DVVT對掃氣影響的試驗研究

劉　　然　　盧維偉　　姜　　坤　　鄭建超　　郭　　凡（1-長城汽車股份有限公司技術中心　河北　保定　071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

·研究·開發·

DVVT對掃氣影響的試驗研究

劉然1，2盧維偉1，2姜坤1，2鄭建超1，2郭凡1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

基于一臺3.0 L排量的增壓直噴DVVT汽油機，在2000 r/min全負荷進行了VVT掃點試驗，對掃氣進行了研究，闡述了掃氣的基本原理以及基本配置。試驗結果表明：進氣VVT提前，可以增加掃氣效應，提高充氣效率，增加缸內充量；而進氣VVT在上止點開啟，排氣VVT滯后帶來的掃氣效應不明顯。

增壓直噴VVT掃氣

引言

從各大汽車廠家以及行業發展趨勢來看，缸內直噴、雙VVT以及廢氣渦輪增壓器技術基本成為汽油發動機開發設計的標配。但是廢氣渦輪增壓器卻有低速段增壓不足，導致進氣量不夠，無法進一步提升低速性能的弊端。因此，在此基礎上進一步提升低速動力性及掃氣功能是非常有效的方法。資料顯示，自2005年起，國外汽車廠商陸續開發了增壓直噴汽油發動機的掃氣功能，進一步改善發動機的低速扭矩，提高車輛的加速性能[1]。

目前國內關于掃氣的研究更多的是對于超級爆震的研究[2]，因此本文重點研究了進排氣VVT在低速大負荷對掃氣效應的影響。

1　掃氣的基本原理和配置

1.1掃氣的基本原理

掃氣是在低速大負荷工況下，通過調整進、排氣門開啟關閉時刻，形成進氣門提前開啟，排氣門推遲關閉的特定時間窗口，然后借助增壓使進氣壓力高于排氣壓力，利用新鮮空氣最大程度地將缸內殘余廢氣掃到排氣歧管，缸內廢氣含量大幅降低，同時也降低了缸內溫度，增加缸內充量，進而混合氣增加，另外在一定程度上降低了泵氣損失，如圖1所示[3]。

燃燒結束后，在排氣過程中，活塞上行排出燃燒廢氣，其中包含未燃產物（CO、HC），然后使其在排氣總管中與掃出的新鮮空氣混合發生后氧化反應，為渦輪增壓提供額外的能量[4]，從而提高增壓壓力，可以較好地改善進氣流量，增加發動機的充氣效率，進而提升低速大負荷下的性能。

1.2掃氣的基本配置

基于掃氣的基本原理，可以得出發生掃氣的必要條件是發動機存在氣門重疊角且進氣壓力大于排氣壓力。對于直噴汽油機來說，滿足掃氣的必須配置主要包含增壓器、缸內直噴、DVVT。

1）滿足進氣壓力大于排氣壓力，必須要匹配增壓器，同時結合適當的進、排氣通道設計，能夠靈活控制進氣壓力。

2）傳統進氣道噴射汽油機由于是在進氣道或者進氣歧管噴油，進入缸內的是燃油和空氣的混合氣，那么在掃氣過程中，將有可能將混合氣掃至排氣歧管，反而對該區域的經濟性以及排放產生負面效果，甚至造成催化器溫度過高等現象。因此，利用掃氣策略是增壓缸內直噴汽油機的獨特優勢。

3）DVVT技術可以靈活地調節氣門正時，選擇合適的進、排氣VVT組成的氣門重疊角，同時結合增壓器，滿足進氣壓力大于排氣壓力，保證一定的氣門重疊持續期[5]，才能保證較優的掃氣效果。

圖1　掃氣示意圖

2　試驗背景

2．1發動機參數

本文以一款3.0 L增壓直噴DVVT汽油機作為試驗發動機，技術參數見表1。本文中以480 N·m、2000 r/min為工況點來研究進排氣VVT對掃氣效應的影響。

