李曉娜，解方喜，竇慧莉，劉江唯，劉 宇

（1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130025；2.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)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(shí)現(xiàn)低能耗、低排放成為了內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的主要趨勢。通過采用先進(jìn)的燃燒技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排的目標(biāo)。許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)依靠缸內(nèi)直噴技術(shù)、可變壓縮比技術(shù)、發(fā)動機(jī)熄缸技術(shù)和可變氣門技術(shù)等能夠改善發(fā)動機(jī)工作過程從而提升發(fā)動機(jī)的熱效率［1-2］。其中可變氣門技術(shù)和缸內(nèi)直噴技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)高效清潔燃燒的技術(shù)。

缸內(nèi)直噴技術(shù)是將高壓燃油直接噴入到發(fā)動機(jī)燃燒室中，噴入的燃油吸熱蒸發(fā)能夠降低缸內(nèi)溫度從而減小了發(fā)動機(jī)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(nèi)，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(dǎo)致缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)的NOx以及微粒排放較高［3-5］。通過優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的工作過程有望實(shí)現(xiàn)在保證直噴汽油機(jī)性能的同時(shí)降低微粒和NOx排放的目標(biāo)。就汽油機(jī)而言，其燃燒方式是基于量的調(diào)節(jié)，發(fā)動機(jī)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(jī)的換氣過程，因此應(yīng)當(dāng)能夠顯著地影響直噴汽油機(jī)的燃燒和排放［6-9］。劉青林等［10］研究了掃氣對發(fā)動機(jī)性能的影響。結(jié)果表明，氣門重疊角增加，掃氣增強(qiáng)。利用掃氣可以有效提高發(fā)動機(jī)的充氣效率和動力性，掃氣越強(qiáng)，動力性提升越大，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(shí)抑制爆震。在采用相同的IVO 為340 °CA、重疊角為40 °CA 時(shí)對爆震抑制最好。信松嶺等［12］的研究結(jié)果表明，隨著氣門重疊角的增加，直噴汽油發(fā)動機(jī)的泵氣損失得到改善，BMEP 可以提高7.5%。因此實(shí)現(xiàn)氣門重疊角可變有望成為缸內(nèi)直噴汽油機(jī)改善動力和排放的有效舉措之一。

可變氣門正時(shí)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氣門重疊角可變的一種可變氣門技術(shù)，主要通過改變氣門的開閉時(shí)刻從而改變氣門重疊角來影響發(fā)動機(jī)的換氣過程并可達(dá)到降低泵氣損失、改善燃油經(jīng)濟(jì)性的目的［13］?？勺儦忾T正時(shí)技術(shù)通過控制參數(shù)不同可分為可變進(jìn)氣正時(shí)和可變排氣正時(shí)，它們對缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)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(jìn)氣門開啟時(shí)間能夠提高充氣效率，因此進(jìn)氣正時(shí)對汽油直噴發(fā)動機(jī)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(nèi)部殘余氣體水平主要是通過排氣門關(guān)閉的時(shí)間來調(diào)整的。因此進(jìn)排氣正時(shí)技術(shù)對汽油機(jī)燃燒以及排放應(yīng)當(dāng)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(jìn)氣正時(shí)和排氣正時(shí)下形成相同的氣門重疊角時(shí)，缸內(nèi)的充量系數(shù)也不盡相同。因此通過可變進(jìn)氣門和可變排氣門正時(shí)技術(shù)形成的相同的氣門重疊角在改善直噴汽油機(jī)燃燒性能和排放方面也應(yīng)當(dāng)具有不同的效果。但針對不同氣門正時(shí)參數(shù)下的氣門重疊角對直噴汽油機(jī)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(jī)的換氣過程和燃燒過程，而關(guān)于進(jìn)排氣可變氣門正時(shí)技術(shù)下的相同氣門重疊角對缸內(nèi)直噴汽油機(jī)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(nèi)直噴汽油發(fā)動機(jī)上，對比研究了可變進(jìn)氣門正時(shí)、可變排氣門正時(shí)和雙可變氣門正時(shí)策略下的相同氣門重疊角對直噴汽油機(jī)燃燒性能、微粒和常規(guī)排放物的影響。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與參數(shù)定義

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

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

在試驗(yàn)臺架中，開放ECU 控制單元能夠靈活調(diào)控點(diǎn)火、噴油、節(jié)氣門和進(jìn)排氣門相位。如圖1 所示，在發(fā)動機(jī)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(jìn)行實(shí)時(shí)測量和顯示。發(fā)動機(jī)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(jìn)行采集并通過AVL 電荷放大器進(jìn)行處理和放大，最終將信號傳送到燃燒分析儀上進(jìn)行顯示和記錄。在試驗(yàn)中，采集卡收集了200 個(gè)連續(xù)燃燒循環(huán)。同時(shí)，將指示平均有效壓力（IMEP）在200個(gè)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(jì)算公式為

