雙VVT對(duì)汽油機(jī)內(nèi)部EGR影響的試驗(yàn)研究

信松嶺，陸云春

（1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定071000 2.昆明云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司，昆明650200）

雙VVT對(duì)汽油機(jī)內(nèi)部EGR影響的試驗(yàn)研究

信松嶺1，陸云春2

（1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定071000 2.昆明云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司，昆明650200）

以一款2.0L增壓直噴可變雙VVT汽油機(jī)為研究對(duì)象，在轉(zhuǎn)速為2 000 r/m in、相對(duì)充氣量為40%工況點(diǎn)進(jìn)行VVT全因子試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)調(diào)節(jié)VVT，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗及HC和NOx排放。

雙氣門開啟正時(shí) 內(nèi)部EGR 全因子試驗(yàn)

1 前言

為實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)節(jié)能減排，人們提出了很多方案：缸內(nèi)直噴技術(shù)、渦輪增壓技術(shù)、可變氣門技術(shù)[1]和廢氣再循環(huán)技術(shù)[2]。這些技術(shù)可以單獨(dú)使用，也可以幾種一起使用。

本試驗(yàn)研究以一款2.0 L增壓直噴可變進(jìn)排氣雙氣門正時(shí)（DVVT或雙VVT）汽油機(jī)為對(duì)象，通過(guò)對(duì)雙VVT組合進(jìn)行全因子試驗(yàn)，研究雙VVT對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部EGR的影響。

2 內(nèi)部EGR的基本原理

對(duì)于4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，在低速中小負(fù)荷時(shí)，通過(guò)調(diào)整可變氣門開啟正時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR。主要途徑有2種：廢氣再吸法和廢氣殘留法[3]。廢氣再吸法有3種:（1）排氣沖程短暫開啟進(jìn)氣門，部分廢氣進(jìn)入進(jìn)氣管，在進(jìn)氣沖程又被重新吸入氣缸；（2）進(jìn)氣沖程短暫開啟排氣門，排氣管中部分廢氣被重新吸入氣缸；（3）增大進(jìn)排氣門重疊角，在氣門開啟重疊時(shí)，缸內(nèi)壓力大于進(jìn)氣道壓力，廢氣回流到進(jìn)氣管，之后再重新進(jìn)入氣缸。廢氣殘留法就是排氣門提前關(guān)閉，在排氣門關(guān)閉之后再將進(jìn)氣門打開，使得一部分廢氣殘留在氣缸內(nèi)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)在換氣過(guò)程中，進(jìn)氣門在排氣門關(guān)閉之前就己開啟，氣門重疊角都是正的，故廢氣殘留法又稱為負(fù)氣門疊開。

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，保證較優(yōu)的內(nèi)部EGR效果[4]。

本試驗(yàn)研究采用的是廢氣再吸法中的增大進(jìn)排氣門重疊角，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR。

3 全因子試驗(yàn)

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

用1款2.0 L直列4缸增壓直噴DVVT汽油機(jī)作為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、相對(duì)充氣量為40%（注：相對(duì)充氣量是指實(shí)際缸內(nèi)充量與進(jìn)氣狀態(tài)下理論充量的比值，代表發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷）工況點(diǎn)來(lái)研究雙VVT對(duì)內(nèi)部EGR的影響。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)裝置主要包括測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)、AVL電力測(cè)功機(jī)、燃燒分析儀、空燃比分析儀、電控系統(tǒng)及各個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力溫度傳感器等。

3.3 試驗(yàn)方法

針對(duì)選擇的工況點(diǎn)進(jìn)行VVT全因子試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定進(jìn)氣VVT范圍為18°～-42°曲軸轉(zhuǎn)角（℃A），即進(jìn)氣門開啟提前角可從18℃A調(diào)到-42℃A，可調(diào)范圍為60℃A，按10℃A步長(zhǎng)，共分7個(gè)點(diǎn)；排氣VVT范圍為-27°～33℃A，即排氣門關(guān)閉提前角可從-27℃A調(diào)到33℃A，可調(diào)范圍為60℃A，按10℃A步長(zhǎng)，共分7個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行正交組合試驗(yàn)。其中，VVT角度以1mm升程（由電控供應(yīng)商提供）來(lái)定義，根據(jù)凸輪型線確定1mm升程時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)化為以換氣上止點(diǎn)為零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度，則進(jìn)氣凸輪開啟的角度為18℃A，排氣凸輪關(guān)閉的角度為-27℃A；正數(shù)角度表示在換氣上止點(diǎn)之后，而負(fù)數(shù)角度表示在換氣上止點(diǎn)之前。試驗(yàn)控制邊界：過(guò)量空氣系數(shù)取1，CA50取8℃A～9℃A，相對(duì)充氣量為40%。

