VVT对GDI发动机中等负荷燃烧及排放的影响

张龙平 刘义强 孙建军 陈培梦 陈 成 薛 川

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

随着国内外对汽车油耗和排放法规的日益严苛，越来越多的汽油机新技术被不断应用于市场，其中增压直喷汽油机由于具有良好的动力性、燃油经济性和排放性能已被越来越多的学者所重视，也成为了各大车企应对新一轮排放法规的主流研发方向[1-5]。但在不同转速和负荷下，发动机都有各自最佳的配气相位，因此在增压直喷汽油机上配备进排气可变气门正时（Double Variable Valve Timing VVT）技术，也成为行业研究及应用的必备技术方向[6-9]。研究表明：进排气VVT 的适当调节，能降低泵气损失，合适的气门重叠角能有效地控制缸内的EGR，有利于燃烧过程，改善燃油经济性及排放[10-17]。

目前，国内外学者对VVT 技术的研究主要集中在减小泵气损失、提高燃油经济性，而利用VVT 技术改善燃烧过程，尤其是控制颗粒物排放的研究鲜有报道。众所周知，喷油及燃烧系统是控制颗粒物排放的主要手段，但随着颗粒物排放法规的不断加严，现有技术都不足以使裸机的颗粒物排放满足排放要求，需要继续寻求降低颗粒物排放的技术。因此，本文拟探究VVT 技术对燃烧过程、气体及颗粒物排放的影响规律，以充分挖掘该技术在节能减排方面的潜力。

1 测控系统及试验方案

1.1 台架测控系统

试验所用发动机为一台1.5L 增压直喷汽油机，其主要参数见表1，试验测试平台见图1。试验采用AVL 电力测功机对发动机试验工况进行测试及控制，火花塞式的Kistler 缸压传感器采集缸内压力，示功图和放热率等参数的采集分析由Kibox 燃烧分析仪完成，利用ETAS 的空燃比仪进行空燃比测量，HORIBA/ MEXA7200E 和 Cambustion 公 司 的DMS500 分别对气体排放和颗粒物排放进行测试分析，INCA 系统和开发ECU 对发动机测试工况点进行控制参数调整，主要试验测试设备见表2。

表1 汽油机主要技术参数

表2 试验测量设备

图1 发动机测控系统示意图

1.2 试验方案

发动机所配置的是双VVT，即进气门可以提前开启，排气门可以延后关闭，如图2 所示：进气VVT（VVTin）和排气VVT（VVTex）初始位置所对应的曲轴转角分别为，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 移动过程中会有进排气门的重叠，如图3 所示。本次研究的工况点选择了在车上使用权重最大的点（转速为2 000 r/min、平均有效压力为0.7MPa）进行研究。在该工况点，采用当量空燃比控制，固定其他控制参数（如点火角、喷油定时、喷油压力、空燃比）保持不变（见表3），通过INCA 系统对进/排气VVT进行调节，调节步长为10°CA。定义：VVT 往排气上止点前移动为正，反之为负，因此，进气VVT 提前为“+”，排气VVT 延后移动为“-”。

试验条件控制：试验过程中进气温度控制在（25±2）℃，中冷器出口温度（35±2）℃，燃油温度（25±2）℃，冷却水温度和机油温度都控制在（90±2）℃。

2 试验结果与讨论

2.1 VVT 技术对燃烧过程的影响

如图4 所示，随着VVTin 的提前，燃烧滞燃期和持续期增大，燃烧重心（CA50）随之延后，最大缸内压力、最大放热率降低，其对应的曲轴转角也出现不同程度的延后。随着VVTex 的延后滞燃期和燃烧持续期也略有增大，CA50 略有延后，缸内压力和放热率轻微减小，可以看出VVTin 的提前对缸内燃烧过程的影响更加明显，VVTin 从0°CA 提前到50°CA，滞燃期和持续期分别增大11.6°CA 和10.1°CA，CA50延后14.4°CA。

随着VVTin 提前或VVTex 延后，气门重叠角呈线性增大（如图3 所示），这可能将导致废气回流量增加。因此在其他边界控制条件保持不变的情况下，导致燃烧参数变化的主要原因是由于VVT 变化造成内部EGR 量变化，从而影响了燃烧过程。从图5～8可以看出，随着VVTin 的提前或VVTex 的延后，节气门开度和进气歧管压力增大但是发动机的充气效率反而降低，间接证明了内部EGR 随VVTin 的提前或VVTex 的延后而增加，且随VVTin 提前的变化更加剧烈。

内部EGR 对燃烧过程的影响主要表现在两方面：一方面由于内部EGR 的温度高于新鲜充量，因此有利于燃油的蒸发过程，即能改善油气混合的物理过程；另一方面，内部EGR 的主要成分为惰性气体（CO2和高温水蒸气），会稀释新鲜充量的氧浓度，降低汽油分子和氧气分子的碰撞几率，抑制了油气化学反应过程，造成启燃速率慢、燃烧速率降低，其中后者对燃烧过程的影响起主导作用，从而使上述燃烧过程表现为滞燃期和燃烧持效期增大、CA50 延后，放热率曲线和缸压曲线降低且更加平缓（见图6）。

