張龍平 劉義強 孫建軍 陳培夢 陳 成 薛 川

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

隨著國內(nèi)外對汽車油耗和排放法規(guī)的日益嚴苛，越來越多的汽油機新技術(shù)被不斷應(yīng)用于市場，其中增壓直噴汽油機由于具有良好的動力性、燃油經(jīng)濟性和排放性能已被越來越多的學者所重視，也成為了各大車企應(yīng)對新一輪排放法規(guī)的主流研發(fā)方向[1-5]。但在不同轉(zhuǎn)速和負荷下，發(fā)動機都有各自最佳的配氣相位，因此在增壓直噴汽油機上配備進排氣可變氣門正時（Double Variable Valve Timing VVT）技術(shù)，也成為行業(yè)研究及應(yīng)用的必備技術(shù)方向[6-9]。研究表明：進排氣VVT 的適當調(diào)節(jié)，能降低泵氣損失，合適的氣門重疊角能有效地控制缸內(nèi)的EGR，有利于燃燒過程，改善燃油經(jīng)濟性及排放[10-17]。

目前，國內(nèi)外學者對VVT 技術(shù)的研究主要集中在減小泵氣損失、提高燃油經(jīng)濟性，而利用VVT 技術(shù)改善燃燒過程，尤其是控制顆粒物排放的研究鮮有報道。眾所周知，噴油及燃燒系統(tǒng)是控制顆粒物排放的主要手段，但隨著顆粒物排放法規(guī)的不斷加嚴，現(xiàn)有技術(shù)都不足以使裸機的顆粒物排放滿足排放要求，需要繼續(xù)尋求降低顆粒物排放的技術(shù)。因此，本文擬探究VVT 技術(shù)對燃燒過程、氣體及顆粒物排放的影響規(guī)律，以充分挖掘該技術(shù)在節(jié)能減排方面的潛力。

1 測控系統(tǒng)及試驗方案

1.1 臺架測控系統(tǒng)

試驗所用發(fā)動機為一臺1.5L 增壓直噴汽油機，其主要參數(shù)見表1，試驗測試平臺見圖1。試驗采用AVL 電力測功機對發(fā)動機試驗工況進行測試及控制，火花塞式的Kistler 缸壓傳感器采集缸內(nèi)壓力，示功圖和放熱率等參數(shù)的采集分析由Kibox 燃燒分析儀完成，利用ETAS 的空燃比儀進行空燃比測量，HORIBA/ MEXA7200E 和 Cambustion 公 司 的DMS500 分別對氣體排放和顆粒物排放進行測試分析，INCA 系統(tǒng)和開發(fā)ECU 對發(fā)動機測試工況點進行控制參數(shù)調(diào)整，主要試驗測試設(shè)備見表2。

表1 汽油機主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗測量設(shè)備

圖1 發(fā)動機測控系統(tǒng)示意圖

1.2 試驗方案

發(fā)動機所配置的是雙VVT，即進氣門可以提前開啟，排氣門可以延后關(guān)閉，如圖2 所示：進氣VVT（VVTin）和排氣VVT（VVTex）初始位置所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別為，404 °CA/ATDC 和400.5 °CA/ATDC，且VVTin 最大可以提前50°CA，VVTex 最大可以延后50°CA。在VVTin 和VVTex 移動過程中會有進排氣門的重疊，如圖3 所示。本次研究的工況點選擇了在車上使用權(quán)重最大的點（轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、平均有效壓力為0.7MPa）進行研究。在該工況點，采用當量空燃比控制，固定其他控制參數(shù)（如點火角、噴油定時、噴油壓力、空燃比）保持不變（見表3），通過INCA 系統(tǒng)對進/排氣VVT進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)步長為10°CA。定義：VVT 往排氣上止點前移動為正，反之為負，因此，進氣VVT 提前為“+”，排氣VVT 延后移動為“-”。

