劉青林，錢海青，張香月，武煌

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

掃氣對(duì)直噴增壓汽油機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究

劉青林，錢海青，張香月，武煌

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

研究在中低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷區(qū)域，不同氣門重疊角形成的掃氣對(duì)直噴增壓汽油機(jī)充氣效率、燃燒及排放性能的影響，在中低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷增壓器裕度較小的區(qū)域，利用掃氣可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率和動(dòng)力性，掃氣越強(qiáng)，動(dòng)力性提升越大，同時(shí)還能降低缸內(nèi)的燃燒溫度，減小爆震和超級(jí)爆震的傾向，但容易造成催化中排溫的升高以及THC排放的惡化，重疊角大小還是需要綜合均衡進(jìn)行選擇。

掃氣；氣門重疊角；直噴增壓

CLC NO.:U461.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-133-03

引言

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)通過(guò)將汽油直接噴入缸內(nèi)，汽油在缸內(nèi)蒸發(fā)吸熱，有助于降低混合氣溫度，降低爆震傾向，提升燃油經(jīng)濟(jì)性，再配合增壓技術(shù)，能夠進(jìn)一步提升動(dòng)力性，所以缸內(nèi)直噴增壓汽油機(jī)已成為汽油機(jī)研發(fā)的主流。

低轉(zhuǎn)大負(fù)荷區(qū)域由于燃燒過(guò)程較長(zhǎng)，熱負(fù)荷較大，導(dǎo)致增壓發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震的傾向會(huì)更大，而匹配可變氣門正時(shí)技術(shù)，在低速大負(fù)荷區(qū)域由于進(jìn)氣壓力大于排氣壓力，再通過(guò)可變氣門正時(shí)，增大進(jìn)排氣門的重疊角，利用進(jìn)氣掃除缸內(nèi)殘余的廢氣，降低缸內(nèi)溫度，達(dá)到抑制爆震的效果，并且可以利用掃氣的能量進(jìn)一步增加渦輪機(jī)的能量，提升充氣效率和動(dòng)力性。

本文臺(tái)架上研究不同重疊角形成的掃氣對(duì)直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，包括充氣效率、燃燒及排放性能。

1 試驗(yàn)裝置及內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)裝置

本文研究所用的試驗(yàn)臺(tái)架主要包括PUMA測(cè)功機(jī)臺(tái)架、發(fā)動(dòng)機(jī)、電控系統(tǒng)、燃燒分析儀、控制柜、油耗儀、排氣分析儀、線性氧傳感器、數(shù)據(jù)采集電腦等，試驗(yàn)臺(tái)架布置圖如下圖1所示。

圖1 臺(tái)架布置圖

發(fā)動(dòng)機(jī)采用缸內(nèi)直噴增壓汽油機(jī)，配合可變氣門正時(shí)技術(shù)，具體參數(shù)如下表1所示：

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表

其中進(jìn)氣VVT可以調(diào)節(jié)的角度為0-50°，進(jìn)氣往推遲關(guān)閉的方向調(diào)節(jié)，排氣VVT可以調(diào)節(jié)的角度為0-60°，排氣也往推遲關(guān)閉的方向調(diào)節(jié)。

1.2 試驗(yàn)方案

掃氣需要的條件是進(jìn)氣壓力要大于排氣壓力，所以一般也只用在中低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷區(qū)域，一般在1000rpm-2000rpm區(qū)域，該區(qū)域本身增壓壓力不足，更需要用掃氣提升增壓器的能量，進(jìn)而提升增壓壓力。

選取轉(zhuǎn)速1500rpm的外特性區(qū)域，節(jié)氣門和增壓器全開，進(jìn)氣VVT從0°鎖止位置開始，按照10°的步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大到50°；排氣氣門正時(shí)從0°位置開始，按照12°的步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大到60°，過(guò)程中調(diào)節(jié)點(diǎn)火角在最佳點(diǎn)火角位置或者爆震臨界點(diǎn)，空燃比都固定為理論空燃比-14.6，中冷后溫度及機(jī)油溫度等試驗(yàn)邊界保持一致，分析研究不同氣門正時(shí)及重疊角下，發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中每次測(cè)試保證是在同樣的邊界條件下，主要包括中冷后進(jìn)氣溫度、油溫、水溫等。

