王國棟 余光耀 李高堅(jiān) 賴學(xué)云 楊武森

摘要：本文針對(duì)VVT掃氣效應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：VVT掃氣可提升發(fā)動(dòng)機(jī)低速大負(fù)荷區(qū)域的扭矩和改善點(diǎn)火角效率，降低油耗。在1600rpm全負(fù)荷30度的氣門重疊角時(shí)，掃氣可提升28.3%的扭矩。但VVT掃氣對(duì)排放和催化劑過熱保護(hù)不利，在1600rpm全負(fù)荷30度氣門重疊角掃氣時(shí)HC相對(duì)無掃氣時(shí)增加3.23倍。低速時(shí)燃燒溫度相對(duì)較低，NOx排放變化并不劇烈。約1%的燃燒效率計(jì)算誤差就會(huì)引起大約20～30度的溫度差別。關(guān)鍵詞：VVT;掃氣效應(yīng);扭矩提升;排放;lambda控制

中圖分類號(hào)：TK411.24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(xué)車輛工程領(lǐng)域工程專業(yè)，碩士學(xué)位，現(xiàn)任上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心電子與標(biāo)定工程部總監(jiān)。

主要從事汽油機(jī)的性能開發(fā)、汽油機(jī)整車應(yīng)用匹配，ADAS自動(dòng)駕駛系統(tǒng)匹配，車聯(lián)網(wǎng)+遠(yuǎn)程啟動(dòng)標(biāo)定匹配，ECU/TCU軟件開發(fā)匹配、國六整車標(biāo)定匹配等動(dòng)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(dòng)機(jī)的車輛，促進(jìn)了小排量汽油機(jī)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(jī)馬力，應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)上的新技術(shù)層出不窮?？勺儦忾T正時(shí)（VVT）因其技術(shù)成熟、效果顯著而被廣泛應(yīng)用于小型汽油機(jī)，上。而掃氣則是VVT主要應(yīng)用功能之一，本文對(duì)小型汽油機(jī)VVT掃氣功能在汽油機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1掃氣原理與應(yīng)用

1.1掃氣原理

掃氣是利用進(jìn)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(yīng)，使新鮮空氣（或未燃混合氣）在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣沖程從進(jìn)氣門進(jìn)入燃.燒室把其殘余廢氣稀釋或沖出燃燒室的一個(gè)物理過程。圖1所示即為發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣原理圖。當(dāng)燃燒室內(nèi)的lambda（λ）小于尾氣的λ時(shí)必然發(fā)生了掃氣現(xiàn)象，而沒有發(fā)生掃氣現(xiàn)象時(shí)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(dòng)機(jī)必須具備兩大硬件功能。（1）增壓功能：利用增壓效應(yīng)產(chǎn)生進(jìn)氣歧管壓力大于排氣歧管壓力的正向壓差現(xiàn)象。（2）進(jìn)氣VVT：在發(fā)動(dòng).機(jī)排氣沖程提前打開進(jìn)氣門，形成氣門重疊角，使得掃氣功能的實(shí)現(xiàn)。理想的情況是具有進(jìn)排氣雙VVT，雙VVT可實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(jìn)氣量，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出。

1.2掃氣應(yīng)用范圍

進(jìn)排氣門重疊且進(jìn)排氣歧管存在正向壓差時(shí)可以進(jìn)行掃氣，決定了實(shí)際應(yīng)用中掃氣功能主要應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷區(qū)域。掃氣一般發(fā)生在低于3000rpm的中低轉(zhuǎn)速區(qū)，低轉(zhuǎn)速區(qū)可以提.高全負(fù)荷扭矩約20%～30%，甚至更多。掃氣發(fā)生在中低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷區(qū)域的原因主要有三個(gè)：（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(shè)定在3000rpm以后會(huì)降低，導(dǎo)致正向壓差降低最后為0，掃氣無法實(shí)現(xiàn)。（2）轉(zhuǎn)速超過3000rpm時(shí)，氣i]重疊角的變化已經(jīng)不能使發(fā)動(dòng)機(jī)無法達(dá)到很好的氣流效應(yīng)。（3）轉(zhuǎn)速在3000rpm以上時(shí)，對(duì)VVT的控制精度要求更高，比如掃過20度曲軸轉(zhuǎn)角（CA）約只需1ms，電子控制的滯后效應(yīng)無法使VVT達(dá)到很好的控制效果。

2掃氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與排放的影響

2.1掃氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的影響

本文所研究發(fā)動(dòng)機(jī)的是一款1.5L的歧管多點(diǎn)噴射的增壓汽油機(jī)，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(dòng)機(jī)而來。

造成掃氣效果的進(jìn)排氣正向壓差發(fā)生在排氣沖程氣缸往，上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(dǎo)致噴油量增加從而扭矩增大，進(jìn)一步加強(qiáng)增壓對(duì)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(qiáng)低速時(shí)候增壓響應(yīng)能力降低增壓遲滯現(xiàn)象，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。圖2所示是本款發(fā)動(dòng)機(jī)分別在1600rpm和2800rpm全負(fù)荷時(shí)掃氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的提升作用。在1600rpm全負(fù)荷時(shí)氣門重疊越大，掃氣效應(yīng)越強(qiáng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的提升就越大。氣門重疊角在30度CA掃氣時(shí)，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(fù)荷時(shí)，氣門重疊角對(duì)扭矩的提升表現(xiàn)為隨著氣門重疊角增加到一定程度時(shí)，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。可見到發(fā)動(dòng)機(jī)提升到到一定轉(zhuǎn)速后，掃氣效應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩提：升作用不大。

