李曉娜，解方喜，竇慧莉，劉江唯，劉 宇

（1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025；2.中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

前言

近年來隨著全球能源短缺和環(huán)境污染問題的日漸突出，實現(xiàn)低能耗、低排放成為了內燃機發(fā)展的主要趨勢。通過采用先進的燃燒技術有望實現(xiàn)內燃機節(jié)能減排的目標。許多學者發(fā)現(xiàn)依靠缸內直噴技術、可變壓縮比技術、發(fā)動機熄缸技術和可變氣門技術等能夠改善發(fā)動機工作過程從而提升發(fā)動機的熱效率［1-2］。其中可變氣門技術和缸內直噴技術是目前廣泛應用于實現(xiàn)汽油機高效清潔燃燒的技術。

缸內直噴技術是將高壓燃油直接噴入到發(fā)動機燃燒室中，噴入的燃油吸熱蒸發(fā)能夠降低缸內溫度從而減小了發(fā)動機的爆震傾向，因此可使用更高壓縮比來提高理論熱效率。但是，由于將燃油直接噴入缸內，往往會造成局部混合氣過濃以及燃油撞壁的現(xiàn)象最終導致缸內直噴發(fā)動機的NOx以及微粒排放較高［3-5］。通過優(yōu)化內燃機的工作過程有望實現(xiàn)在保證直噴汽油機性能的同時降低微粒和NOx排放的目標。就汽油機而言，其燃燒方式是基于量的調節(jié)，發(fā)動機性能和排放很大程度上取決于氣體交換過程，而氣門重疊角的大小能夠明顯地影響發(fā)動機的換氣過程，因此應當能夠顯著地影響直噴汽油機的燃燒和排放［6-9］。劉青林等［10］研究了掃氣對發(fā)動機性能的影響。結果表明，氣門重疊角增加，掃氣增強。利用掃氣可以有效提高發(fā)動機的充氣效率和動力性，掃氣越強，動力性提升越大，同時還能降低缸內的燃燒溫度，減小爆震和超級爆震的傾向。同樣的，馬俊杰等［11］的仿真研究表明，在掃氣區(qū)增加重疊角有利于提高充氣效率同時抑制爆震。在采用相同的IVO 為340 °CA、重疊角為40 °CA 時對爆震抑制最好。信松嶺等［12］的研究結果表明，隨著氣門重疊角的增加，直噴汽油發(fā)動機的泵氣損失得到改善，BMEP 可以提高7.5%。因此實現(xiàn)氣門重疊角可變有望成為缸內直噴汽油機改善動力和排放的有效舉措之一。

可變氣門正時技術是實現(xiàn)氣門重疊角可變的一種可變氣門技術，主要通過改變氣門的開閉時刻從而改變氣門重疊角來影響發(fā)動機的換氣過程并可達到降低泵氣損失、改善燃油經濟性的目的［13］。可變氣門正時技術通過控制參數(shù)不同可分為可變進氣正時和可變排氣正時，它們對缸內直噴發(fā)動機的掃氣和燃燒過程的影響類似［14］，但兩者也有不同。就換氣過程來說，Rajput 等［15］的研究表明通過提前進氣門開啟時間能夠提高充氣效率，因此進氣正時對汽油直噴發(fā)動機的燃燒性能起著決定性的作用；而Insu 等［16］的研究表明，在氣體交換過程中，氣缸中截留的內部殘余氣體水平主要是通過排氣門關閉的時間來調整的。因此進排氣正時技術對汽油機燃燒以及排放應當具有不同的影響效果。另外，張龍平等［17］的研究表明，在可變進氣正時和排氣正時下形成相同的氣門重疊角時，缸內的充量系數(shù)也不盡相同。因此通過可變進氣門和可變排氣門正時技術形成的相同的氣門重疊角在改善直噴汽油機燃燒性能和排放方面也應當具有不同的效果。但針對不同氣門正時參數(shù)下的氣門重疊角對直噴汽油機的性能和微粒排放的改善效果對比研究較少。

