VVT掃氣對發(fā)動機影響的研究

王國棟 余光耀 李高堅 賴學云 楊武森

摘要：本文針對VVT掃氣效應對發(fā)動機的影響進行了研究。研究結果表明：VVT掃氣可提升發(fā)動機低速大負荷區(qū)域的扭矩和改善點火角效率，降低油耗。在1600rpm全負荷30度的氣門重疊角時，掃氣可提升28.3%的扭矩。但VVT掃氣對排放和催化劑過熱保護不利，在1600rpm全負荷30度氣門重疊角掃氣時HC相對無掃氣時增加3.23倍。低速時燃燒溫度相對較低，NOx排放變化并不劇烈。約1%的燃燒效率計算誤差就會引起大約20～30度的溫度差別。關鍵詞：VVT;掃氣效應;扭矩提升;排放;lambda控制

中圖分類號：TK411.24

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2550（2019）06-0023-04

Research On The Effects Of WVT Scavenging On The Engine

WANG Guo-dong， YU Guang-yao， LI Gao-jian， LAI Xue-yun， YANG Wu-sen（ Technical Center， SAIC GM WuLing Automobile Co.， LTD， LiuZhou545005， China ）

Abstract： The influence of the VVT scavenging effect on engines was studied in the article.?The results show that the VVT scavenging can improve engine at low speed heavy load?torque and the efficiency of ignition Angle and reduce the engine' s fuel consumption. The .1600rpm Full load at 30 degrees of valve overlap Angle， the scavenging can improve 28.3% of?its torque. But the VVT scavenging against emissions and catalyst overheating protection.When the scavenging applied to the 1600rpm Full load at 30 degrees of valve overlap Angle，?the HC emissions increased 3.23 times compared to no scavenging. Because of the combustion temperature?of lower speed area is relatively low， the NOx emissions change is not severe.About 1% of the combustion efficiency calculation error will cause about 20 ～ 30 degree temperature?difference.

Key Words： VVT; Scavenging effect; Torque increasing; emission; lambda controlled

王國棟

畢業(yè)于武漢理工大學車輛工程領域工程專業(yè)，碩士學位，現(xiàn)任上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心電子與標定工程部總監(jiān)。

主要從事汽油機的性能開發(fā)、汽油機整車應用匹配，ADAS自動駕駛系統(tǒng)匹配，車聯(lián)網(wǎng)+遠程啟動標定匹配，ECU/TCU軟件開發(fā)匹配、國六整車標定匹配等動力總成開發(fā)工作，已發(fā)表論文數(shù)篇。

前言

隨著我國面臨的排放壓力越來越大，國家政策傾向于支持小排量發(fā)動機的車輛，促進了小排量汽油機在我國車輛的配置越來越普及。通常情況下排量小意味著馬力小，為了提升小排量排汽油機馬力，應用到發(fā)動機上的新技術層出不窮?？勺儦忾T正時（VVT）因其技術成熟、效果顯著而被廣泛應用于小型汽油機，上。而掃氣則是VVT主要應用功能之一，本文對小型汽油機VVT掃氣功能在汽油機上的應用進行研究。

1掃氣原理與應用

1.1掃氣原理

掃氣是利用進氣門前端的壓力大于排氣門后端的正向壓差和氣門重疊效應，使新鮮空氣（或未燃混合氣）在發(fā)動機排氣沖程從進氣門進入燃.燒室把其殘余廢氣稀釋或沖出燃燒室的一個物理過程。圖1所示即為發(fā)動機的掃氣原理圖。當燃燒室內(nèi)的lambda（λ）小于尾氣的λ時必然發(fā)生了掃氣現(xiàn)象，而沒有發(fā)生掃氣現(xiàn)象時燃燒室內(nèi)的λ等于于尾氣的λ。從掃氣原理可知，要利用掃氣功能的發(fā)動機必須具備兩大硬件功能。（1）增壓功能：利用增壓效應產(chǎn)生進氣歧管壓力大于排氣歧管壓力的正向壓差現(xiàn)象。（2）進氣VVT：在發(fā)動.機排氣沖程提前打開進氣門，形成氣門重疊角，使得掃氣功能的實現(xiàn)。理想的情況是具有進排氣雙VVT，雙VVT可實現(xiàn)進氣門提前開啟、排氣門推遲的大氣門重疊角，可充分利用掃氣功能來提高氣缸內(nèi)的進氣量，進而提高發(fā)動機的扭矩輸出。

