VVT對發動機性能影響的試驗研究

馬少康 喬佳偉 王義夫 梁濤 喬闖

（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

VVT對發動機性能影響的試驗研究

馬少康1，2喬佳偉1，2王義夫1，2梁濤1，2喬闖1，2

（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

研究了VVT對發動機充量系數、燃燒、動力性和排放的影響。試驗結果表明：充量系數隨著氣門重疊角的增大而增大，缸內氣流運動影響最佳燃燒對應的氣門重疊角，進氣VVT主要影響發動機的動力性，合適的進氣VVT能夠使扭矩提高11.6%，而排氣VVT則影響發動機的排放，隨著排氣VVT的提前，NOx下降36%。

VVT掃氣充量系數燃燒排放

引言

傳統的配氣機構不能夠根據發動機不同的轉速進行合理的匹配，其最優工作范圍較窄，已不能滿足日益緊張的資源供給和嚴格的排放法規。而可變氣門控制正時系統（VVT），由于可以根據不同的工況輸出不同的進排氣VVT，保持氣門持續時間不變，改變進排氣的開啟時刻，從而改變缸內充氣，改善燃燒，減小泵氣損失[1~3]。因此能夠兼顧怠速的穩定性與全負荷的動力性，在中低轉速范圍內優化相應的進排氣VVT角度，能夠實現動力性與經濟性的最佳匹配，同時缸內混合氣狀態在不同的氣門重疊角下，對于改善排放也有著重要影響[4，5]。隨著電子技術與計算機技術的迅猛發展，VVT技術也受到越來越廣泛的應用與關注。

雖然VVT相對傳統的配氣機構有著很大的優勢，但是由于其進排氣凸輪軸只能實現開閉的提前與推遲，以致凸輪型線設計時所考慮的最佳配氣正時的轉速之外的每個轉速仍然不是該轉速下的最佳配氣正時，導致了發動機性能改善、節能減排效果受限[6，7]，而在發動機最佳正時匹配，要求在每一個轉速下都能獲得最佳的動力性、經濟性以及排放性，因此VVT在各個工況下的匹配對于發動機的性能至關重要。基于此，本文在1500 r/min工況下，通過改變進排氣從而改變氣門重疊角來研究發動機充氣、燃燒、動力性和排放的變化，為VVT在全工況的匹配提供依據。

1 試驗設備與試驗方案

1.1 試驗設備

試驗在一款4缸16氣門電控直噴汽油機上進行，發動機的參數如表1所示，試驗設備包含自主開發電控系統、電渦流測功機、燃燒分析儀、控制柜、油耗儀、排氣分析儀、線性氧傳感器、進排氣歧管溫度壓力等。試驗中利用ECU進行燃燒系統的控制以及數據的采集，試驗過程中嚴格控制機油溫度為95℃，水溫為98℃，進氣溫度為25℃。

1.2 試驗方案

在1500 r/min轉速下，將進排氣VVT調整至（0，0），調整節氣門至發動機扭矩250 N·m。固定排氣VVT為0°CA，調整進氣VVT，以5°CA為步長，調整區間為（-20，20）同時測量數據，數據分析時記IVC（Intake VVT Change）。固定進氣VVT，調整排氣VVT，以5°CA為步長，調整區間為（-20，20）同時測量數據，數據分析時記EVC（Exaust VVT Change）。如圖1所示。

表1 汽油機主要技術參數

圖1 進排氣VVT示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 VVT對充氣效率的影響

在進氣過程中，隨著進氣VVT的早開和排氣VVT的遲閉，會出現一段氣門疊開的時期。在疊開期間，氣體由進氣門進入氣缸，直接由排氣門排出，不參與缸內燃燒。該現象稱之為“掃氣”。如圖2所示，掃氣率（IVC）和掃氣率（EVC）的趨勢一致，隨著氣門重疊角的增大而增大。隨著掃氣的增強，充量系數也隨之增大，在掃氣最強的氣門重疊處，最大的充量系數能夠達到1.16。掃氣一方面能夠降低缸內溫度，降低爆震趨勢，同時減小充氣時氣體的加熱，減小氣體膨脹，增大充氣系數。而充氣效率（IVC）隨著進氣早開而呈現出增大的趨勢，這是進氣節流損失隨著進氣VVT的提前而呈現出下降的趨勢。

2.2 VVT對燃燒的影響

平均指示壓力變動系數（COV）可用來表征缸內燃燒穩定性狀況。

圖2VVT對充氣的影響

其中：σpmi是平均指示壓力的標準偏差，pmi是壓力的平均值。N為循環數。

隨著氣門重疊角的增大，COV（IVC）和COV（EVC）基本上都在3以內，燃燒持續期呈現出下降的趨勢，說明整體上缸內燃燒比較理想。在氣門重疊角為（-5，5）的區間內，COV（IVC）最低，在氣門重疊角為0°時，COV（IVC）為1.23。而在該位置，其燃燒持續期也最短，為19.8°CA。同時缸內爆發壓力也達到最大，達到6.18 MPa。如圖3、4所示。