4 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

從2 000/min、相對(duì)充氣量40%工況點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果的整體情況來(lái)看，正交形成的49個(gè)VVT組合，在相同進(jìn)氣量情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、油耗以及HC和NOx的排放差異都很大。

4.1 雙VVT對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

全因子試驗(yàn)結(jié)果之一：制動(dòng)平均有效壓力（BMEP）如表2所示。

表2 BMEP全因子試驗(yàn)結(jié)果 kPa

以固定進(jìn)氣VVT（定為-22℃A）、變化排氣VVT為例，對(duì)雙VVT對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響進(jìn)行說(shuō)明。圖1、圖2和圖3分別是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力循環(huán)功、殘余廢氣量和泵氣損失隨排氣VVT變化規(guī)律。

圖1 動(dòng)力循環(huán)功隨排氣VVT變化規(guī)律

圖2 殘余廢氣量隨排氣VVT變化規(guī)律

圖3 泵氣損失隨排氣VVT變化規(guī)律

如圖1～3所示，隨著排氣VVT的滯后，動(dòng)力循環(huán)功增大21 kPa，可見缸內(nèi)燃燒狀況隨排氣VVT滯后更加良好，即相同氣量和油量的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成更多的機(jī)械能。

另一方面，隨著排氣VVT的滯后，氣門重疊角增大，此時(shí)進(jìn)氣支管絕對(duì)壓力為59～81 kPa，存在較大真空度，已燃廢氣會(huì)進(jìn)入進(jìn)氣支管，并在進(jìn)氣過(guò)程中重新進(jìn)入缸內(nèi)，形成內(nèi)部EGR，導(dǎo)致殘余廢氣量增加。如圖2所示，由于廢氣的干擾，為保證相同的新鮮空氣量進(jìn)入缸內(nèi)，需要加大節(jié)氣門開度，這樣就減小節(jié)氣門在小負(fù)荷下的截流效應(yīng)，從而減小泵氣損失。

動(dòng)力循環(huán)功扣除泵氣損失是平均指示壓力，再克服摩擦損失，就轉(zhuǎn)化成平均有效壓力作為有用功輸出。在2 000 r/min、相對(duì)充氣量為40%工況點(diǎn)，摩擦損失為70 kPa。隨著排氣VVT的滯后，動(dòng)力循環(huán)功增大，泵氣損失減小，最終BMEP提高7.5%。

4.2 雙VVT對(duì)油耗的影響

由于試驗(yàn)過(guò)程中保持相對(duì)充氣量為40%，過(guò)量空氣系數(shù)為1，所以雙VVT對(duì)燃油消耗量沒(méi)有影響；而雙VVT對(duì)于降低泵氣損失，提高BMEP有明顯效果。圖4和圖5分別是BMEP和燃油消耗率隨進(jìn)排VVT的變化規(guī)律。由圖4和5可見，燃油消耗率與BMEP存在較強(qiáng)的相關(guān)性，在BMEP相對(duì)高的區(qū)域，燃油消耗率則低，而在BMEP相對(duì)低的區(qū)域，燃油消耗率則高。

圖4 BMEP隨進(jìn)排VVT的變化規(guī)律

以進(jìn)氣VVT-22℃A、排氣VVT變化為例，雙VVT可以明顯降低汽油機(jī)在此負(fù)荷下的燃油消耗率，降低幅度7.8%。圖6是燃油消耗率隨排氣VVT變化規(guī)律。

4.3 雙VVT對(duì)排放的影響

圖7和圖8分別是HC排放量和殘余廢氣量隨進(jìn)排氣VVT變化規(guī)律。由圖7和8可知，HC排放量和殘余廢氣量存在較強(qiáng)的相關(guān)性。殘余廢氣量在170 hPa以下的VVT組合區(qū)域，HC排放量體積分?jǐn)?shù)3 000×10-6以上；殘余廢氣量在260 hPa以上的VVT組合區(qū)域，HC排放量體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了2 900×10-6以上。由此，在選取VVT組合時(shí)，適宜的氣門重疊角引起的殘余廢氣量能降低HC排放。如殘余廢氣量過(guò)低則不能充分利用內(nèi)部EGR降低HC排放的效果，過(guò)高則令不完全燃燒程度加大，HC排放增大。