綜上所述，氣門重疊角的大小直接影響著發(fā)動機的換氣過程和燃燒過程，而關于進排氣可變氣門正時技術下的相同氣門重疊角對缸內直噴汽油機的燃燒和微粒排放的影響對比鮮有研究。因此本文中在一臺缸內直噴汽油發(fā)動機上，對比研究了可變進氣門正時、可變排氣門正時和雙可變氣門正時策略下的相同氣門重疊角對直噴汽油機燃燒性能、微粒和常規(guī)排放物的影響。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置與參數(shù)定義

本文中選用了一臺進氣增壓缸內直噴火花點火汽油機，具備獨立且可變正時的進排氣門，進排氣門的開啟持續(xù)期分別是230 和220 °CA，可調控的范圍是0-60 °CA。發(fā)動機具體的參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機參數(shù)

在試驗臺架中，開放ECU 控制單元能夠靈活調控點火、噴油、節(jié)氣門和進排氣門相位。如圖1 所示，在發(fā)動機排氣管安裝了BOSCH 公司的寬裕氧傳感器，它將排氣中的氧含量信號傳輸給了ETAS 公司的LA4型Lambda 分析儀，對過量空氣系數(shù)進行實時測量和顯示。發(fā)動機的缸壓信號是通過將Kistler公司6114B 型缸壓傳感器安裝在第4 缸上的火花塞安裝位置，對缸壓信號進行采集并通過AVL 電荷放大器進行處理和放大，最終將信號傳送到燃燒分析儀上進行顯示和記錄。在試驗中，采集卡收集了200 個連續(xù)燃燒循環(huán)。同時，將指示平均有效壓力（IMEP）在200個連續(xù)燃燒循環(huán)之間的變化系數(shù)視為燃燒過程的循環(huán)變化，計算公式為

圖1 試驗臺架實物圖

發(fā)動機的燃油消耗量是由日本小野公司FX3400 型油耗儀測得，發(fā)動機的常規(guī)排放物是通過MEXA-7100D EGR 氣體分析儀進行測量，DMS500快速氣溶膠電遷移粒徑譜儀分析用來測量發(fā)動機微粒濃度和微粒尺寸分布，其中DMS500 微粒的尺寸譜圖是4.87～1 000 nm。

1.2 試驗工況

在城市駕駛工況中，汽車大多時候都是在1 500 r/min 下的部分負荷下運行的［18］，因此，本文中選取了在1 500 r/min、13.6%負荷下，研究不同氣門正時策略下的氣門重疊角對缸內直噴汽油機的燃燒性能和排放的影響。在試驗過程中，固定循環(huán)噴油量，通過調節(jié)節(jié)氣門開度保證過量空氣系數(shù)為1時調整進排氣正時并保證點火正時是最佳的。進排氣門都是單向動作，調整范圍都是0-60 °CA，將進排氣門重疊角為0 °CA 作為原機基準與其它氣門重疊角進行對比分析。試驗以10 °CA 為間隔進行調整氣門正時，其中只提前進氣門正時稱為IVT 策略，只推遲排氣門正時稱為EVT 策略，進氣門正時提前的同時排氣門正時推遲稱為IEVT 策略，其中IEVT策略下根據(jù)排氣門正時推遲20、30、40 °CA 分為了IEVT1、IEVT2、IEVT3。具體策略下的氣門重疊角增值如表2 所示。掃氣、正時和增壓之間密切相關，然而本工作是在小負荷條件下研究氣門重疊角對汽油機的影響，如圖2 所示，不同氣門重疊角下的排氣壓力變化不明顯，因此在研究過程中忽略了增壓的影響，只考慮了正時的影響。

表2 試驗工況

圖2 不同氣門重疊角下的排氣壓力

2 試驗結果與分析

2.1 氣門正時策略下不同重疊角對燃燒和性能的影響

氣門正時的變化會影響內部殘余廢氣量的多少［12，19］。如圖3 所示，在排氣正時推遲策略下，排氣關閉時刻推遲到進氣行程，在本工作中的小負荷下會出現(xiàn)排氣壓力大于缸內壓力的情況，廢氣在排氣管和氣缸的壓差作用下被重新吸入氣缸。排氣關閉正時越推遲，重新吸入的廢氣量便會越多。在進氣正時提前策略下，進氣開啟正時提前到排氣行程時，因在小負荷條件下的氣缸壓力會大于進氣壓力，在氣缸和進氣管壓差的作用下，缸內的廢氣會回流到進氣道中，另外在氣門疊開期間，排氣壓力大于進氣壓力時，廢氣可能從排氣道回流到進氣道中，在進氣沖程開始進氣時，廢氣隨著新鮮空氣重新進入到氣缸內。在進氣門提前排氣門推遲的策略下，缸內殘余廢氣量的增加過程耦合了上述兩種方式。