圖3 VVT對燃燒的影響

圖4 VVT對Pmax的影響

在氣門重疊角為-5°CA之前，燃燒持續期（IVC）較長，而在-5°CA以后，該持續期較短。缸內爆發壓力的變化基本上與此一致。導致這種現象的原因是轉速較低時，進氣氣流流速較低，流動慣性小，此時如果進氣門過早開啟，而活塞還處于上行排氣，缸內氣壓與缸外氣壓差別不大，容易發生新鮮空氣被擠出氣缸的現象，使進氣量減少，從而使發動機工作不穩定。而推遲進氣門開啟時刻，可以提高進氣速度，，加強進氣渦流，使混合氣體獲得更好的均質性，可以提高燃燒速率和燃燒更充分，獲得較高的循環效率。因此發動機轉速較低時，應減小進氣門的提前角。

2.3 VVT對動力性和排放的影響

如圖5所示，在整個氣門重疊角變化區間內，扭矩（IVC）呈現出先增大后減小的趨勢，在氣門重疊角為0°CA時，扭矩達到最大值254.2N·m，較-20°CA時大29.2N·m，這與混合氣的燃燒狀態表現一致。而隨著排氣VVT的滯后，其扭矩變化不大。

圖5 VVT對扭矩的影響

如圖6所示，隨著氣門重疊角的增大，由進氣VVT和排氣VVT變化引起的THC排放基本上均呈現出增大的趨勢。當氣門重疊角為-20°CA時，THC基本上在1400×10-6左右，而在20°CA時，基本上在2200×10-6左右。有研究表明[8]，THC排放隨著氣門重疊角的增大而呈現出減小的趨勢，該理論及試驗的得出是基于發動機在中低速小負荷的基礎上，進氣時由于歧管壓力為負壓，缸內殘余氣體在活塞的上行中被壓入進氣歧管，未燃氣體參與下一循環的燃燒，從而降低THC排放。而在該試驗中的工況，歧管壓力均在0.14 MPa以上，大于排氣結束時的缸內壓力，因此在掃氣效應下，未燃氣體排出缸外，在催化器處二次燃燒，導致THC排放升高，而催化器中心溫度上升，如圖7、8所示。

圖6 VVT對排放的影響

圖7 排氣與催中溫度

圖8 歧管壓力變化趨勢

NOx（IVC）與NOx（EVC）隨著氣門重疊角的增大而呈現出下降趨勢。但由圖7可以看到，NOx（IVC）下降緩慢，而NOx（EVC）下降較快，最大可降低36%。這是因為一方面由于氣門重疊角的增大，掃氣效應增加，降低缸內溫度，不利于NOx（的產生；另一方面隨著排氣門關閉的滯后，通過惰性氣體稀釋新鮮空氣以增大稀釋效應來降低NOx的產生。因此NOx（IVC）下降較NOx（EVC）緩慢。

3 結論

通過本次試驗，可以得出以下結論：

1）掃氣率隨著氣門重疊角的增大而增大，由于掃氣降低缸內溫度，從而使充量系數增大。受缸內氣體運動狀態的影響，缸內混合氣并未隨著充量系數的增大而燃燒得更為理想。

2）進氣VVT主要影響發動機的動力性，隨著進氣VVT的提前，發動機的扭矩提升11.6%。受缸內氣體燃燒的影響，扭矩最大值并未在氣門重疊角最大處，排氣VVT主要影響發動機的排放，在氣門重疊角最大處，NOx的排放減少36%。

1劉亞奇，高定偉，王春波．增壓直噴汽油機配氣相位確定方法的研究[J].車用發動機，2012（4）：29～34

2劉國軍，段景輝，楊金鵬，等.雙VVT開度對GDI增壓發動機性能的影響[J].小型內燃機與摩托車，2013，42（2）：18～23

3晏雙鶴，盛鵬程，王菲，等.DVVT對缸內直噴增壓發動機性能影響的試驗研究[J].車用發動機，2012（2）：66～69

4李立軍，張力.采用VVT技術的汽油機控制策略的研究[J].汽車工程學報，2011，1（3）：198～203

5孫玉亮.可變配氣系統對汽油機動力性及燃油經濟性能影響的研究[D].天津：天津大學，2008

6蘇巖,李理光，肖敏，等.可變配氣相位對發動機性能的影響[J].汽車技術，2000（10）：24～29

7張桐山.基于可變氣門正時技術的汽油機排放性能研究[D].天津：天津大學，2008

8王國棟，袁觀練，黃榮輝，等.低速中低負荷下VVT對汽油機燃油經濟性的影響[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2013，35（2）：215～218，261

Experimental Study on Engine Performance with VVT Strategy

Ma Shaokang1，2，Qiao Jiawei1，2，Wang Yifu1，2，Liang Tao1，2，Qiao Chuang1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

The Influence of VVT on volumetric efficiency，combustion，power and emission were studied. The results show that volumetric efficiency increased with the valve overlap angle enhanced.The best combustion was effected by the state of dynamic mixture.Power performance was major influenced by intake VVT，torque was improved by 11.6%with appropriate intake VVT；emission performance was effected by exhaust VVT，NOxwas decreased by 26%with the exhaust VVT postponed.

VVT，Scavenging，Volumetric efficiency，Combustion，Emission

TK411

A

2095-8234（2014）06-0017-04

2014-09-09）

馬少康（1984-），男，碩士，主要從事發動機電控、燃燒系統的研究開發。