低速中低负荷下VVT 对汽油机燃油经济性的影响

王国栋，袁观练，黄荣辉，周 洋，侯献军

(1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州545000;2.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉430070)

可变气门正时控制系统(variable valve timing，VVT)可提高进气效率，实现低、中转速范围内扭矩的充分输出，保证各个工况下都能得到足够的动力。可变气门正时控制机构的主要作用是在维持发动机怠速性能的情况下，改善全负荷性能。该机构通过保持进气门开启持续角不变，改变进气门开闭时刻来增加充气量［1－2］。采用该机构的优势有:①能兼顾高速及低速不同工况发动机的充气量，提高发动机的动力性和经济性;②改善发动机的燃烧质量，降低发动机的有害气体排放;③改善发动机怠速及低速时的性能及稳定性［3］。随着我国对汽车的燃油经济性和排放性的要求越来越严格，如何提高汽车的燃油经济性和降低有害气体排放已成为各汽车生产厂家必须面对的一个问题，解决这个问题已成为各生产厂家在行业竞争日益激烈的环境下抢占市场的一把利剑［4］。普通微型车和轿车在城市工况下的时速基本保持在60 km/h 以下，在该时速下，发动机转速一般在3 500 r/min 以下，发动机扭矩在50 N·m左右，此时，发动机燃油经济性和排放性能是评价汽车在城市工况下的重要指标。在该工况下，排气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)作用比较明显。因此通过选择合适的VVT角度可以优化发动机在该区域的性能，使汽车燃油经济性和排放性得到进一步优化［5］。

EGR 系统一般可通过内部EGR 和外部EGR两种方式来实现循环。内部EGR 实质是通过调节进、排气门重叠角来实现的，即增大进气门提前角开启和推迟排气门延迟角关闭或提高排气背压等方法来增加缸内的残余废气，参与下个循环的燃烧，从而实现EGR。外部EGR 就是通常所指的EGR，即将排气管中部分废气经外部管路引入进气管参与再燃烧，从而实现EGR［6－7］。就形式而言一般可分为机械式、电气式和电控式，其中电控式EGR 最具典型性，代表EGR 技术的发展方向。笔者着重介绍通过调整进排气VVT 来实现的内部EGR。

1 EGR 率的测量方法

EGR 率可根据空气中的CO2体积分数、进气管内的CO2体积分数，以及排气管内CO2的体积分数计算出来，由于在空气中的CO2含量非常低，往往可以忽略，因此公式可简化为:

式中:φyj(CO2)为进气管进气中CO2的体积分数;φyp(CO2)为排气管进气中CO2的体积分数，即EGR 率为进气管中CO2体积分数与排气管中CO2体积分数之比［8］。对汽油机而言，在设备允许条件下，该方法可以保证得到较高的测量精度。但是要通过同时测量进、排气的CO2体积分数来计算EGR 率，实际操作起来比较麻烦。另外，发动机的进、排气波动，缸内燃烧气体的压力，发动机转速以及进、排气管的形状等都会影响到实际EGR 率。即使计算出某一款发动机的最佳EGR 率，以及在该EGR 率下的进、排气VVT 角度，对同类型不同款式选取同样进、排气VVT 角度，其EGR 率也会发生变化，在原来款式发动机上是最佳VVT 角度的在另一款式发动机上则不一定是最佳的［9］。因此在实际应用中，主要通过将发动机的进、排气VVT 角度从最大到最小逐个进行扫描的方法，从中选取出最佳油耗和排放的VVT 角度［10］。