圖3 不同氣門策略下的氣門型線

圖4 所示是EVT、IVT、IEVT 3 種氣門策略下的缸內壓力和放熱率的變化規(guī)律。不同策略下的氣門重疊角會隨著進氣正時提前或者排氣正時推遲而增加。由圖4 可知，在壓縮沖程階段，隨著氣門重疊角的增加，EVT、IVT和IEVT策略下的壓縮壓力相比原機下的均會增加。在本文的試驗過程中保證當量燃燒比和固定循環(huán)噴油量的情況下，壓縮壓力的增加代表著缸內工質量增加，也就是廢氣量的增加。因此本文以壓縮壓力的變化定性地代表缸內殘余廢氣量的變化。缸內壓縮壓力越大，認為缸內殘余廢氣量越多。也就是說，3 種氣門正時策略下的缸內殘余廢氣量均增加。另外可以看到，在相同的氣門重疊角下，例如在40 °CA 的重疊角下，EVT 策略下的壓縮壓力大于IVT 策略0.03 MPa，殘余廢氣量略大于IVT，而IEVT 策略下的壓縮壓力相比最小，殘余廢氣量最少；在IEVT 策略內進一步對比可以發(fā)現(xiàn)，IEVT1的殘余廢氣量最少，最多的是IEVT3，而IEVT1與EVT下的壓縮壓力相比仍然小了0.23 MPa，IEVT3較EVT下的壓縮壓力小了0.04 MPa。

圖5 所示為3 種氣門正時策略下滯燃期的變化趨勢，滯燃期定義為從點火時刻到CA10（累計放熱量10%對應的曲軸轉角）的曲軸角度。由圖可知在3 種氣門正時策略下隨著氣門重疊角的增加，滯燃期均增加。這主要是因為3 種氣門正時策略均會導致缸內廢氣量增加，而廢氣的稀釋作用以及氧濃度的下降共同導致火花塞附近著火困難，滯燃期增加。當氣門重疊角相同時，例如在40 °CA，對比不同策略發(fā)現(xiàn)，EVT 下的滯燃期大于IVT 策略1.5 °CA，這是EVT 策略下的殘余廢氣量相比IVT 更多導致的，而IEVT 策略下的滯燃期最小，這是由于在相同的氣門重疊角下IEVT策略下的殘余廢氣量最少。另外，通過對比IEVT1、IEVT2和IEVT3發(fā)現(xiàn)在形成相同的氣門重疊角時，IEVT1 策略下的滯燃期更短，IEVT3 相對較長，這可以解釋為IEVT1 策略下的殘余廢氣量相比IEVT3 下的少，稀釋作用減弱，滯燃期相比較短。

圖5 不同氣門策略下的滯燃期

圖6 所示為3 種氣門正時策略下的燃燒持續(xù)期和燃燒循環(huán)變動（COVIMEP）的變化趨勢。燃燒持續(xù)期定義為燃燒質量分數(shù)從10%到90%對應的曲軸轉角。由圖可知，在IVT、EVT 和IEVT 策略下，隨著氣門重疊角增加，缸內的殘余廢氣增加，也就是缸內非活性氣體成分增加，這會降低缸內的燃燒溫度和氧濃度，使得燃燒過程減慢，燃燒持續(xù)期均延長。對比3種策略可以發(fā)現(xiàn)，EVT和IVT策略在氣門重疊角達到40 °CA 以前的滯燃期數(shù)值相差不大，IEVT 策略仍然具有相對較短的燃燒持續(xù)期，且IEVT1 因為殘余廢氣量最少，燃燒持續(xù)期最短。