2．2試驗設備

試驗裝置主要包括AVL電力測功機、燃燒分析儀、空燃比分析儀、缸內直噴增壓發動機及電控系統、進排氣瞬態壓力傳感器等。試驗裝置的具體布置情況見圖2所示。

2．3試驗內容

表1　發動機主要技術參數

圖2　臺架測試系統布局

針對工況點進行VVT掃點的試驗設計，確定了進氣VVT為0°CA、-10°CA、-20°CA和排氣VVT 為-9°CA、1°CA、8°CA的正交組合試驗[5]，其中VVT角度以0.5mm升程來定義，正值是在換氣上止點之后，負值則在換氣上止點之前。

另外需要強調的一點是此試驗中并沒有選取隨著進氣VVT提前，性能也隨之提升的試驗設計，這是因為在沒有氣門重疊角的前期下，進氣VVT提前，是利用進氣慣性的原理增加了缸內充量，并非掃氣致使性能提升[6]。

3　試驗結果分析

從試驗結果來看，試驗設計的VVT組合均可以達到480N·m扭矩要求，下文中將針對進氣VVT提前以及排氣VVT滯后兩個方向對掃氣進行研究。

3.1進氣VVT提前的掃氣效果

選取排氣VVT為1°CA，進氣VVT為0°CA、-10°CA，-20°CA的試驗數據，三組數據的0.5mm氣門重疊角分別為1°CA、11°CA、21°CA，通過采集的缸壓曲線、進排氣瞬態壓力曲線作圖來進行分析，具體結果如圖3～圖5所示。

進、排氣VVT和進、排氣壓力的封閉面積可以表征掃氣效應的大小，從圖3、4、5中可以看出，隨著進氣VVT提前，掃氣面積逐漸增大。

在排氣門關閉后，隨著進氣VVT提前，掃氣程度增加，進氣沖程的整體缸壓曲線也隨之提高，這是因為缸內殘余廢氣降低，缸內充量增大，活塞下行過程中壓力就會增加，與圖3、4、5中的表現吻合。在進氣沖程30°CA附近的缸壓曲線隨著進氣VVT的提前而增加，這就是充氣效率也會隨之增大的根本原因，見圖6。

圖3　進氣0°CA和排氣1°CA的壓力變化

圖4　進氣-10°CA和排氣1°CA的壓力變化

圖5　進氣-20°CA和排氣1°CA的壓力變化

隨著進氣VVT的提前，泵氣損失降低，見圖7。其原因是開啟初期氣門上升比較緩慢，截面圖11 AI50對通過面積小，以及進氣氣流的加速需要一段時間等慣性的影響[6]，就會出現進氣VVT提前，缸內真空度降低，進氣量增加的現象，勢必會降低進氣壓力，排氣損失減小，排氣壓力降低，進而降低泵氣損失，同時這也使進氣VVT提前，進排氣壓力也會隨之降低，見圖3、4、5、8。

圖6　進氣VVT 對充氣效率的影響

三組數據進氣壓力均大于排氣壓力，如果進氣VVT提前過多，那么就會出現缸內壓力高于缸外背壓的情況下，進、排氣慣性沒有得到充分利用，進而增大泵氣損失，甚至還會造成燃燒不穩定等現象，因此需要合理選擇進氣VVT，并非一味提前就好。另外，如果將進氣壓力進一步提高，進氣VVT提前，掃氣程度增大，扭矩將會進一步提升。

圖7　進氣VVT對泵氣損失的影響

圖8　進氣VVT對排氣壓力的影響

3.2排氣VVT滯后的掃氣效果

選取進氣VVT為0°CA，排氣VVT為-9°CA、1° CA、8°CA的試驗數據，三組數據的0.5mm氣門重疊角分別為-9°CA、1°CA、8°CA，通過采取的缸壓曲線、進排氣瞬態壓力曲線作圖來進行分析，具體結果如圖9～圖11所示。

在換氣上止點時刻，缸內壓力隨著排氣VVT滯后而降低，這是因為排氣VVT為-9°CA關閉時，進氣門未打開，缸內仍殘留廢氣，活塞上行，缸內壓力反而出現升高現象。而排氣VVT為1°CA、8°CA則在上止點后關閉，是利用廢氣外流運動速度的慣性，也就是在缸內壓力接近排氣門背壓時關閉，增加排氣功效，合適的排氣VVT能夠降低換氣過程中的排氣壓力，在一定程度上能夠加強掃氣面積。另外排氣氣流的引射作用，一定程度上也會降低缸內進氣門附近的靜壓力[7]。