2 试验方法

笔者以B15 DVVT 发动机的VVT 选点为研究对象，通过对该发动机的VVT 选点以及选点前后发动机性能对比，从中分析出选择不同进排气VVT 角度时对发动机性能的影响。B15 DVVT 发动机的VVT 初始位置进气角度为26°，排气角度为－19°，试验时发动机转速从1 600 r/min 到3 200 r/min每隔400 r/min 为一个断点，负荷以充气效率15%、20%、30%为断点，VVT 角度以进气角度从26°到－14°，排气角度从－19°到21°每隔10°为一个断点进行扫描。表1 为转速为1 600 r/min、充气效率为30%时的试验结果。可以得出，在同一充气效率下，当进气VVT 从最大调到最小，排气VVT 从最小调到最大时，发动机燃油消耗率最大相差20 g/(kW·h)，从表1 也可以看出随着进排气重叠角增大(进气VVT 角度减小，排气VVT 角度增大)后，发动机的EGR 率增大，缸内燃烧最高压力和温度减小，爆震倾向减小，点火提前角逐渐增大。但是，随着EGR 率增大，缸内燃烧恶化，各缸的工作稳定性差，如继续增大EGR，则会引起发动机燃烧恶化，HC 排放升高，动力性急剧下降，如表1 所示。当进、排气门分别从26°和－19°变化到－14°和21°时，缸内工作均匀性由原来的1.1%左右增大到15%左右，此时发动机输出扭矩已经明显下降，燃油消耗明显升高。一般汽油机的EGR 率不超过20%，如果可以增强组织进气涡流，改善燃烧室内的燃烧速度的话，则可以适当增加EGR 率。

表1 转速为1 600 r/min 充气效率为30%左右的VVT 试验结果

3 VVT 选点方法

原来进、排气VVT 的角度分别为6°和11°，对应的比油耗为311 g/(kW·h)，而在整个扫描中比油耗最低点为进、排气角度分别是－4°和21°的点，对应的比油耗为302 g/(kW·h)，其次为进、排气角度为－14°、11°，－14°、1°和－4°、11°的3 个点。先选择进气VVT 的角度，如果选择最低油耗点则选－4°，比最低油耗点稍高的为－14°，综合考虑已经选择出的上一负荷的点(充气效率20%的点)的进气角度为16°，如果在30%充气效率点选进气VVT 角度为－14°，则VVT 从上一工况转到这一工况工作时VVT 角度要变化30°，该变化比较大，不利于发动机的工作稳定性，故选择－4°比选择－16°更有利于发动机工作的平稳性。再选择排气VVT 角度，当选定进气VVT 角度后，比油耗比较低的排气VVT 的角度只有21°和11°两个点。考虑到上一个负荷排气VVT 的角度选择为－9°，如果选择21°为现工况的排气VVT 角度，则从上一工况到这一工况变化过大，故选11°为现工况排气VVT 角度。经过调整所选择的进、排气VVT 角度如表2 ～表5 所示。

表2 进气VVT 调整前进气VVT 初步选点和扫描后选点对比 (°)

表3 进气VVT 调整后进气VVT 初步选点和扫描后选点对比 (°)

表4 排气VVT 调整前排气VVT 初步选点和扫描后选点对比 (°)

表5 排气VVT 调整后排气VVT 初步选点和扫描后选点对比 (°)

4 VVT 选点前后对比试验

通过对比扫描前后的进、排VVT 角度选择可以看出，在低负荷区扫描前后的进气VVT 角度基本没有变化，仅在1 600 r/min 和2 000 r/min 的30%和40% 充气效率下比原来减小了10°，在2 800 r/min的20%充气效率下比原来增大了10°和40%、50%充气效率比原来减小了10°。而排气VVT 角度则比优化前增大了10° ～30°(如表6所示)。进、排气的重叠角也比优化前增大了10°～30°(如表7 所示)，从而增加了EGR 率。当对进、排气的VVT 角度进行调整后再绘制发动机的万有特性图，并与没调整VVT 角度的万有特性图进行比较，可以看出经过调整后在低速低负荷区发动机的油耗普遍比原来下降了5 g/(kW·h)左右，如图1 所示。

图1 VVT 调整后减去调整前万有特性

表6 调整前后排气VVT 角度差 (°)

表7 调整前后气门重叠角度差 (°)

5 结论

VVT 技术不仅可以通过选择合适的VVT 角度，特别是在低速中低负荷区的VVT 角度，还可以在一定程度上通过降低发动机的燃油消耗率，提高发动机的经济性。特别是在对汽车燃油消耗率和尾气排放要求日益严格的今天，这种降低显得特别重要。

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