可變氣門正時(shí)標(biāo)定在氣門正時(shí)設(shè)計(jì)中的作用

晏雙鶴

（長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）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)節(jié)能減排，人們提出很多方案：缸內(nèi)直噴技術(shù)、渦輪增壓技術(shù)、高壓共軌技術(shù)、可變氣門正時(shí)技術(shù)[1]、廢氣再循環(huán)技術(shù)[2]等。這些技術(shù)可以單獨(dú)使用，也可以組合使用。

發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí) （Variable Valve Timing，VVT）技術(shù)，是性價(jià)比相當(dāng)高的技術(shù)方案之一。一款發(fā)動(dòng)機(jī)是否搭載了可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)，是評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放性是否優(yōu)良的技術(shù)指標(biāo)之一[3]。VVT技術(shù)能使發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速、低負(fù)荷工況燃燒穩(wěn)定，中低轉(zhuǎn)速、中負(fù)荷工況燃油耗低，中低轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工況扭矩高，高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工況功率高[4]。VVT通過對(duì)氣門正時(shí)的改變，滿足了不同工況對(duì)氣門正時(shí)的不同需求，已經(jīng)成為開發(fā)新型發(fā)動(dòng)機(jī)過程中一項(xiàng)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

本試驗(yàn)通過對(duì)VVT進(jìn)行標(biāo)定，即在不同工況對(duì)雙VVT組合進(jìn)行全因子試驗(yàn)，選出該工況最優(yōu)的進(jìn)排氣VVT組合。根據(jù)標(biāo)定結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門正時(shí)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為1款正在開發(fā)中的2.0 L直列4缸增壓直噴雙可變氣門正時(shí) （VVT）電控汽油機(jī)，采用高壓共軌燃油系統(tǒng)和BOSCH電控系統(tǒng)。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 VVT標(biāo)定試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置及設(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)的壓力和溫度傳感器。試驗(yàn)所采用的主要設(shè)備及其精度見表2。

表2 主要試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)時(shí)，出水溫度控制在80℃，進(jìn)水壓力控制在≥40 kPa，出水壓力控制在≤120 kPa，增壓器渦前溫度控制在≤930℃，低壓油路壓力保持在550 kPa，低壓油路溫度保持在25℃。這些要求不是本試驗(yàn)的直接要求，而是出于安全考慮。試驗(yàn)中所測(cè)排放均為原始排放，采用蝶閥模擬排氣背壓。排放采樣點(diǎn)為增壓器渦后10 cm處。排放測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)量的碳?xì)洌℉C）和氮氧化物 （NOx）排放量為總排氣量之比。

2.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從1 600 r/min增加至4 000 r/min， 分別為 1 600 r/min、 1 800 r/min、2 000 r/min、 2 400 r/min、 2 800 r/min、 3 200 r/min、3 600 r/min和4 000 r/min；在每一轉(zhuǎn)速下，相對(duì)充氣量從50%增加至120%，分別為50%、60%、70%、80%、90%、105%和120%。這樣試驗(yàn)工況共有56個(gè)。相對(duì)充氣量是指實(shí)際缸內(nèi)充量與進(jìn)氣狀態(tài)下理論充量之比，代表發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。

2.3 試驗(yàn)方法

針對(duì)2.2節(jié)規(guī)定的每個(gè)試驗(yàn)工況進(jìn)行VVT全因子試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣VVT范圍為20°～-40°曲軸轉(zhuǎn)角 （°CA），即進(jìn)氣門開啟提前角可從20°CA調(diào)到-40°CA， 可調(diào)范圍為60°CA， 按10°CA步長進(jìn)行試驗(yàn)；排氣VVT范圍為-27°CA ～33°CA，即排氣門關(guān)閉提前角可從-27°CA調(diào)到33°CA，可調(diào)范圍為60°CA，也按10°CA步長進(jìn)行試驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)工況有49次試驗(yàn)。其中，VVT角度以1 mm升程 （由電控供應(yīng)商提供）來定義，根據(jù)凸輪型線確定1 mm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20°CA，排氣凸輪關(guān)閉的角度為-27°CA。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)控制邊界為：過量空氣系數(shù)取1，CA50取8°CA ～9°CA，或爆震邊界。CA50表示燃燒50%燃油所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 最優(yōu)進(jìn)排氣VVT組合的確定

對(duì)每個(gè)工況下不同VVT組合的燃油耗率、HC排放和NOx排放結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，綜合考慮，選出每個(gè)工況的最優(yōu)進(jìn)排氣VVT組合。

轉(zhuǎn)速2 000 r/min、相對(duì)充氣量80%工況的燃油耗率、HC排放和NOx排放隨進(jìn)排氣VVT變化的結(jié)果如圖1～3所示。得到最優(yōu)VVT組合為進(jìn)氣0°CA，排氣13°CA。 燃油耗率、 HC 排放和 NOx排放結(jié)果的規(guī)律形成機(jī)理不在本文討論范圍之內(nèi)。由于是3個(gè)因素共同影響最優(yōu)進(jìn)排氣VVT組合結(jié)果，并不能使燃油耗率、HC排放和NOx排放結(jié)果在最優(yōu)VVT組合下同時(shí)取得最小值，存在取舍或者是平衡的問題，一般燃油耗的比重相對(duì)大一些。比如進(jìn)氣0°CA，排氣13°CA （命名為組合1） 和進(jìn)氣-10°CA， 排氣13°CA （命名為組合2）， 組合1的燃油耗率有0.4 g/（kW·h）的優(yōu)勢(shì)，而組合2在HC排放、NOx排放分別有0.013 9%和0.032 6%的優(yōu)勢(shì)，故并無絕對(duì)的最佳選點(diǎn)結(jié)果。