圖6 不同氣門策略下的燃燒持續(xù)期和燃燒循環(huán)變動

COVIMEP通常用于評估發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性。在本文中當COVIMEP超過5%定為不穩(wěn)定燃燒。如圖6（b）所示，在IVT、EVT和IEVT策略下隨著氣門重疊角的增加，缸內殘余廢氣的增加導致了火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，燃燒持續(xù)期增加，最終表現(xiàn)為燃燒循環(huán)變動增加。在相同的氣門重疊角下，EVT 策略下的燃燒循環(huán)變動較其它策略大，這是EVT 策略下的缸內殘余廢氣量更多導致的。在IEVT 策略內進行對比發(fā)現(xiàn)，相同的重疊角下，IEVT3 的循環(huán)變動較大，當氣門重疊角增大到70 °CA 時，即使在最佳的點火角下，燃燒循環(huán)變動也超過了5%，此時燃燒不穩(wěn)定。

燃料燃燒產生的化學能在轉換為指示功時，會產生燃燒損失，傳熱損失和排氣損失。由熱力學第二定律可知，熱量自發(fā)地從高溫向低溫傳遞。缸內最高燃燒溫度越高，向外界傳遞的熱量越多，傳熱損失越大，因此缸內燃燒溫度的變化可以表征傳熱損失的大小。如圖7 所示在3 種正時策略下缸內最高燃燒溫度相比原機狀態(tài)下的都降低，這表明3 種策略下的傳熱損失都會減少。但是在形成相同的氣門重疊角時，例如在50 °CA 的氣門重疊角下，對比EVT和IVT、IEVT策略下的缸內最高燃燒溫度發(fā)現(xiàn)，EVT 下的最低，相比原機降低了508 K，其次是IVT策略，相對較大的是IEVT 策略，即便是IEVT3 下的缸內最高燃燒溫度相比原機只減小了194 K，也就是說，在形成相同的氣門重疊角時，EVT策略下的傳熱損失最小，IEVT 的最大。但IEVT 策略能夠實現(xiàn)更大的氣門重疊角從而能夠更大程度上降低缸內燃燒溫度，減少傳熱損失。

圖7 不同氣門策略下的缸內最高燃燒溫度

圖8所示是3種正時策略下的排氣溫度，排氣溫度可以評價排氣損失的大小，排氣溫度越高，排氣帶走的能量就越多，排氣損失就越大。由圖可知，3 種氣門策略下的排氣溫度相比原機都降低，表明3 種策略都可以降低排氣損失，但3 種正時策略對排氣溫度變化的影響程度是不同的。例如當形成重疊角50 °CA 時，IVT 策略下的排氣溫度最低，能夠更大程度上減少排氣損失。這是由于IVT 策略相較EVT 具有更短的燃燒持續(xù)期，燃燒速度更快，燃燒過程遠離了排氣沖程，排氣溫度相對低；IVT 相較于IEVT 策略的缸內最高燃燒溫度更低，因而排氣溫度相對也較小，所以IVT 策略下的排氣損失小。而IEVT 可以實現(xiàn)更大的氣門重疊角，在3 種策略中排氣溫度能夠降到最小，排氣損失最小，且在IEVT策略內，對比相同重疊角時的排氣溫度發(fā)現(xiàn)，IEVT3 策略下的排氣損失最小。