燃油消耗率BSFC 随VVTin 提前或VVTex 延后都呈先减小后增大的趋势，且随VVTin 提前的变化程度更大（如图7 所示）。油耗率随VVT 变化降低的原因主要包括两个方面：一方面，为了保证相同的工况（IMEP=0.7 MPa），随着VVTin 提前或VVTex 延后，节气门开度从原来的16.5%增大到18.8%，进气歧管压力随之增大，泵气损失（PMEP）降低（见图8），从而使得燃油消耗率降低；另一方面则是缸内废气量适当增加有利于降低燃烧温度，降低传热损失，燃油消耗率最大降低5.8%（VVTin 提前40°CA）。而随着VVTin 的进一步提前（VVTin=50°CA），会使倒流的废气量增加过大，造成燃烧相位过于延后（如图4 所示的CA50 和燃烧持续期增大），燃烧质量下降（如图9 所示，燃烧循环波动增加）。随着VVTex 逐渐延后BSFC 增大的主要原因是，VVTex 延后会造成自由排气过程缩短、强制排气过程增加，造成泵气损失（PMEP）增加。

2.2 VVT 技术对排放的影响

VVT 对气体排放的影响如图10 所示，随着VVTin 提前或VVTex 的延后，THC、CO 以及NOx排放都呈降低趋势，且随VVTin 的变化更加敏感。HC产生的主要因素包括：狭缝效应、润滑油膜吸附及壁面淬熄等，由前文分析可知，随着VVTin 的提前或VVTex 的延后内部EGR 会逐渐增加，造成进气和压缩过程缸内充量的温度升高，将促进燃油的蒸发过程，有利于油气的混合。此外，内部EGR 还使滞燃期和燃烧速率降低即整个燃烧过程变缓，使得狭缝中的混合气以及被润滑油膜吸附的油气都有更长的时间解析出来参与燃烧，从而使得HC 排放随VVTin的提前或VVTex 的延后而降低。

CO 的排放量主要取决于混合气的空燃比，但CO 排放仍随VVTin 的提前或VVTex 延后有降低趋势，这是因为VVTin 的提前或VVTex 的延后使得整个燃烧过程变缓，油气的混合时间更长，使得油气混合的质量提高。此外，更长的燃烧持续期也能使得已生成的CO 继续参与反应，因此使得CO 排放降低。“高温富氧”是生成NOx排放的主要条件，NOx排放随VVTin 提前或VVTex 延后降低的主要原因包括：内部EGR 增大将导致缸内工质的比热容增加，造成燃烧温度降低，将抑制NOx的生成；虽然是当量燃烧控制，但缸内废气量的增大会减小氧气分压力和氧浓度也将抑制NOx的合成反应。除此之外，燃烧速率降低，同样会降低最高燃烧温度，降低NOx排放。

图11 所示为发动机颗粒物粒径尺寸分布随VVT 变化的规律，可以看出微粒主要以小粒径的核态微粒为主，粒径在5nm 左右，且随着VVTin 提前或VVTex 的延后核态和积聚态微粒数都呈现不同程度的降低趋势，且随VVTin 提前积聚态的粒径有减小趋势（见图12）。图13 和14 分别示出了核态和积聚态微粒的中位直径（中位直径（count median diameter，CMD）是累积百分比为50%时所对应的粒子直径）、中位直径数目以及质量浓度规律，3 个参数随VVTin提前或VVTex 延后也呈现逐渐减小的趋势。积聚态中位粒径随VVTin 提前降低明显，从91.4 nm 减小到64.1 nm，核态中位粒径变化不明显。

造成上述粒径分布和规律的原因主要包括三方面：

1）由前文分析，随VVTin 提前或VVTex 延后，内部EGR 增加导致缸内初期的工质温度提高，使燃油的蒸发过程能够得到一定的改善有利于油气的混合过程；

2）滞燃期延长为油气的均匀混合提供了更为充分的时间维度；

3）更长的燃烧持续期也可以使产生的微粒在燃烧后期得到进一步的氧化，使微粒的粒径、数量和质量都得到不同程度的抑制。

3 结论

在常用的中等负荷工况，随着进气VVT 提前或排气VVT 延后：

1）气门重叠角增大和内部EGR 增加，燃烧滞燃期和持续期增大，燃烧重心（CA50）延后，最大缸内压力、最大放热率降低。

2）发动机的充气效率和泵气损失降低，THC、CO以及NOx排放都呈降低趋势，燃油消耗率下降，最大降低5.8%。

3）核态和积聚态颗粒数目和质量浓度呈不同程度的降低趋势，积聚态中位粒径从91.4 nm 降低到61.4 nm。微粒排放主要以小粒径的核态微粒为主。

4）相比于排气VVT，进气VVT 对燃烧过程、燃油经济性及排放的影响更加明显。