王家盛，許 敏，蘇建業(yè)，高 弈

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院汽車電子控制技術(shù)國家工程試驗室，上海 200240）

隨著世界范圍內(nèi)對降低油耗和減少CO2排放越來越急迫的需求，一系列新的汽油機技術(shù)被研發(fā)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其中，高增壓和高壓縮比直噴汽油機正成為新一代汽油機的重要發(fā)展方向［1－4］。直噴技術(shù)能夠利用燃油蒸發(fā)時的汽化潛熱降低缸內(nèi)溫度，抑制爆震，從而提高壓縮比。

小型化增壓技術(shù)能夠在降低油耗的同時保證發(fā)動機的動力性，但隨著發(fā)動機進(jìn)一步小型化，為了滿足發(fā)動機扭矩和功率的要求，增壓比越來越大，而增壓比的增加使發(fā)動機爆震成為更加嚴(yán)重的問題。為了抑制爆震，不得不降低發(fā)動機的幾何壓縮比，從而對燃油經(jīng)濟性造成負(fù)面影響。此外，直噴發(fā)動機相對進(jìn)氣道噴射發(fā)動機具有較高的炭煙排放［5］，炭煙排放成為另一個制約直噴汽油機發(fā)展的重要因素。

爆震是未燃混合氣在火焰尚未傳播到達(dá)前發(fā)生自燃產(chǎn)生的［6］，在一定程度上降低缸內(nèi)混合氣溫度能夠有效地抑制爆震。LIVC（進(jìn)氣門晚關(guān)）技術(shù)結(jié)合雙VVT（可變氣門正時）技術(shù)能夠降低有效壓縮比，從而降低缸內(nèi)混合氣溫度，能在有效抑制爆震的同時降低傳熱損失，提高燃油經(jīng)濟性。之前的研究表明，基于進(jìn)氣門晚關(guān)策略（LIVC凸輪軸）和雙VVT技術(shù)可以有效降低部分負(fù)荷時的泵氣損失，從而改善燃油經(jīng)濟性［7］，但是LIVC技術(shù)會在大負(fù)荷時使炭煙排放惡化［8］。

外部EGR（廢氣再循環(huán)）已經(jīng)被證實能夠有效降低缸內(nèi)溫度，從而抑制爆震，減少傳熱損失，提高燃油經(jīng)濟性［9－10］。在排放方面，EGR技術(shù)也能夠有效降低NOx和CO2排放［9－10］。此前的研究也表明了EGR在低速大負(fù)荷時對炭煙排放有明顯的改善［11］。

本研究著重研究了LIVC策略對高壓縮比增壓直噴汽油機在低速大負(fù)荷下爆震性能的影響，在使用LIVC策略的基礎(chǔ)上引入了外部冷卻EGR技術(shù)，在降低炭煙排放的同時，進(jìn)一步了提高燃油經(jīng)濟性。

1 試驗設(shè)備與方法

本研究分別在低負(fù)荷和高負(fù)荷下對1臺直列4缸、2.0L增壓直噴汽油機進(jìn)行試驗。首先比較了幾何壓縮比由9.3提高到12.0時的燃油經(jīng)濟性和爆震性能，之后研究了LIVC策略在幾何壓縮比12.0下的爆震和燃油經(jīng)濟性。最后評估了外部冷卻EGR結(jié)合LIVC策略改善炭煙排放、降低油耗的潛力。發(fā)動機的具體參數(shù)見表1。

本研究采用開發(fā)用ECU，通過INCA標(biāo)定軟件實現(xiàn)對發(fā)動機噴油時刻、進(jìn)氣門開啟時刻、排氣門關(guān)閉時刻、噴射壓力、點火時刻等進(jìn)行控制。所有的試驗都在優(yōu)化后的最優(yōu)進(jìn)排氣相位、噴油時刻和噴油壓力下進(jìn)行。試驗臺架為AVL電力測功機臺架，臺架系統(tǒng)的搭建見圖1。

燃油消耗使用AVL733S油耗儀來測定，排放使用AVL Smoke Meter和 Horiba Mexa－7100EGR來進(jìn)行測定。燃油、冷卻液、機油溫度分別使用AVL753C，AVL553，AVL554來控制。缸內(nèi)壓力通過Kistler 6125A缸壓傳感器采樣后，采用DEWE－800燃燒分析儀進(jìn)行了放熱率分析。

表1 試驗發(fā)動機參數(shù)

本研究搭建了低壓EGR回路，廢氣從三元催化器前引到空氣濾清器的出口。EGR系統(tǒng)上配置了EGR中冷器以將廢氣溫度冷卻到100℃以下，廢氣和新鮮空氣混合，經(jīng)增壓器增壓后進(jìn)入中冷器。本研究的進(jìn)氣溫度控制在30℃。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 壓縮比對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的影響