1.2掃氣應用范圍

進排氣門重疊且進排氣歧管存在正向壓差時可以進行掃氣，決定了實際應用中掃氣功能主要應用在發(fā)動機中低轉速大負荷區(qū)域。掃氣一般發(fā)生在低于3000rpm的中低轉速區(qū)，低轉速區(qū)可以提.高全負荷扭矩約20%～30%，甚至更多。掃氣發(fā)生在中低轉速大負荷區(qū)域的原因主要有三個：（1）正向壓差主要依靠渦輪增壓形成，渦輪增壓的增壓壓力設定在3000rpm以后會降低，導致正向壓差降低最后為0，掃氣無法實現(xiàn)。（2）轉速超過3000rpm時，氣i]重疊角的變化已經(jīng)不能使發(fā)動機無法達到很好的氣流效應。（3）轉速在3000rpm以上時，對VVT的控制精度要求更高，比如掃過20度曲軸轉角（CA）約只需1ms，電子控制的滯后效應無法使VVT達到很好的控制效果。

2掃氣對發(fā)動機動力與排放的影響

2.1掃氣對發(fā)動機動力的影響

本文所研究發(fā)動機的是一款1.5L的歧管多點噴射的增壓汽油機，其主要參數(shù)如表1所示，后續(xù)的所有數(shù)據(jù)均是基于本款發(fā)動機而來。

造成掃氣效果的進排氣正向壓差發(fā)生在排氣沖程氣缸往，上止點運動過程，由渦輪增壓系統(tǒng)能;夠產(chǎn)生正向壓差，掃汽和廢氣閥控制配合使得更多廢氣被清除出燃燒室，提高充氣量。由于增加的空氣量導致噴油量增加從而扭矩增大，進一步加強增壓對扭矩的提升效果。增加通過壓縮器的流量，增大增壓器的壓縮能力，使掃氣更有效。如此循環(huán)可以更早提升扭矩，增強低速時候增壓響應能力降低增壓遲滯現(xiàn)象，提升發(fā)動機的動力性。圖2所示是本款發(fā)動機分別在1600rpm和2800rpm全負荷時掃氣對發(fā)動機扭矩的提升作用。在1600rpm全負荷時氣門重疊越大，掃氣效應越強對發(fā)動機扭矩的提升就越大。氣門重疊角在30度CA掃氣時，其扭矩相比無掃氣的0度氣門重疊角的提升了28.3%。在2800rpm全負荷時，氣門重疊角對扭矩的提升表現(xiàn)為隨著氣門重疊角增加到一定程度時，扭矩有輕微的提升，之后隨著氣門重疊角的繼續(xù)增大扭矩有輕微的下降?？梢姷桨l(fā)動機提升到到一定轉速后，掃氣效應對發(fā)動機扭矩提：升作用不大。

2.2掃氣對發(fā)動機排放的直接影響

掃汽在低速大負荷區(qū)域使得發(fā)動機扭矩有較大幅度的提升，但在提升扭矩的同時也要關注掃氣對發(fā)動機氣體排放的影響。顯然氣門重疊角越大，掃汽效應就越強。圖3和圖4分別是在發(fā)動機1600rpm全負荷時不同氣門重疊角下發(fā)動機HC和NOx排放物的變化。從圖3可看出，隨著掃氣程度的加強，HC排放物直線上升，尤其是氣門重疊角達到20度以后，急劇上升。圖4則顯示出了NOx排放與掃氣強弱規(guī)律性不強，掃氣掃到一定程度后NOx排放會有所降低，但不明顯。從NOx生成機理也可知，NOx主要與高溫、富氧的條件有關，與掃氣強弱沒有直接的關系。

3掃氣對lambda控制、點火角提升、催化劑保護的影響

3.1掃氣對lambda（λ）的影響

隨著排放法規(guī)越來越嚴格，要求電噴系統(tǒng)能準確地測出排氣lambda（λ）從而更為準確地控制噴油量，減少氣體排放污染物。特別是《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（中國第六階段）出臺后，能實時測出排氣λ的寬域氧傳感器作為前氧應用到了排氣系統(tǒng)中（窄域氧傳感器只能判斷λ>1還是λ<1，無法精確得到λ的值）。如圖5所示，當發(fā)動機沒有掃氣效應時，燃燒室內(nèi)的λ和排氣的λ相等，即λcombustion=λexhaust當燃燒室和排氣混合氣λ=1時，落在三元催化劑最佳催化轉化窗口內(nèi)，此時三元催化器凈化能力最強，排放最優(yōu)。