2.1 不同程度掃氣對(duì)動(dòng)力性性能的影響

固定轉(zhuǎn)速和邊界后，通過(guò)調(diào)整VVT的角度，可以得出不同的進(jìn)排氣角度下的動(dòng)力性性能。

不同VVT角度組合下，進(jìn)氣壓力的分布圖如上圖2所示。該項(xiàng)目采用的是進(jìn)氣晚關(guān)的形式，即壓縮行程開始時(shí)進(jìn)氣門仍處于“開啟”狀態(tài)，導(dǎo)致缸內(nèi)的氣體被“推出”，從而影響進(jìn)氣壓力。從圖中可以看出，進(jìn)氣VVT的開度對(duì)進(jìn)氣壓力的影響程度特別大，VVT角度從0開啟到最大，進(jìn)氣壓力從190kpa降低到110kpa，排氣VVT角度從0開啟到最大，進(jìn)氣壓力150kpa提升到190kpa。

圖2 不同VVT角度下進(jìn)氣壓力分布

掃氣是通過(guò)重疊角來(lái)實(shí)現(xiàn)，增大重疊角需要排氣角度開大，進(jìn)氣角度開小，有重疊角的區(qū)域如圖中標(biāo)注的“三角形”所示，氣門重疊角增大，掃氣越強(qiáng)，進(jìn)氣壓力隨之增大。

圖3 不同VVT角度下扭矩分布

不同VVT角度下扭矩的分布如上圖3所示，從圖中可以看出，扭矩的分布同進(jìn)氣壓力的分布基本一致，進(jìn)氣VVT晚關(guān)會(huì)導(dǎo)致扭矩急劇下降，有重疊角的區(qū)域，排氣VVT開啟角度越大，掃氣程度越大，扭矩越大。

在低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷這種進(jìn)氣壓力遠(yuǎn)大于排氣壓力的區(qū)域，通過(guò)增加氣門重疊角實(shí)現(xiàn)掃氣，進(jìn)而提升增壓器壓氣機(jī)的能量，增加進(jìn)氣量，提升動(dòng)力性。

2.2 不同程度掃氣對(duì)燃燒性能的影響

掃氣會(huì)將缸內(nèi)的新鮮空氣掃出，對(duì)缸內(nèi)溫度、缸內(nèi)壓力、點(diǎn)火時(shí)刻、排氣溫度都有很大的影響。

該款發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是進(jìn)氣晚關(guān)的阿特金森循環(huán)，試驗(yàn)表明掃氣明顯的區(qū)域主要集中在進(jìn)氣VVT角度開度較小的區(qū)域，為方便對(duì)比，選取進(jìn)氣VVT在0位置，調(diào)節(jié)排氣VVT 從0°到60°進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖4 掃氣對(duì)排氣口溫度和進(jìn)氣量的影響

從圖中可以看出隨著排氣VVT開啟角度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口溫度的分布呈“拋物線”狀分布，進(jìn)氣量呈三段不同斜率的直線分布。

1）0—10°階段重疊角太小，排氣VVT開度對(duì)進(jìn)氣量影響較小，對(duì)排氣口溫度影響也較?。?/p>

2）10—30°階段，小掃氣區(qū)域，缸內(nèi)的廢氣被更多的掃出，同時(shí)增壓器效率提高，進(jìn)氣量增加導(dǎo)致熱負(fù)荷也相應(yīng)的增加，排溫急劇上升；

3）30—60°階段，大掃氣區(qū)域，重疊角的增加持續(xù)給增壓器能量，進(jìn)氣量持續(xù)增加，但過(guò)多的新鮮空氣從進(jìn)氣門到缸內(nèi)再?gòu)呐艢忾T掃出，帶走過(guò)多的熱量，排氣口溫度開始下降，同時(shí)增壓器的效率降低，進(jìn)氣量的增加速度平滑。