圖8 不同氣門策略下的缸內排氣溫度

2.2 氣門正時策略下的不同重疊角對油耗和排放的影響

發(fā)動機的指示功轉換為有效功時會不可避免地產生泵氣損失和摩擦損失。圖9所示是IVT、EVT 和IEVT 策略下的泵氣損失的變化。泵氣損失包括了膨脹損失，推出損失和進氣損失。進氣損失是指與理論循環(huán)相比進氣過程中功的減少，可以通過進氣壓力線與大氣壓力線圍成的面積表示進氣損失的大小。由圖可知，在IVT、EVT 和IEVT 策略下，進氣損失都是減小的。3 種策略增大了重疊角使得缸內的殘余廢氣量增加，為保證理論空燃比燃燒，需要增加進氣壓力來保證足夠的進氣量，進氣壓力增加，其與大氣壓力圍成的面積減小，因此進氣損失減小。膨脹損失的大小可以表示為與理論循環(huán)相比，排氣門提前開啟到下止點兩者之間壓力線圍成的面積大小。由圖可知，當形成相同的氣門重疊角時，EVT策略能更多的減小膨脹損失。推出損失的值可以通過排氣壓力線與大氣壓力線圍成面積的大小表示。由圖可知，在EVT和IEVT策略下，排氣門晚開，活塞從下止點開始向上止點運動時缸內廢氣較多，壓力較大，明顯大于大氣壓力線，因此推出損失增加。綜上所示，當形成相同的氣門重疊角時，IVT 策略能夠減小進氣損失，因此能夠減小泵氣損失。EVT 策略能夠減小進氣損失和膨脹損失，但推出損失增加，最終表現(xiàn)為EVT 策略也能夠減小泵氣損失。與EVT 策略相似，IEVT 策略增加推出功損失，減小進氣損失和膨脹損失，最終表現(xiàn)為泵氣損失的減小。在3 種氣門策略下，IVT 能夠最大程度地減小泵氣損失達到15.6%。

圖10 所示為IVT、EVT 和IEVT 策略下不同氣門重疊角對燃油消耗率的影響。由圖10可知3種氣門策略下的燃油消耗率均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。通過對比3 種氣門正時策略可以發(fā)現(xiàn)在氣門重疊角達到40 °CA 之前，EVT 策略下的燃油消耗率最小。這是由于相同的氣門重疊角下，EVT 策略下的缸內殘余廢氣最多，傳熱損失和排氣損失相比IVT 和IEVT 策略下的都小，燃料燃燒的化學能更有效地轉換為指示功。另外，EVT 策略下的泵氣損失相比IVT 和IEVT 策略下的改善效果更好，指示功轉換為有效功的過程中損失更少，最終表現(xiàn)為燃油消耗率的改善效果最佳。隨著氣門重疊角繼續(xù)增加，在60 °CA 的氣門重疊角下，EVT 和IVT 策略下的燃燒循環(huán)變動增加，燃燒不穩(wěn)定，但IEVT 策略仍然能夠穩(wěn)定地運行，且IEVT3下的傳熱損失和排氣損失均較小，獲得了最小的油耗，相比于原機減少了8.67%。

圖10 不同氣門策略下的燃油消耗率

圖11 所示是3 種氣門策略下的NOx和HC 排放。由圖可知3種氣門策略均可以顯著地降低NOx排放。根據(jù)Zeldovich 理論，影響NOx排放的主要因素是燃燒溫度和氣缸中的氧氣濃度［20］。而EVT、IVT 和IEVT 策略會增加缸內殘余廢氣量，導致在缸內燃燒溫度降低的同時減小了缸內氧濃度，NOx排放減小。進一步對比3 種氣門策略發(fā)現(xiàn)，在形成相同的氣門重疊角時，相比于IEVT 和IVT 策略，EVT 策略下缸內殘余廢氣量更多導致NOx排放最少。但IEVT3 可以實現(xiàn)更大的氣門重疊角，使得缸內最高燃燒溫度降低更多，因此改善效果最好，NOx可以降低96.57%。

圖11 不同氣門策略下的NOx和HC排放

EVT、IVT和IEVT策略下的HC排放呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。這是由于隨著氣門重疊角增加，缸內廢氣增加，廢氣重新引入缸內使得HC 能夠重新燃燒，HC 排放降低。而氣門重疊角繼續(xù)增加，燃燒不穩(wěn)定性增加，燃燒惡化，HC 排放增加。對比3 種氣門策略發(fā)現(xiàn)在氣門重疊角50 °CA 之前差值不大，但在氣門重疊角60 °CA之后，IEVT3的HC排放明顯增加，這是由于此時相比于IEVT1 和IEVT2 來說，IEVT3 的缸內殘余廢氣量多，燃燒循環(huán)變動相對更大，燃燒不穩(wěn)定，因而HC排放明顯增加。