試驗條件控制：試驗過程中進氣溫度控制在（25±2）℃，中冷器出口溫度（35±2）℃，燃油溫度（25±2）℃，冷卻水溫度和機油溫度都控制在（90±2）℃。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 VVT 技術(shù)對燃燒過程的影響

如圖4 所示，隨著VVTin 的提前，燃燒滯燃期和持續(xù)期增大，燃燒重心（CA50）隨之延后，最大缸內(nèi)壓力、最大放熱率降低，其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也出現(xiàn)不同程度的延后。隨著VVTex 的延后滯燃期和燃燒持續(xù)期也略有增大，CA50 略有延后，缸內(nèi)壓力和放熱率輕微減小，可以看出VVTin 的提前對缸內(nèi)燃燒過程的影響更加明顯，VVTin 從0°CA 提前到50°CA，滯燃期和持續(xù)期分別增大11.6°CA 和10.1°CA，CA50延后14.4°CA。

隨著VVTin 提前或VVTex 延后，氣門重疊角呈線性增大（如圖3 所示），這可能將導致廢氣回流量增加。因此在其他邊界控制條件保持不變的情況下，導致燃燒參數(shù)變化的主要原因是由于VVT 變化造成內(nèi)部EGR 量變化，從而影響了燃燒過程。從圖5～8可以看出，隨著VVTin 的提前或VVTex 的延后，節(jié)氣門開度和進氣歧管壓力增大但是發(fā)動機的充氣效率反而降低，間接證明了內(nèi)部EGR 隨VVTin 的提前或VVTex 的延后而增加，且隨VVTin 提前的變化更加劇烈。

內(nèi)部EGR 對燃燒過程的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一方面由于內(nèi)部EGR 的溫度高于新鮮充量，因此有利于燃油的蒸發(fā)過程，即能改善油氣混合的物理過程；另一方面，內(nèi)部EGR 的主要成分為惰性氣體（CO2和高溫水蒸氣），會稀釋新鮮充量的氧濃度，降低汽油分子和氧氣分子的碰撞幾率，抑制了油氣化學反應(yīng)過程，造成啟燃速率慢、燃燒速率降低，其中后者對燃燒過程的影響起主導作用，從而使上述燃燒過程表現(xiàn)為滯燃期和燃燒持效期增大、CA50 延后，放熱率曲線和缸壓曲線降低且更加平緩（見圖6）。

燃油消耗率BSFC 隨VVTin 提前或VVTex 延后都呈先減小后增大的趨勢，且隨VVTin 提前的變化程度更大（如圖7 所示）。油耗率隨VVT 變化降低的原因主要包括兩個方面：一方面，為了保證相同的工況（IMEP=0.7 MPa），隨著VVTin 提前或VVTex 延后，節(jié)氣門開度從原來的16.5%增大到18.8%，進氣歧管壓力隨之增大，泵氣損失（PMEP）降低（見圖8），從而使得燃油消耗率降低；另一方面則是缸內(nèi)廢氣量適當增加有利于降低燃燒溫度，降低傳熱損失，燃油消耗率最大降低5.8%（VVTin 提前40°CA）。而隨著VVTin 的進一步提前（VVTin=50°CA），會使倒流的廢氣量增加過大，造成燃燒相位過于延后（如圖4 所示的CA50 和燃燒持續(xù)期增大），燃燒質(zhì)量下降（如圖9 所示，燃燒循環(huán)波動增加）。隨著VVTex 逐漸延后BSFC 增大的主要原因是，VVTex 延后會造成自由排氣過程縮短、強制排氣過程增加，造成泵氣損失（PMEP）增加。

2.2 VVT 技術(shù)對排放的影響

VVT 對氣體排放的影響如圖10 所示，隨著VVTin 提前或VVTex 的延后，THC、CO 以及NOx排放都呈降低趨勢，且隨VVTin 的變化更加敏感。HC產(chǎn)生的主要因素包括：狹縫效應(yīng)、潤滑油膜吸附及壁面淬熄等，由前文分析可知，隨著VVTin 的提前或VVTex 的延后內(nèi)部EGR 會逐漸增加，造成進氣和壓縮過程缸內(nèi)充量的溫度升高，將促進燃油的蒸發(fā)過程，有利于油氣的混合。此外，內(nèi)部EGR 還使滯燃期和燃燒速率降低即整個燃燒過程變緩，使得狹縫中的混合氣以及被潤滑油膜吸附的油氣都有更長的時間解析出來參與燃燒，從而使得HC 排放隨VVTin的提前或VVTex 的延后而降低。