圖1 試驗(yàn)臺架實(shí)物圖

發(fā)動機(jī)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(jī)的常規(guī)排放物是通過MEXA-7100D EGR 氣體分析儀進(jìn)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(jī)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(yàn)工況

在城市駕駛工況中，汽車大多時(shí)候都是在1 500 r/min 下的部分負(fù)荷下運(yùn)行的［18］，因此，本文中選取了在1 500 r/min、13.6%負(fù)荷下，研究不同氣門正時(shí)策略下的氣門重疊角對缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的燃燒性能和排放的影響。在試驗(yàn)過程中，固定循環(huán)噴油量，通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度保證過量空氣系數(shù)為1時(shí)調(diào)整進(jìn)排氣正時(shí)并保證點(diǎn)火正時(shí)是最佳的。進(jìn)排氣門都是單向動作，調(diào)整范圍都是0-60 °CA，將進(jìn)排氣門重疊角為0 °CA 作為原機(jī)基準(zhǔn)與其它氣門重疊角進(jìn)行對比分析。試驗(yàn)以10 °CA 為間隔進(jìn)行調(diào)整氣門正時(shí)，其中只提前進(jìn)氣門正時(shí)稱為IVT 策略，只推遲排氣門正時(shí)稱為EVT 策略，進(jìn)氣門正時(shí)提前的同時(shí)排氣門正時(shí)推遲稱為IEVT 策略，其中IEVT策略下根據(jù)排氣門正時(shí)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(shí)和增壓之間密切相關(guān)，然而本工作是在小負(fù)荷條件下研究氣門重疊角對汽油機(jī)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(shí)的影響。

表2 試驗(yàn)工況

圖2 不同氣門重疊角下的排氣壓力

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氣門正時(shí)策略下不同重疊角對燃燒和性能的影響

氣門正時(shí)的變化會影響內(nèi)部殘余廢氣量的多少［12，19］。如圖3 所示，在排氣正時(shí)推遲策略下，排氣關(guān)閉時(shí)刻推遲到進(jìn)氣行程，在本工作中的小負(fù)荷下會出現(xiàn)排氣壓力大于缸內(nèi)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(guān)閉正時(shí)越推遲，重新吸入的廢氣量便會越多。在進(jìn)氣正時(shí)提前策略下，進(jìn)氣開啟正時(shí)提前到排氣行程時(shí)，因在小負(fù)荷條件下的氣缸壓力會大于進(jìn)氣壓力，在氣缸和進(jìn)氣管壓差的作用下，缸內(nèi)的廢氣會回流到進(jìn)氣道中，另外在氣門疊開期間，排氣壓力大于進(jìn)氣壓力時(shí)，廢氣可能從排氣道回流到進(jìn)氣道中，在進(jìn)氣沖程開始進(jìn)氣時(shí)，廢氣隨著新鮮空氣重新進(jìn)入到氣缸內(nèi)。在進(jìn)氣門提前排氣門推遲的策略下，缸內(nèi)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(nèi)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(jìn)氣正時(shí)提前或者排氣正時(shí)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(jī)下的均會增加。在本文的試驗(yàn)過程中保證當(dāng)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(nèi)工質(zhì)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(nèi)殘余廢氣量的變化。缸內(nèi)壓縮壓力越大，認(rèn)為缸內(nèi)殘余廢氣量越多。也就是說，3 種氣門正時(shí)策略下的缸內(nèi)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(nèi)進(jìn)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(shí)策略下滯燃期的變化趨勢，滯燃期定義為從點(diǎn)火時(shí)刻到CA10（累計(jì)放熱量10%對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角）的曲軸角度。由圖可知在3 種氣門正時(shí)策略下隨著氣門重疊角的增加，滯燃期均增加。這主要是因?yàn)? 種氣門正時(shí)策略均會導(dǎo)致缸內(nèi)廢氣量增加，而廢氣的稀釋作用以及氧濃度的下降共同導(dǎo)致火花塞附近著火困難，滯燃期增加。當(dāng)氣門重疊角相同時(shí)，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(dǎo)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(shí)，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(shí)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(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%到90%對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。由圖可知，在IVT、EVT 和IEVT 策略下，隨著氣門重疊角增加，缸內(nèi)的殘余廢氣增加，也就是缸內(nèi)非活性氣體成分增加，這會降低缸內(nèi)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(dá)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?yàn)闅堄鄰U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(jī)的燃燒穩(wěn)定性。在本文中當(dāng)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(nèi)殘余廢氣的增加導(dǎo)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(nèi)殘余廢氣量更多導(dǎo)致的。在IEVT 策略內(nèi)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，相同的重疊角下，IEVT3 的循環(huán)變動較大，當(dāng)氣門重疊角增大到70 °CA 時(shí)，即使在最佳的點(diǎn)火角下，燃燒循環(huán)變動也超過了5%，此時(shí)燃燒不穩(wěn)定。