圖12所示是在3種氣門策略下不同重疊角的微粒排放的變化趨勢。圖12（a）和圖12（b）分別表示了IVT、EVT 和IEVT2 策略下的微粒數(shù)量濃度-粒徑分布和核態(tài)，集聚態(tài)以及總微粒濃度的變化。其中核態(tài)微粒是粒徑小于35 nm 的微粒，而集聚態(tài)微粒粒徑大于35 nm。由圖可知，在3 種策略下，微粒數(shù)量濃度分布均呈現(xiàn)雙峰分布，但不同策略下的微粒數(shù)量濃度-粒徑分布的變化趨勢以及改善程度卻不相同。在EVT 策略中，微粒數(shù)量濃度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。首先，隨著排氣門正時的推遲，在氣門重疊角達到30 °CA 之前，最佳點火角的提前是導致微粒濃度增加的主要因素。這是因為點火提前一方面使得排氣溫度降低抑制了微粒的氧化，另一方面過早的點火使得油氣混合時間縮短造成更多的微粒生成，最終造成了核態(tài)微粒、集聚態(tài)微粒和總微粒排放升高［21-22］。繼續(xù)推遲排氣門正時到30 °CA 之后，缸內廢氣增多導致燃燒溫度的降低，抑制了初級碳煙顆粒的形成，成為降低微粒排放的主要因素。相比原機的微粒排放，在EVT 策略下，核態(tài)微?？倲?shù)減少了70.3%。在IVT 策略下，微粒數(shù)量濃度呈現(xiàn)減小的趨勢，但其微粒改善效果沒有EVT 策略的好，微粒總數(shù)減少了43.11%，主要是因為在相同的氣門重疊角下，IVT 策略下的缸內殘余廢氣量較少導致對初級碳煙顆粒形成的抑制作用減弱。同樣地，在相同的氣門重疊角下，IEVT 策略下因缸內殘余廢氣量最少，相較EVT 和IVT 策略對微粒數(shù)量濃度改善效果最小。但IEVT 策略下的氣門重疊角能實現(xiàn)更大的數(shù)值，因而缸內的殘余廢氣量多，缸內燃燒溫度的降低導致核態(tài)，集聚態(tài)和總微粒數(shù)量濃度均有明顯的降低，總微粒數(shù)降低了89.43%。

圖12 不同氣門策略下的微粒濃度和數(shù)量變化

3 結論

本文探究了在3 種氣門正時策略下的氣門重疊角的變化對缸內直噴汽油發(fā)動機13.6%的小負荷下的燃燒性能和排放的影響，具體結論如下。

（1）EVT、IVT 和IEVT 策略均增加氣門正重疊角而導致缸內的殘余廢氣量的增加，造成滯燃期延長、燃燒持續(xù)期和燃燒循環(huán)變動增加的現(xiàn)象。對比相同氣門重疊角發(fā)現(xiàn)，EVT 相比其它兩種策略帶來的殘余廢氣更多，對燃燒過程的抑制作用更明顯，同樣的，循環(huán)變動相對更大。

（2）隨著氣門重疊角的增加，缸內最大燃燒溫度和排氣溫度均會降低，這意味著3 種氣門策略都可改善傳熱損失和排氣損失；同時泵氣損失也都得到改善。對比發(fā)現(xiàn)：IVT 策略可降低15.6%的泵氣損失；在穩(wěn)定燃燒的范圍內，IEVT 能夠最大程度地降低傳熱損失和排氣損失。3 種氣門策略下的油耗均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。IEVT 策略能夠取得最小的BSFC，與原機相比改善效果達到了8.67%.

（3）3 種氣門策略下，隨著氣門重疊角的增加，NOx排放均能夠明顯地降低，而其中IEVT3可以達到96.57%的改善效果。HC 排放在3 種氣門策略下呈先降低后增加的趨勢。對于微粒排放來說，相同的氣門重疊角下，EVT策略對核態(tài)、集聚態(tài)和總微粒數(shù)的排放改善效果最好，IVT和IEVT次之。但IEVT策略可實現(xiàn)更大的氣門重疊角而微粒改善效果最好，微?？倲?shù)減少了89.43%。