從圖10中也可以看出在沒有氣門重疊角的情況下，是不會出現掃氣現象的。隨著氣門重疊角加大，掃氣面積增加，但是表征掃氣程度的充氣效率并沒用明顯變化，見圖12。這是因為進氣VVT為0°CA，在換氣上止點開啟，導致了充氣效率變化不明顯。此外，相關文獻表明，配置DVVT系統需要提供足夠的進氣提前相位角度，更容易出現掃氣現象，且掃氣效果明顯加強[8]。

圖9　進氣0°CA和排氣-9°CA的壓力變化

圖10　進氣0°CA和排氣1°CA的壓力變化

圖11　進氣0°CA和排氣8°CA的壓力變化

圖12　排氣VVT對充氣效率的影響

4　結論

1）在不增加硬件成本的情況下，可以通過VVT調節，實現掃氣功能。掃氣產生需要在合適的氣門重疊角，且進氣壓力大于排氣壓力，才能提高充氣效率，增加缸內充量。對于直噴機型來說必須要配備增壓器以及雙可變氣門正時機構才能實現較好的掃氣效果[2]。

2）進氣VVT提前，掃氣效果明顯增加，充氣效率提高，缸內充量增加，一定程度上降低了泵氣損失；但沒有匹配合適的進氣VVT情況下，排氣VVT滯后，掃氣效果表現不明顯。也就是說需要匹配合適的進排氣VVT，在特定的氣門重疊角，才能實現高效的掃氣功能。

3）VVT開度對掃氣影響的試驗研究過程中，發現排放惡化，催化器溫度過高等問題，將作為后續研究方向。另外針對掃氣功能的控制策略，精確地進行空燃比等控制也是當前重點的研究方向。

1Hiroyuki Ichikawa，Nakada N，Yajima J．The new highperformance V6 gasoline turbocharged engine from NISSAN [C]．SAEPaper 2009－01－1067

2滕勤，張赟赟，張健．直噴增壓汽油機掃氣功能作用機理及應用研究[J]．內燃機與動力裝置，2014（2）：5～9

3T.Leroy，G.Alix，J.Chauvin，etal.Modeling fresh charge and residual gas fraction on a dual independent variable valve timing SIengine[C]．SAEPaper2008－01－0983

4Fischer T H，Sellnau M，Pfeiffer J，et al．Development and optimization of intermediate lock position camshaft phaser system[R]．SAEPaper2010－01－1192

5Schmid A，GrillM，Berner H，etal．Simulation of the postoxidation in turbo charged SI－DI－Engines[R]．SAE Paper 2011－01－0373

6肖廣飛，張弘，尹琪，等．車用汽油機可變氣門定時技術作用機理及應用策略[J]．車用發動機，2011（6）：1～6

7周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，2012

8SchwarzC，E．Schunemann，DurstB，etal．Potentialsof the spray－guided BMW[C]．SAEPaper 2006－01－1265

Research on Scavenging Effectw ith D-VVT Experiment

Liu Ran1，2，LuW eiwei1，2，Jiang Kun1，2，Zheng Jianchao1，2，Guo Fan1，2
1-TechnicalCenter，GreatWallMotor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）

This paper researches scavenging using a 3.0 L gasoline engine with direct injection and turbochargingon full load of2000 r/min，summarizesbasic principleofscavenging and basic configuration．Results show that advance of camshaft angle inlet valve opened can increase scavenging effect，charging efficiency and mass flow in cylinder；delay in camshaft angle inlet valve closed has no obvious effect on scavenging，with camshaftangle inletvalveopeningatTDC。

ICengine，VVT，Scavenging

TK427

A

2095-8234（2015）01-0001-05

劉然（1987-），男，本科生，主要研究方向為發動機性能開發以及臺架標定。

（2014-11-29）