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引言

隨著燃油與排放法規(guī)的日益收緊，尤其國六排放標(biāo)準(zhǔn)對于自主車企來說，無疑是巨大的挑戰(zhàn)，促使人們不斷地將降低油耗與排放的新技術(shù)應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)上。其中可變氣門正時(shí)（VVT）和廢氣再循環(huán)（EGR）是技術(shù)成熟、效果顯著的提升動(dòng)力、降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放污染物的方法[1-4]。

本文基于一臺(tái)1.2L 小排量自然吸氣汽油機(jī)，保持原機(jī)匹配好的其它零件不變，采用增加外置EGR回路和進(jìn)氣正時(shí)VVT 的技術(shù)。根據(jù)大量試驗(yàn)，關(guān)于VVT，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性主要受到進(jìn)氣VVT 影響，排氣VVT 則影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，合適的進(jìn)氣VVT能夠使轉(zhuǎn)矩提高。此發(fā)動(dòng)機(jī)已采用外置EGR 減低排放，故只增加了進(jìn)氣VVT。文中通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，對發(fā)動(dòng)機(jī)增加進(jìn)氣VVT 和EGR 后的影響進(jìn)行探索

1 EGR 和VVT 簡介

圖1 為本機(jī)采用的EGR 工作原理圖，EGR 將燃燒后的部分廢氣經(jīng)過冷卻后，通過EGR 閥引入進(jìn)氣歧管中與新鮮空氣混合，然后進(jìn)入氣缸重新參與燃燒。可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率，抑制爆震同時(shí)又可降低排放。

圖1 EGR 工作原理圖

為滿足不同工況需求，可變氣門正時(shí)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化來調(diào)整配氣相位，使得氣門開啟、關(guān)閉的時(shí)間隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。從而對發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，獲得最佳的配氣正時(shí)角，以提升充氣效率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，降低燃油消耗。

本機(jī)采用的VVT 通過一個(gè)機(jī)油控制閥控制油壓使得VVT 控制器的葉片沿圓周方向旋轉(zhuǎn)，從而改變氣門正時(shí)。如圖2 所示，ECU 依據(jù)需要對電磁閥進(jìn)行指令，接通執(zhí)行器轉(zhuǎn)子前后的兩個(gè)油腔的油路，在機(jī)油壓力的推動(dòng)作用下，轉(zhuǎn)子就可以實(shí)現(xiàn)相對定子鏈輪有一定的位移角度。反之ECU 可以控制電磁閥對油路進(jìn)行換向，就可以實(shí)現(xiàn)與之前相反方向的旋轉(zhuǎn)角度。

圖2 VVT 動(dòng)作控制示意圖

由于對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力影響最明顯的是進(jìn)氣VVT，本發(fā)動(dòng)機(jī)只采用進(jìn)氣VVT 結(jié)構(gòu)，一般稱為IVVT 結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)臺(tái)架與測量方法

本試驗(yàn)采用的是小排量自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，在原機(jī)基礎(chǔ)上增加進(jìn)氣VVT 及EGR，安裝火花塞式缸壓傳感器和燃燒分析儀等設(shè)備后在AVL 臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1 所示，后續(xù)的所有數(shù)據(jù)均基于本款發(fā)動(dòng)機(jī)而來。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

整個(gè)試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架完成，通過流量計(jì)測量和計(jì)算出從外置EGR 中引入的廢氣量，通過排放儀測量發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放，通過燃燒分析儀測量和觀察發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒情況，通過油耗儀測量發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率。試驗(yàn)設(shè)備包括AVL 測功機(jī)、PUMA 臺(tái)架測試系統(tǒng)、AVL735S 瞬態(tài)油耗儀、Kistler 6115CF 缸壓傳感器、Indicom 燃燒分析儀、日本HORIBA 公司MEXA 一7500D 排放測試儀、空燃比計(jì)（ES630）、和Bosch UP8 平臺(tái)電控單元.

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能

全負(fù)荷工況下，一般由于開啟外置EGR 后引入較多廢氣量，發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的新鮮空氣就相應(yīng)減少，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率都下降，但同時(shí)增加了進(jìn)氣VVT，提高缸內(nèi)充氣效率，改善燃燒，達(dá)到增大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率的效果。從試驗(yàn)結(jié)果綜合來看，增加進(jìn)氣VVT 和EGR 后發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能略有提升，最高可使轉(zhuǎn)矩提高6.9%。全負(fù)荷性能對比結(jié)果如表2所示。