圖5 燃油消耗率隨進(jìn)排VVT的變化規(guī)律

圖6 燃油消耗率隨排氣VVT變化規(guī)律

圖7 HC排放隨進(jìn)排氣VVT變化規(guī)律

圖8 殘余廢氣量隨進(jìn)排氣VVT變化規(guī)律

以進(jìn)氣VVT-22℃A、排氣VVT變化為例，HC排放隨排氣VVT滯后先減小后增大，最大降幅達(dá)14.1%。圖9是HC排放隨排氣VVT變化規(guī)律。由圖9可見，HC主要來(lái)源于不完全燃燒，因此將廢氣重新引入缸內(nèi)再次燃燒能夠有效降低HC排放，而HC在排氣VVT角度13℃A、23℃A和33℃A時(shí)的反升是由于殘余廢氣量過(guò)大，燃燒不完全程度過(guò)大，導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)多的HC；即便通過(guò)內(nèi)部EGR再燃燒，也已經(jīng)不能減少HC排放。

圖9 HC排放隨排氣VVT變化規(guī)律

圖10 是NOx排放隨排氣VVT變化規(guī)律。由圖10可見，NOx的排放隨排氣VVT的滯后而降低，降低幅度為77.5%。這是由于排氣VVT滯后形成內(nèi)部EGR，殘余廢氣量增大。廢氣中大量的CO2和H2O的比熱容較高，燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量被廢氣吸收，最高燃燒溫度得以降低。另外，由于殘余廢氣量的增大，燃燒不完全，缸內(nèi)燃燒放出的熱量降低。圖11是發(fā)動(dòng)機(jī)渦前溫度隨排氣VVT變化規(guī)律。由圖11可見，渦前溫度由558.1℃降至478.4℃。此外，隨著殘余廢氣量的增大，缸內(nèi)氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，使得NOx產(chǎn)生的三要素：高溫、富氧和反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)中的高溫和富氧條件相對(duì)薄弱，從而降低NOx產(chǎn)生量。

圖10 NOx排放隨排氣VVT變化規(guī)律

圖11 渦前溫度隨排氣VVT變化規(guī)律

5 結(jié)論

（1）在不增加硬件成本的前提下，對(duì)低速中小負(fù)荷工況點(diǎn)，可以通過(guò)VVT調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR功能；而內(nèi)部EGR的產(chǎn)生需要合適的氣門重疊角。

（2）通過(guò)雙VVT形成內(nèi)部EGR后，需要增大節(jié)氣門開度，這降低了泵氣損失，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

（3）通過(guò)雙VVT形成的內(nèi)部EGR，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。

（4）通過(guò)雙VVT形成內(nèi)部EGR，可使廢氣重新進(jìn)入氣缸進(jìn)行燃燒，降低了HC排放，同時(shí)弱化了產(chǎn)生高溫、富氧的條件，從而降低了NOx排放。

[1]GAUTHIER D G,PFEIFFER JM.Virtualcheck valve control for improved energy conservation and phasing performance[R].SAEPaper,NO.2010-01-1188，2010.

[2]肖廣飛，張弘，尹琪.車用汽油機(jī)可變氣門定時(shí)技術(shù)作用機(jī)理及應(yīng)用策略[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2011(6)：1-6．

[3]謝輝，趙華，楊林，等.基于可變氣門定時(shí)策略的HCCI汽油機(jī)試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2005(06).

[4]李正偉.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)利用可變氣門和增壓技術(shù)改善油耗的研究[D].北京：清華大學(xué)，2011.

EffectofDualVVTon InternalEGR ofGasoline Engine

Xin Songling1,Lu Yunchun2
（(1.TechnicalCenter,GreatWallMotorCompany,Limited,and HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center,Baoding071000,China;2.TechnicalCenter,YunneiCompany,Limited,Kunming650200,China)

The effect of dual VVT on internal EGR of gasoline engine was researched based on the testing of a 2.0 L turbocharged gasoline engine of direct injection at 2 400 r/min with 40%of relative air-charg.The test result shows that the dual VVT can achieve internal EGR by controlling VVT,thus improvingengine performanceand reducing fuelconsumption,HCand NOx.

dual-valve open tim ing,internalEGR,sweeping test

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.008

來(lái)稿日期：2017-09-26

信松嶺（1990-），男，碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)以及臺(tái)架標(biāo)定。