CO 的排放量主要取決于混合氣的空燃比，但CO 排放仍隨VVTin 的提前或VVTex 延后有降低趨勢，這是因為VVTin 的提前或VVTex 的延后使得整個燃燒過程變緩，油氣的混合時間更長，使得油氣混合的質(zhì)量提高。此外，更長的燃燒持續(xù)期也能使得已生成的CO 繼續(xù)參與反應(yīng)，因此使得CO 排放降低?！案邷馗谎酢笔巧蒒Ox排放的主要條件，NOx排放隨VVTin 提前或VVTex 延后降低的主要原因包括：內(nèi)部EGR 增大將導致缸內(nèi)工質(zhì)的比熱容增加，造成燃燒溫度降低，將抑制NOx的生成；雖然是當量燃燒控制，但缸內(nèi)廢氣量的增大會減小氧氣分壓力和氧濃度也將抑制NOx的合成反應(yīng)。除此之外，燃燒速率降低，同樣會降低最高燃燒溫度，降低NOx排放。

圖11 所示為發(fā)動機顆粒物粒徑尺寸分布隨VVT 變化的規(guī)律，可以看出微粒主要以小粒徑的核態(tài)微粒為主，粒徑在5nm 左右，且隨著VVTin 提前或VVTex 的延后核態(tài)和積聚態(tài)微粒數(shù)都呈現(xiàn)不同程度的降低趨勢，且隨VVTin 提前積聚態(tài)的粒徑有減小趨勢（見圖12）。圖13 和14 分別示出了核態(tài)和積聚態(tài)微粒的中位直徑（中位直徑（count median diameter，CMD）是累積百分比為50%時所對應(yīng)的粒子直徑）、中位直徑數(shù)目以及質(zhì)量濃度規(guī)律，3 個參數(shù)隨VVTin提前或VVTex 延后也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。積聚態(tài)中位粒徑隨VVTin 提前降低明顯，從91.4 nm 減小到64.1 nm，核態(tài)中位粒徑變化不明顯。

造成上述粒徑分布和規(guī)律的原因主要包括三方面：

1）由前文分析，隨VVTin 提前或VVTex 延后，內(nèi)部EGR 增加導致缸內(nèi)初期的工質(zhì)溫度提高，使燃油的蒸發(fā)過程能夠得到一定的改善有利于油氣的混合過程；

2）滯燃期延長為油氣的均勻混合提供了更為充分的時間維度；

3）更長的燃燒持續(xù)期也可以使產(chǎn)生的微粒在燃燒后期得到進一步的氧化，使微粒的粒徑、數(shù)量和質(zhì)量都得到不同程度的抑制。

3 結(jié)論

在常用的中等負荷工況，隨著進氣VVT 提前或排氣VVT 延后：

1）氣門重疊角增大和內(nèi)部EGR 增加，燃燒滯燃期和持續(xù)期增大，燃燒重心（CA50）延后，最大缸內(nèi)壓力、最大放熱率降低。

2）發(fā)動機的充氣效率和泵氣損失降低，THC、CO以及NOx排放都呈降低趨勢，燃油消耗率下降，最大降低5.8%。

3）核態(tài)和積聚態(tài)顆粒數(shù)目和質(zhì)量濃度呈不同程度的降低趨勢，積聚態(tài)中位粒徑從91.4 nm 降低到61.4 nm。微粒排放主要以小粒徑的核態(tài)微粒為主。

4）相比于排氣VVT，進氣VVT 對燃燒過程、燃油經(jīng)濟性及排放的影響更加明顯。