表2 增加IVVT 和EGR 后與原機(jī)全負(fù)荷性能對比

3.2 油耗

圖3 為增加EGR 及進(jìn)氣VVT 發(fā)動(dòng)機(jī)相比于原機(jī)油耗的萬有特性圖，數(shù)據(jù)來源于（原機(jī)油耗率-增加EGR 及進(jìn)氣VVT 后油耗率）。從油耗萬有特性圖可以看出，增加EGR 及進(jìn)氣VVT 后，該款發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗有改善，尤其是在中小負(fù)荷區(qū)域油耗率減少約10 g/（kW·h）。主要由于增加EGR 后，如圖4所示過量空氣系數(shù)相比原機(jī)大部分工況下的增大0.01 左右，且增加EGR 后點(diǎn)火角可以提前很多，見圖5，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆震能力。此外，應(yīng)用進(jìn)氣VVT 后提高充氣效率。從以上各方面來看，增加進(jìn)氣VVT 及EGR 后能夠有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，降低油耗。

圖3 增加EGR 后油耗降低情況

圖4 為增加EGR 后減去原機(jī)的過量空氣系數(shù)對比，可以看出在大部分的工況點(diǎn)，增加EGR 后的過量空氣系數(shù)比原機(jī)無EGR 的要稀。

圖4 增加EGR 后過量空氣系數(shù)變化情況

3.3 抗爆震能力

圖5 是增加EGR 后的點(diǎn)火角相比于原機(jī)點(diǎn)火角提前角度的萬有特性圖，數(shù)據(jù)來源于同一工況下增加EGR 后的點(diǎn)火角減去原機(jī)的點(diǎn)火角。據(jù)圖可見，增加EGR 后點(diǎn)火角得到較大的提升，在大部分的工況點(diǎn)火角提前5～13°CA 不等，最大點(diǎn)火角可提前18°CA。這是因?yàn)樵瓩C(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向較強(qiáng)的中大負(fù)荷區(qū)域，只能通過推遲點(diǎn)火角來抑制爆震，增加EGR 后，廢氣屬于惰性氣體起到稀釋缸內(nèi)混合氣、減緩燃燒速率的作用，且廢氣進(jìn)燃燒室還可降低燃燒溫度。因此，增加EGR 后不同負(fù)荷下的各工況均可不同程度地增加點(diǎn)火提前角，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆震能力。

3.4 碳?xì)渑欧?/h3>

圖5 增加EGR 后點(diǎn)火角相比原機(jī)提前角度的萬有特性圖

圖6 增加EGR 后碳?xì)渑欧沤档颓闆r

圖6 是原機(jī)減去增加EGR 后的碳?xì)渑欧湃f有特性圖。在所有的加濃區(qū)域，增加EGR 后比原機(jī)的空燃比要?。ㄒ妶D4），有利于HC 排放物的改善。另一方面大部分工況的點(diǎn)火提前角都有不同程度的提前（見圖5），發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒得到較好改善，也有利于HC 排放的降低。結(jié)果如圖6 所示，碳?xì)渑欧琶黠@下降，大部分工況的最大降幅約100～480×10-6，最大降幅約700×10-6以上。

3.5 氮氧化物

圖7 是原機(jī)減去增加EGR 和進(jìn)氣VVT 后的氮氧化物排放萬有特性圖，數(shù)據(jù)來源于（原機(jī)NOx排放值一增加EGR 和進(jìn)氣VVT 后的NOx排放值）。據(jù)圖7 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，增加EGR 后，發(fā)動(dòng)機(jī)所有轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況下的NOx排放都比原機(jī)有大幅度的降低，大部分工況降幅約550～1 000×10-6，最大降幅約為1 200×10-6。這是由于EGR 廢氣的CO2、H2O 的比熱容較高，廢氣引入缸內(nèi)后與新鮮空氣混合后可吸走燃燒室部分熱量，降低燃燒室溫度，且廢氣對新混合氣起到稀釋作用，降低了混合氣中O2濃度，抑制了氮氧化物產(chǎn)生所需的高溫富氧條件，從而降低NOx的排放。

圖7 氮氧化物排放降低情況

4 結(jié)論

該小排量自然吸氣汽油機(jī)通過增加EGR 和進(jìn)氣VVT 后，經(jīng)過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)廢氣的溫度和EGR率、空燃比和點(diǎn)火提前角等影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的參數(shù)，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能有以下改善：

1）增加進(jìn)氣VVT 和EGR 后發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能有提升，轉(zhuǎn)矩最高提高6.9%。

2）油耗有改善，尤其是在中小負(fù)荷區(qū)域油耗率減少約10 g/（kW·h）。

3）EGR 區(qū)域大部分的工況點(diǎn)火角普遍能提前5～12°有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆震能力。

4）碳?xì)渑欧琶黠@下降，大部分工況的最大降幅約100～480×10-6，最大降幅達(dá)到700×10-6以上。

5）NOx排放改善明顯，大幅度降低各負(fù)荷工況下的NOx排放，大部分工況降幅約550～1 000 ×10-6，最大降幅約為1 200×10-6。