掃氣效應發(fā)生時新鮮空氣穿過燃燒室進人排氣管，導致排氣管中的λ與燃燒室中的λ不一致。根據(jù)排放最優(yōu)原則不管是否發(fā)生掃氣均要求排氣管中的λ=1。由于掃氣使得新鮮氣體進人排氣管，前氧傳感器測得的λ比燃燒室實際λ偏大，所以需要控制燃燒室λ<1來保證排氣管λ=1。但如果過量新鮮空氣進人排氣管，在排氣管中與加濃的尾氣（過分控制λ<1導致）反應，使排溫過高，會導致催化器過熱（圖6中a所示）此時為了保護催化器，需要減少燃燒室混合氣加濃使燃燒室的實際λ=1，或者減少重疊角，從而減少掃氣量，此時可以測得排氣管λ>1。但減少噴油量的方法，可能造成燃燒室真實λ>1（可根據(jù)前氧傳感器判斷），形成稀薄燃燒，導致排放Nox偏高，排放變差。系統(tǒng)根據(jù)前氧反饋需要使得：排放最優(yōu)，則又要求排氣管λ=1，增加掃氣量，增加噴油量。以上兩種控制方式需要時時根據(jù)排氣溫度和前氧檢測結果進行切換，以排氣管中的λ=1為主要控制目標。

3.2掃氣對點火角的影響

在增壓發(fā)動機的中大負荷區(qū)域，點火提前角受到發(fā)動機爆震抑制，點火角推遲較多。采取以上的空燃比控制策略，意味著大于0的氣門重疊角，進氣閥在排氣沖程打開，新鮮氣體掃出了燃燒室內(nèi)高溫的殘余廢氣，燃燒室溫度降低使下一個循環(huán)內(nèi)爆震可能發(fā)生點后移，相對點火提前角則可以更大些，點火效率也能相應增加。圖7所示的是發(fā)動機在1600轉80%負荷，lambda控制在1時掃氣對點火角與油耗的影響。從圖7可看出發(fā)動機點火角隨著掃氣效應的增強而相對提前。氣門重疊角為18度CA時，掃氣效應最強，此時點火角相對無掃氣時的0度CA氣門重疊角的點火角相對提前約5.7度。此外從圖7也可看出隨著點火角效率的提高，發(fā)動機油耗率也隨著降低，說明掃氣有改善發(fā)動機燃燒的作用。

3.3掃氣對催化器保護的影響

發(fā)生掃氣效應意味著氣門重疊時候新鮮氣體進入了排氣管，保持前氧lambda為1的控制目標意味著燃燒室內(nèi)實際lambda<1，即加濃狀態(tài)。此時排氣中不可避免會有富余HC，這些HC在高溫的排氣中會和新鮮氣體進行化學反應放出熱量，易于導致催化劑過熱。為了防止催化劑過熱需要控制燃燒室內(nèi)加濃狀態(tài)，減少噴油量，或者減少進人排氣管的新鮮氣體量，主要指的是氧氣量。這樣就可以減少排氣管中的化學反應，降低放熱量。排氣溫度可以作為掃氣效應匹配的關鍵反饋。對排氣管lambda=1時發(fā)生的催化劑過熱，受到發(fā)動機系統(tǒng)容差的影響較大。根據(jù)已有試驗數(shù)據(jù)，約1%的燃燒效率計算誤差就會引起大約20～30度的溫度差別。故而利用VVT掃氣效應時，對催化劑過熱保護必不可少。

4結語

VVT的掃氣效應對增壓發(fā)動機的低速扭矩有較大的提升作用，可降低發(fā)動機的增壓遲滯效應。另一方面，VVT掃氣效應還可提高發(fā)動機的點火角效率降低發(fā)動機油耗。但需要注意的是在提升扭矩的同時，發(fā)動機的HC排放隨著掃氣效應的增強而急劇增多，要在排放法規(guī)限值內(nèi)合理利用VVT掃氣效應。此外，利用VVT掃氣效應時還需考慮催化劑過熱保護。

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龍永生：

目前由于油耗壓力，增壓適度型發(fā)動機已經(jīng)是現(xiàn)在及將來發(fā)動機的發(fā)展方向，而可變相.位進排氣VVT系統(tǒng)，由于其成本低，可靠耐久，帶來的性能改善效果明顯，已經(jīng)被廣泛應用在發(fā)動機領域。

本文主要針對采用VVT可變相位的增壓發(fā)動機進排氣系統(tǒng)中的掃氣功能，分析討論如何利用VVT掃氣效果進一步提升改善發(fā)動機性能，并通過試驗驗證表明：VVT的掃氣效應確實對增壓發(fā)動機的低速扭矩有較大的提升作用，可一定程度減輕發(fā)動機的增壓遲滯效應;同時VVT掃氣效應還可改善點火角效率達到降低發(fā)動機油耗的目的。但另一方面需要注意的是VVT的掃氣效應對發(fā)動機的HC排放，會隨著掃氣效應的增強而急劇增多，需要綜合考慮提升性能及優(yōu)化排放。尤其提到對催化器的過熱保護對生產(chǎn)企業(yè)具有較好的指導意義。