2.2掃氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的直接影響

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

3掃氣對(duì)lambda控制、點(diǎn)火角提升、催化劑保護(hù)的影響

3.1掃氣對(duì)lambda（λ）的影響

隨著排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，要求電噴系統(tǒng)能準(zhǔn)確地測出排氣lambda（λ）從而更為準(zhǔn)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(tái)后，能實(shí)時(shí)測出排氣λ的寬域氧傳感器作為前氧應(yīng)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)沒有掃氣效應(yīng)時(shí)，燃燒室內(nèi)的λ和排氣的λ相等，即λcombustion=λexhaust當(dāng)燃燒室和排氣混合氣λ=1時(shí)，落在三元催化劑最佳催化轉(zhuǎn)化窗口內(nèi)，此時(shí)三元催化器凈化能力最強(qiáng)，排放最優(yōu)。

掃氣效應(yīng)發(fā)生時(shí)新鮮空氣穿過燃燒室進(jìn)人排氣管，導(dǎo)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(jìn)人排氣管，前氧傳感器測得的λ比燃燒室實(shí)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(jìn)人排氣管，在排氣管中與加濃的尾氣（過分控制λ<1導(dǎo)致）反應(yīng)，使排溫過高，會(huì)導(dǎo)致催化器過熱（圖6中a所示）此時(shí)為了保護(hù)催化器，需要減少燃燒室混合氣加濃使燃燒室的實(shí)際λ=1，或者減少重疊角，從而減少掃氣量，此時(shí)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(shí)λ>1（可根據(jù)前氧傳感器判斷），形成稀薄燃燒，導(dǎo)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(shí)時(shí)根據(jù)排氣溫度和前氧檢測結(jié)果進(jìn)行切換，以排氣管中的λ=1為主要控制目標(biāo)。

3.2掃氣對(duì)點(diǎn)火角的影響

在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的中大負(fù)荷區(qū)域，點(diǎn)火提前角受到發(fā)動(dòng)機(jī)爆震抑制，點(diǎn)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(jìn)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(gè)循環(huán)內(nèi)爆震可能發(fā)生點(diǎn)后移，相對(duì)點(diǎn)火提前角則可以更大些，點(diǎn)火效率也能相應(yīng)增加。圖7所示的是發(fā)動(dòng)機(jī)在1600轉(zhuǎn)80%負(fù)荷，lambda控制在1時(shí)掃氣對(duì)點(diǎn)火角與油耗的影響。從圖7可看出發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火角隨著掃氣效應(yīng)的增強(qiáng)而相對(duì)提前。氣門重疊角為18度CA時(shí)，掃氣效應(yīng)最強(qiáng)，此時(shí)點(diǎn)火角相對(duì)無掃氣時(shí)的0度CA氣門重疊角的點(diǎn)火角相對(duì)提前約5.7度。此外從圖7也可看出隨著點(diǎn)火角效率的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率也隨著降低，說明掃氣有改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的作用。

3.3掃氣對(duì)催化器保護(hù)的影響

發(fā)生掃氣效應(yīng)意味著氣門重疊時(shí)候新鮮氣體進(jìn)入了排氣管，保持前氧lambda為1的控制目標(biāo)意味著燃燒室內(nèi)實(shí)際lambda<1，即加濃狀態(tài)。此時(shí)排氣中不可避免會(huì)有富余HC，這些HC在高溫的排氣中會(huì)和新鮮氣體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)放出熱量，易于導(dǎo)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(jìn)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(xué)反應(yīng)，降低放熱量。排氣溫度可以作為掃氣效應(yīng)匹配的關(guān)鍵反饋。對(duì)排氣管lambda=1時(shí)發(fā)生的催化劑過熱，受到發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)容差的影響較大。根據(jù)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，約1%的燃燒效率計(jì)算誤差就會(huì)引起大約20～30度的溫度差別。故而利用VVT掃氣效應(yīng)時(shí)，對(duì)催化劑過熱保護(hù)必不可少。

4結(jié)語

VVT的掃氣效應(yīng)對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的低速扭矩有較大的提升作用，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓遲滯效應(yīng)。另一方面，VVT掃氣效應(yīng)還可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火角效率降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。但需要注意的是在提升扭矩的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放隨著掃氣效應(yīng)的增強(qiáng)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(yīng)。此外，利用VVT掃氣效應(yīng)時(shí)還需考慮催化劑過熱保護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

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專家推薦

龍永生：

目前由于油耗壓力，增壓適度型發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)是現(xiàn)在及將來發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向，而可變相.位進(jìn)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(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。

本文主要針對(duì)采用VVT可變相位的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(jìn)一步提升改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明：VVT的掃氣效應(yīng)確實(shí)對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的低速扭矩有較大的提升作用，可一定程度減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓遲滯效應(yīng);同時(shí)VVT掃氣效應(yīng)還可改善點(diǎn)火角效率達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的目的。但另一方面需要注意的是VVT的掃氣效應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放，會(huì)隨著掃氣效應(yīng)的增強(qiáng)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(duì)催化器的過熱保護(hù)對(duì)生產(chǎn)企業(yè)具有較好的指導(dǎo)意義。