圖1 燃油耗率

按此方法，確定2.2節(jié)每個(gè)試驗(yàn)工況下的最優(yōu)雙VVT組合，得到1張進(jìn)氣VVT表和1張排氣VVT表，這是最優(yōu)組合標(biāo)定的初步結(jié)果，其需要平順，才能作為進(jìn)排氣VVT的標(biāo)定結(jié)果。平順方法如下，以進(jìn)氣VVT標(biāo)定初步結(jié)果為例 （見表3），如：2 800 r/min、相對(duì)充氣量60%工況，進(jìn)氣VVT為-30°CA，而緊鄰工況均為-40°CA，則將其改為-40°CA；2 400 r/min、相對(duì)充氣量90%工況，進(jìn)氣VVT為-20°CA，橫向看進(jìn)氣VVT角度趨向關(guān)小，而且與2 400 r/min、相對(duì)充氣量80%工況的進(jìn)氣VVT角度間隔較大，為20°CA，則將其改為-30°CA。以此方法對(duì)整張最優(yōu)標(biāo)定初步結(jié)果表進(jìn)行平順，就可得到進(jìn)氣VVT的標(biāo)定結(jié)果，見3.2節(jié)中的表4。

圖2 HC排放

圖3 NOx排放

表3 進(jìn)氣VVT標(biāo)定初步結(jié)果 °CA

3.2 VVT標(biāo)定結(jié)果

根據(jù)3.1節(jié)最優(yōu)VVT進(jìn)排氣組合的確定方法，得到每個(gè)試驗(yàn)工況下最優(yōu)的進(jìn)排氣VVT組合，經(jīng)平順后，得到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣VVT的標(biāo)定結(jié)果。表4是進(jìn)氣VVT標(biāo)定結(jié)果。由于僅進(jìn)氣VVT處于極限位置，而排氣VVT不然，排氣凸輪軸不需要錯(cuò)齒改造，故此處及后面未展示排氣VVT標(biāo)定結(jié)果。

表4 進(jìn)氣VVT標(biāo)定結(jié)果 °CA

從表4中可以看出，23個(gè)工況 （占比41%）的進(jìn)氣VVT結(jié)果為-40°CA，即進(jìn)氣VVT的極限開啟位置。所以推測(cè)如果進(jìn)氣VVT繼續(xù)提前，在排放基本保持不變的前提下，燃油耗率可以繼續(xù)降低。為此與氣門正時(shí)設(shè)計(jì)部門溝通，其同意并確認(rèn)在保證安全裕度的前提下，可以通過錯(cuò)齒將進(jìn)氣凸輪軸提前15°CA，無氣門與活塞碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。然后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門正時(shí)進(jìn)行錯(cuò)齒改造，并對(duì)進(jìn)氣VVT提前的組合進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 錯(cuò)齒后的VVT標(biāo)定結(jié)果

由于錯(cuò)齒改變的是硬件上的氣門正時(shí)關(guān)系，即相同的進(jìn)氣VVT角度在錯(cuò)齒前后對(duì)應(yīng)的氣門開啟時(shí)刻是不同的。為防止混淆，將錯(cuò)齒后的進(jìn)氣VVT角度轉(zhuǎn)化成錯(cuò)齒前相同氣門開啟時(shí)刻對(duì)應(yīng)的VVT角度，所以錯(cuò)齒后的進(jìn)氣VVT極限開啟角度變?yōu)?55°CA。針對(duì)進(jìn)氣VVT結(jié)果為-40°CA的工況，增加的進(jìn)氣VVT角度，按5°CA步長進(jìn)行試驗(yàn)，即增加 -45°CA、 -50°CA、 -55°CA。 綜合考慮燃油耗率、HC排放和NOx排放結(jié)果，選出最優(yōu)的進(jìn)排氣VVT組合，再進(jìn)行平順，得到錯(cuò)齒后的進(jìn)氣VVT標(biāo)定結(jié)果如表5所示。

表5 錯(cuò)齒后的進(jìn)氣VVT標(biāo)定結(jié)果 °CA

由表5中數(shù)據(jù)可以看出，一部分工況的進(jìn)氣VVT角度得到了提前，提前5°CA至15°CA不等。在排放保持基本不變的情況下，可以獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)，燃油耗率降低1～2 g/（kW·h）。

4 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定是在硬件設(shè)計(jì)完成確定后，通過不同的標(biāo)定參數(shù)使發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合表現(xiàn)最優(yōu)的過程；但這并不是單向的，通過標(biāo)定的結(jié)果也可以指導(dǎo)硬件的設(shè)計(jì)。本次試驗(yàn)通過VVT的標(biāo)定結(jié)果對(duì)氣門正時(shí)設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)意見，試驗(yàn)結(jié)果表明此改進(jìn)意見有效。