試驗工況為2000r／min，pme＝0.4MPa（工況1）和1000r／min，pme＝1.32MPa（工況2），兩種工況分別為典型的部分負(fù)荷工況和低速大負(fù)荷工況。

圖2示出在工況1壓縮比從9.3提高至12.0后的油耗變化。試驗為變點火角試驗。在該工況下，壓縮比從9.3提高至12.0帶來了5%的油耗改善。提高壓縮比改善了部分負(fù)荷的燃油經(jīng)濟性，但是在低速大負(fù)荷工況，壓縮比提高也大幅增加了爆震強度。放熱50%對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（θCA50）與點火角有很強的相關(guān)性，所以被用來表征爆震傾向［6］。如圖3所示，在低速大負(fù)荷工況下，壓縮比從9.3提高到12.0，為了避免爆震，點火角不得不推遲，從而導(dǎo)致θCA50推遲了12.0°。圖4示出在這一工況下兩種壓縮比的燃油消耗對比。從圖4可以看出，在爆震臨界點處，應(yīng)用壓縮比12.0的活塞不僅沒有起到改善燃油經(jīng)濟性的作用，反而使油耗相比于壓縮比9.3的活塞上升了2.7%。雖然壓縮比的增加使理論熱效率有所提高，但是由于爆震惡化，點火角被迫推遲，從而導(dǎo)致燃燒相位惡化，等容度下降，油耗上升。綜合以上分析可以看出，低速大負(fù)荷工況下的爆震問題是限制壓縮比提高的一個重要因素。

2.2 進(jìn)氣門晚關(guān)策略對發(fā)動機爆震、燃油經(jīng)濟性及炭煙排放的影響

本研究采用LIVC策略降低大負(fù)荷時的有效壓縮比，從而抑制發(fā)動機在該工況下的爆震傾向。采用的LIVC策略為進(jìn)氣門相對原凸輪軸晚關(guān)40°。試驗在工況2下進(jìn)行，研究了在采用壓縮比12.0活塞的情況下應(yīng)用LIVC策略對燃油經(jīng)濟性和爆震性能的影響。如圖5所示，在壓縮比12.0的條件下，應(yīng)用LIVC策略后，θCA50提前了9.4°，接近原機低壓縮比結(jié)構(gòu)下的水平，從而表明LIVC策略可以顯著抑制爆震。首先，進(jìn)氣門晚關(guān)降低了有效壓縮比，使得壓縮終了時的混合氣溫度降低，從而實現(xiàn)對爆震的抑制。其次，應(yīng)用LIVC策略后，一部分進(jìn)氣被推回至進(jìn)氣道，為了保持同樣的負(fù)荷就需要更大的進(jìn)氣壓力，一部分原來應(yīng)由活塞壓縮的氣體現(xiàn)在通過增壓器壓縮，經(jīng)過中冷器后進(jìn)一步降低了缸內(nèi)溫度［6］。由于燃燒相位的提前和泵氣功改善等其他原因，發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性與原機和原凸輪軸結(jié)合12.0壓縮比相比，分別改善了4.2%和6.9%（見圖6）。

直噴汽油機在大負(fù)荷工況下有大量的燃油直接噴射進(jìn)氣缸，液滴的蒸發(fā)和均質(zhì)混合氣的形成相對進(jìn)氣道噴射發(fā)動機更加困難。因此對直噴發(fā)動機來說，炭煙排放成為一個越來越重要的問題。LIVC策略使得部分氣體在壓縮沖程被推回至進(jìn)氣道，削弱了缸內(nèi)的渦流比和滾流比，對缸內(nèi)混合氣的形成造成不利的影響［8］，加劇了炭煙排放問題，如圖7所示，應(yīng)用LIVC策略時，炭煙排放增加了240%。

世界范圍內(nèi)對于炭煙排放正在給予越來越多的重視，排放法規(guī)對于炭煙排放的限制也越來越嚴(yán)格。目前歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)對直噴汽油機炭煙排放的限制為5mg／kg，而即將在2014年出臺的歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)則不僅對炭煙排放的質(zhì)量有更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，還將對其數(shù)量作出限制［11］。因此，LIVC凸輪軸帶來的高炭煙排放會極大限制其應(yīng)用，需要尋找有效的手段解決其炭煙排放過高的問題。