燃料燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能在轉(zhuǎn)換為指示功時(shí)，會產(chǎn)生燃燒損失，傳熱損失和排氣損失。由熱力學(xué)第二定律可知，熱量自發(fā)地從高溫向低溫傳遞。缸內(nèi)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(nèi)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(shí)策略下缸內(nèi)最高燃燒溫度相比原機(jī)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(shí)，例如在50 °CA 的氣門重疊角下，對比EVT和IVT、IEVT策略下的缸內(nèi)最高燃燒溫度發(fā)現(xiàn)，EVT 下的最低，相比原機(jī)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(nèi)最高燃燒溫度相比原機(jī)只減小了194 K，也就是說，在形成相同的氣門重疊角時(shí)，EVT策略下的傳熱損失最小，IEVT 的最大。但I(xiàn)EVT 策略能夠?qū)崿F(xiàn)更大的氣門重疊角從而能夠更大程度上降低缸內(nèi)燃燒溫度，減少傳熱損失。

圖7 不同氣門策略下的缸內(nèi)最高燃燒溫度

圖8所示是3種正時(shí)策略下的排氣溫度，排氣溫度可以評價(jià)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(jī)都降低，表明3 種策略都可以降低排氣損失，但3 種正時(shí)策略對排氣溫度變化的影響程度是不同的。例如當(dāng)形成重疊角50 °CA 時(shí)，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(yuǎn)離了排氣沖程，排氣溫度相對低；IVT 相較于IEVT 策略的缸內(nèi)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(shí)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(nèi)，對比相同重疊角時(shí)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(nèi)排氣溫度

2.2 氣門正時(shí)策略下的不同重疊角對油耗和排放的影響

發(fā)動機(jī)的指示功轉(zhuǎn)換為有效功時(shí)會不可避免地產(chǎn)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(jìn)氣損失。進(jìn)氣損失是指與理論循環(huán)相比進(jìn)氣過程中功的減少，可以通過進(jìn)氣壓力線與大氣壓力線圍成的面積表示進(jìn)氣損失的大小。由圖可知，在IVT、EVT 和IEVT 策略下，進(jìn)氣損失都是減小的。3 種策略增大了重疊角使得缸內(nèi)的殘余廢氣量增加，為保證理論空燃比燃燒，需要增加進(jìn)氣壓力來保證足夠的進(jìn)氣量，進(jìn)氣壓力增加，其與大氣壓力圍成的面積減小，因此進(jìn)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(diǎn)兩者之間壓力線圍成的面積大小。由圖可知，當(dāng)形成相同的氣門重疊角時(shí)，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(diǎn)開始向上止點(diǎn)運(yùn)動時(shí)缸內(nèi)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(dāng)形成相同的氣門重疊角時(shí)，IVT 策略能夠減小進(jìn)氣損失，因此能夠減小泵氣損失。EVT 策略能夠減小進(jìn)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(jìn)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(dá)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(shí)策略可以發(fā)現(xiàn)在氣門重疊角達(dá)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(nèi)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(xué)能更有效地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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I(xiàn)EVT 策略仍然能夠穩(wěn)定地運(yùn)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(jī)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(nèi)殘余廢氣量，導(dǎo)致在缸內(nèi)燃燒溫度降低的同時(shí)減小了缸內(nèi)氧濃度，NOx排放減小。進(jìn)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(shí)，相比于IEVT 和IVT 策略，EVT 策略下缸內(nèi)殘余廢氣量更多導(dǎo)致NOx排放最少。但I(xiàn)EVT3 可以實(shí)現(xiàn)更大的氣門重疊角，使得缸內(nèi)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(nèi)廢氣增加，廢氣重新引入缸內(nèi)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(shí)相比于IEVT1 和IEVT2 來說，IEVT3 的缸內(nèi)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(shí)的推遲，在氣門重疊角達(dá)到30 °CA 之前，最佳點(diǎn)火角的提前是導(dǎo)致微粒濃度增加的主要因素。這是因?yàn)辄c(diǎn)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(diǎn)火使得油氣混合時(shí)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(shí)到30 °CA 之后，缸內(nèi)廢氣增多導(dǎo)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(jī)的微粒排放，在EVT 策略下，核態(tài)微粒總數(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?？倲?shù)減少了43.11%，主要是因?yàn)樵谙嗤臍忾T重疊角下，IVT 策略下的缸內(nèi)殘余廢氣量較少導(dǎo)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(nèi)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I(xiàn)EVT 策略下的氣門重疊角能實(shí)現(xiàn)更大的數(shù)值，因而缸內(nèi)的殘余廢氣量多，缸內(nèi)燃燒溫度的降低導(dǎo)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(jié)論

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

（1）EVT、IVT 和IEVT 策略均增加氣門正重疊角而導(dǎo)致缸內(nèi)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(nèi)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(shí)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(nèi)，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(jī)相比改善效果達(dá)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(dá)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I(xiàn)EVT策略可實(shí)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%。