.5mm氣門重疊角分別為-9°CA、1°CA、8°CA，通過(guò)采取的缸壓曲線、進(jìn)排氣瞬態(tài)壓力曲線作圖來(lái)進(jìn)行分析，具體結(jié)果如圖9～圖11所示。

在換氣上止點(diǎn)時(shí)刻，缸內(nèi)壓力隨著排氣VVT滯后而降低，這是因?yàn)榕艢釼VT為-9°CA關(guān)閉時(shí)，進(jìn)氣門未打開(kāi)，缸內(nèi)仍殘留廢氣，活塞上行，缸內(nèi)壓力反而出現(xiàn)升高現(xiàn)象。而排氣VVT為1°CA、8°CA則在上止點(diǎn)后關(guān)閉，是利用廢氣外流運(yùn)動(dòng)速度的慣性，也就是在缸內(nèi)壓力接近排氣門背壓時(shí)關(guān)閉，增加排氣功效，合適的排氣VVT能夠降低換氣過(guò)程中的排氣壓力，在一定程度上能夠加強(qiáng)掃氣面積。另外排氣氣流的引射作用，一定程度上也會(huì)降低缸內(nèi)進(jìn)氣門附近的靜壓力[7]。

從圖10中也可以看出在沒(méi)有氣門重疊角的情況下，是不會(huì)出現(xiàn)掃氣現(xiàn)象的。隨著氣門重疊角加大，掃氣面積增加，但是表征掃氣程度的充氣效率并沒(méi)用明顯變化，見(jiàn)圖12。這是因?yàn)檫M(jìn)氣VVT為0°CA，在換氣上止點(diǎn)開(kāi)啟，導(dǎo)致了充氣效率變化不明顯。此外，相關(guān)文獻(xiàn)表明，配置DVVT系統(tǒng)需要提供足夠的進(jìn)氣提前相位角度，更容易出現(xiàn)掃氣現(xiàn)象，且掃氣效果明顯加強(qiáng)[8]。

圖9　進(jìn)氣0°CA和排氣-9°CA的壓力變化

圖10　進(jìn)氣0°CA和排氣1°CA的壓力變化

圖11　進(jìn)氣0°CA和排氣8°CA的壓力變化

圖12　排氣VVT對(duì)充氣效率的影響

4　結(jié)論

1）在不增加硬件成本的情況下，可以通過(guò)VVT調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)掃氣功能。掃氣產(chǎn)生需要在合適的氣門重疊角，且進(jìn)氣壓力大于排氣壓力，才能提高充氣效率，增加缸內(nèi)充量。對(duì)于直噴機(jī)型來(lái)說(shuō)必須要配備增壓器以及雙可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)較好的掃氣效果[2]。

2）進(jìn)氣VVT提前，掃氣效果明顯增加，充氣效率提高，缸內(nèi)充量增加，一定程度上降低了泵氣損失；但沒(méi)有匹配合適的進(jìn)氣VVT情況下，排氣VVT滯后，掃氣效果表現(xiàn)不明顯。也就是說(shuō)需要匹配合適的進(jìn)排氣VVT，在特定的氣門重疊角，才能實(shí)現(xiàn)高效的掃氣功能。

3）VVT開(kāi)度對(duì)掃氣影響的試驗(yàn)研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)排放惡化，催化器溫度過(guò)高等問(wèn)題，將作為后續(xù)研究方向。另外針對(duì)掃氣功能的控制策略，精確地進(jìn)行空燃比等控制也是當(dāng)前重點(diǎn)的研究方向。

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Research on Scavenging Effectw ith D-VVT Experiment

Liu Ran1，2，LuW eiwei1，2，Jiang Kun1，2，Zheng Jianchao1，2，Guo Fan1，2
1-TechnicalCenter，GreatWallMotor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）

This paper researches scavenging using a 3.0 L gasoline engine with direct injection and turbochargingon full load of2000 r/min，summarizesbasic principleofscavenging and basic configuration．Results show that advance of camshaft angle inlet valve opened can increase scavenging effect，charging efficiency and mass flow in cylinder；delay in camshaft angle inlet valve closed has no obvious effect on scavenging，with camshaftangle inletvalveopeningatTDC。

ICengine，VVT，Scavenging

TK427

A

2095-8234（2015）01-0001-05

劉然（1987-），男，本科生，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)發(fā)以及臺(tái)架標(biāo)定。

（2014-11-29）