圖5 掃氣對(duì)渦前和催化中排溫影響

不同程度掃氣對(duì)渦前和催化中排溫的影響與進(jìn)氣口排溫相比又不盡相同，如上圖5所示。

1）0-30°階段，與排氣口溫度的分布情況基本一致，隨著重疊角的加大排溫都越來(lái)越高

2）30-60°階段，掃氣程度越來(lái)越強(qiáng)，掃出去的新鮮空氣和殘余廢氣在渦輪處和催化中處匯集燃燒，掃氣越強(qiáng)越容易匯集在催化中處，導(dǎo)致催化中排溫超過(guò)渦前排溫。

圖6 掃氣對(duì)缸內(nèi)壓力和點(diǎn)火角的影響

不同程度掃氣情況下，缸內(nèi)壓力和點(diǎn)火角的變化如上圖6所示。

1）缸內(nèi)燃燒壓力的分布與進(jìn)氣量的變化趨勢(shì)基本一致，進(jìn)氣量越大，負(fù)荷越大，缸內(nèi)燃燒壓力越大；

2）點(diǎn)火時(shí)刻的變化隨著掃氣程度的增強(qiáng)，點(diǎn)火時(shí)刻越推遲。掃氣程度的增強(qiáng)一方面增加進(jìn)氣量和負(fù)荷，導(dǎo)致爆震傾向增強(qiáng)，另一方面掃氣的增強(qiáng)會(huì)降低缸內(nèi)溫度，所以綜合起來(lái)點(diǎn)火角的分布呈“斜線”狀分布。

2.3 不同程度掃氣對(duì)排放性能的影響

掃氣通過(guò)將新鮮空氣經(jīng)過(guò)缸內(nèi)后從排氣門掃出，帶出缸內(nèi)的殘余廢氣和熱量，降低缸內(nèi)的溫度，但由于掃出去部分新鮮空氣，排氣處氧傳感器檢測(cè)到的信號(hào)受到影響，如果排氣處氧傳感器信號(hào)檢測(cè)為理論空燃比，那實(shí)際缸內(nèi)的混合氣就會(huì)偏濃很多，影響排放的性能，如下圖6所示。

圖6 掃氣對(duì)THC和NOX排放的影響

掃氣程度加強(qiáng)后降低缸內(nèi)的溫度，NOX排放物降低，但掃出去的新鮮空氣影響氧傳感器的信號(hào)后導(dǎo)致缸內(nèi)的混合氣偏濃，導(dǎo)致THC排放物嚴(yán)重升高。

3 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

1）在進(jìn)氣壓力遠(yuǎn)大于排氣壓力這樣的低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷區(qū)域，可以通過(guò)掃氣來(lái)提升增壓器的效率，增加進(jìn)氣量，進(jìn)而提升動(dòng)力性，掃氣越強(qiáng)，動(dòng)力性越強(qiáng)。

2）掃氣程度增強(qiáng)可以迅速降低缸內(nèi)的溫度，從而可以降低爆震以及超級(jí)爆震的傾向，但同時(shí)掃氣加強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致催化中排溫迅速升高，需要均衡。

3）掃出去的新鮮空氣中的氧氣會(huì)導(dǎo)致氧傳感器測(cè)得的信號(hào)與缸內(nèi)的實(shí)際混合氣的空燃比不一致，掃氣越強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致THC排放的急劇升高。

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Experimental study on the effect of scavenging on direct injection turbocharged gasoline engine

Liu Qinglin, Qian Haiqing, Zhang Xiangyue, Wu Huang
（Anhui Jianghuai Automobile Group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601）

Research on low speed and high load area, different valve overlap angle formed by scavenging of injection turbocharged gasoline engine charging efficiency, combustion and emission performance, in low speed and high load turbocharger smaller margin area, the use of scavenging can effectively improve the charging efficiency and the power of the engine, the stronger the scavenging, the greater the dynamic performance,scavenging also can reduce the combustion temperature in the cylinder, knock and preignition tendency, but it is easy to cause the increase of catalyst temperature and the deterioration of THC emission, the overlap angle needs to be balanced.

Scavenging; Valve overlap angle; Direct injection turbocharged

U461.9

A

1671-7988 (2017)15-133-03

錢海青，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.049