2.3 EGR結(jié)合LIVC策略對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和炭煙排放的影響

此前有研究表明，在直噴汽油機中應(yīng)用外部冷卻EGR除了能夠改進(jìn)燃油經(jīng)濟性外，還能夠降低炭煙排放65%［13］。因此，EGR有希望緩解LIVC帶來的高炭煙排放問題。本研究在0%和15%EGR率下研究了EGR結(jié)合LIVC策略對炭煙排放的影響。試驗在工況1進(jìn)行。如圖8所示，在EGR率為15%時，炭煙排放降低了31%。EGR的實現(xiàn)需要更大的進(jìn)氣壓力以保持同樣的負(fù)荷，從而改善混合氣的形成，這是炭煙排放改善的原因之一。EGR對燃燒溫度的降低也將對炭煙生成產(chǎn)生抑制作用。另外，EGR對油耗的改善使進(jìn)入缸內(nèi)的燃油減少，從而改善炭煙排放。如圖9所示，15%的EGR率在降低炭煙排放的同時，進(jìn)一步降低了4.4%的燃油消耗。通過應(yīng)用LIVC策略、EGR以及壓縮比12.0活塞，高負(fù)荷工況下的燃油經(jīng)濟性得到了8.6%的改善。

3 結(jié)論

a）在部分負(fù)荷工況，將壓縮比從9.3提高至12.0后，燃油經(jīng)濟性得到了5.0%的改善，但是在大負(fù)荷工況，壓縮比的提升導(dǎo)致爆震加強，點火角不得不推遲，燃燒相位惡化，燃油消耗反而上升了2.7%；

b）在低速大負(fù)荷工況，通過應(yīng)用LIVC策略，發(fā)動機在壓縮比12.0的活塞下的燃燒相位接近原機（原凸輪軸，壓縮比9.3）的水平，實現(xiàn)了對爆震的抑制；

c）在大負(fù)荷工況，LIVC策略對炭煙排放造成了不利的影響，應(yīng)用LIVC策略后，炭煙排放在1000r／min，pme＝1.32MPa這一工況下增加了240%；

d）EGR在大負(fù)荷能夠改善LIVC帶來的高炭煙排放，在EGR率為15%時，炭煙排放降低了31%；

e）在1000r／min，pme＝1.32MPa這一工況下，結(jié)合LIVC策略、12.0壓縮比活塞和EGR 3種技術(shù)，燃油消耗降低了8.6%。

［1］Lecointe B，Monnier G.Downsizing AGasoline Engine Using Turbocharging with Direct Injection［C］.SAE Paper 2003－01－0542.

［2］Zaccardi J，Pagot A，Vangraefschepe F.Optimal Design for A Highly Downsized Gasoline Engine［C］.SAE Pa per 2009－01－1794.

［3］K?nigstein A，Hock C，F(xiàn)rensch M.Comparison of Advanced Turbocharging Technologies under Steady－State and Transient Conditions［C］.SAE Paper 2006－05－0364.

［4］Pallotti P，Torella E，New J.Application of an Electric Boosting System to a Small，F(xiàn)our－Cylinder S.I.Engine［C］.SAE Paper 2003－32－0039.

［5］Jianye Su，Weiyang Lin，Jeff Sterniak，et al.Particulate Matter Emission Comparison of Spark Ignition Direct Injection（SIDI）and Port Fuel Injection（PFI）Operation of a Boosted Gasoline Engine［C］／／Submitted to the 2013ASME Internal Combustion Engine Fall Technical.Dearborn：ASME，2013.

［6］Mittal V，Revier B，Heywood J.Phenomena that Determine Knock Onset in Spark－Ignition Engines［C］.SAE Paper 2007－01－0007.

［7］高永興，張玉銀，許 敏，等.應(yīng)用LIVC凸輪軸在高壓縮比雙VVT渦輪增壓直噴汽油機上抑制爆震的試驗研究［J］.車用發(fā)動機，2012（1）：63－67，76.

［8］Moore W，F(xiàn)oster M.Charge Motion Benefits of Valve Deactivation to Reduce Fuel Consumption and Emissions in a GDI，VVA Engine［C］.SAE Paper 2011－01－1221.

［9］Alger T，Mangold B.Dedicated EGR：A New Concept in High Efficiency Engines［C］.SAE Paper 2009－01－0694.

［10］Diana S，Giglio G，Lorio B，et al.Evaluation of the Effect of EGR on Engine Knock［C］.SAE Paper 982479，1998.

［11］Su J.Soot Emission Reduction Using Cooled EGRfor A Boosted Spark－Ignition Direct－Injection Engine［C］／／The 8th international conference on modeling and diagnostics for advanced engine systems.Fukuoka：Comodia，2012：98－103.

［12］Whitaker P，Kapus P，Ogris M，et al.Measures to Reduce Particulate Emissions from Gasoline DI Engine［C］.SAE Paper 2011－01－1219.