掃氣對直噴增壓汽油機性能影響的試驗研究

劉青林，錢海青，張香月，武煌

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

掃氣對直噴增壓汽油機性能影響的試驗研究

劉青林，錢海青，張香月，武煌

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

研究在中低轉速大負荷區域，不同氣門重疊角形成的掃氣對直噴增壓汽油機充氣效率、燃燒及排放性能的影響，在中低轉速大負荷增壓器裕度較小的區域，利用掃氣可以有效提高發動機的充氣效率和動力性，掃氣越強，動力性提升越大，同時還能降低缸內的燃燒溫度，減小爆震和超級爆震的傾向，但容易造成催化中排溫的升高以及THC排放的惡化，重疊角大小還是需要綜合均衡進行選擇。

掃氣；氣門重疊角；直噴增壓

CLC NO.:U461.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-133-03

引言

缸內直噴汽油機通過將汽油直接噴入缸內，汽油在缸內蒸發吸熱，有助于降低混合氣溫度，降低爆震傾向，提升燃油經濟性，再配合增壓技術，能夠進一步提升動力性，所以缸內直噴增壓汽油機已成為汽油機研發的主流。

低轉大負荷區域由于燃燒過程較長，熱負荷較大，導致增壓發動機發生爆震的傾向會更大，而匹配可變氣門正時技術，在低速大負荷區域由于進氣壓力大于排氣壓力，再通過可變氣門正時，增大進排氣門的重疊角，利用進氣掃除缸內殘余的廢氣，降低缸內溫度，達到抑制爆震的效果，并且可以利用掃氣的能量進一步增加渦輪機的能量，提升充氣效率和動力性。

本文臺架上研究不同重疊角形成的掃氣對直噴增壓發動機性能的影響，包括充氣效率、燃燒及排放性能。

1 試驗裝置及內容

1.1 試驗裝置

本文研究所用的試驗臺架主要包括PUMA測功機臺架、發動機、電控系統、燃燒分析儀、控制柜、油耗儀、排氣分析儀、線性氧傳感器、數據采集電腦等，試驗臺架布置圖如下圖1所示。

圖1 臺架布置圖

發動機采用缸內直噴增壓汽油機，配合可變氣門正時技術，具體參數如下表1所示：

表1 發動機參數表

其中進氣VVT可以調節的角度為0-50°，進氣往推遲關閉的方向調節，排氣VVT可以調節的角度為0-60°，排氣也往推遲關閉的方向調節。

1.2 試驗方案

掃氣需要的條件是進氣壓力要大于排氣壓力，所以一般也只用在中低轉速大負荷區域，一般在1000rpm-2000rpm區域，該區域本身增壓壓力不足，更需要用掃氣提升增壓器的能量，進而提升增壓壓力。

選取轉速1500rpm的外特性區域，節氣門和增壓器全開，進氣VVT從0°鎖止位置開始，按照10°的步長進行調節，最大到50°；排氣氣門正時從0°位置開始，按照12°的步長進行調節，最大到60°，過程中調節點火角在最佳點火角位置或者爆震臨界點，空燃比都固定為理論空燃比-14.6，中冷后溫度及機油溫度等試驗邊界保持一致，分析研究不同氣門正時及重疊角下，發動機性能的變化情況。

2 試驗結果與分析

試驗中每次測試保證是在同樣的邊界條件下，主要包括中冷后進氣溫度、油溫、水溫等。

2.1 不同程度掃氣對動力性性能的影響

固定轉速和邊界后，通過調整VVT的角度，可以得出不同的進排氣角度下的動力性性能。

不同VVT角度組合下，進氣壓力的分布圖如上圖2所示。該項目采用的是進氣晚關的形式，即壓縮行程開始時進氣門仍處于“開啟”狀態，導致缸內的氣體被“推出”，從而影響進氣壓力。從圖中可以看出，進氣VVT的開度對進氣壓力的影響程度特別大，VVT角度從0開啟到最大，進氣壓力從190kpa降低到110kpa，排氣VVT角度從0開啟到最大，進氣壓力150kpa提升到190kpa。

圖2 不同VVT角度下進氣壓力分布

掃氣是通過重疊角來實現，增大重疊角需要排氣角度開大，進氣角度開小，有重疊角的區域如圖中標注的“三角形”所示，氣門重疊角增大，掃氣越強，進氣壓力隨之增大。

圖3 不同VVT角度下扭矩分布

不同VVT角度下扭矩的分布如上圖3所示，從圖中可以看出，扭矩的分布同進氣壓力的分布基本一致，進氣VVT晚關會導致扭矩急劇下降，有重疊角的區域，排氣VVT開啟角度越大，掃氣程度越大，扭矩越大。

在低轉速大負荷這種進氣壓力遠大于排氣壓力的區域，通過增加氣門重疊角實現掃氣，進而提升增壓器壓氣機的能量，增加進氣量，提升動力性。

2.2 不同程度掃氣對燃燒性能的影響

掃氣會將缸內的新鮮空氣掃出，對缸內溫度、缸內壓力、點火時刻、排氣溫度都有很大的影響。

該款發動機采用的是進氣晚關的阿特金森循環，試驗表明掃氣明顯的區域主要集中在進氣VVT角度開度較小的區域，為方便對比，選取進氣VVT在0位置，調節排氣VVT 從0°到60°進行試驗研究。

圖4 掃氣對排氣口溫度和進氣量的影響

從圖中可以看出隨著排氣VVT開啟角度的增加，發動機排氣口溫度的分布呈“拋物線”狀分布，進氣量呈三段不同斜率的直線分布。

1）0—10°階段重疊角太小，排氣VVT開度對進氣量影響較小，對排氣口溫度影響也較小；

2）10—30°階段，小掃氣區域，缸內的廢氣被更多的掃出，同時增壓器效率提高，進氣量增加導致熱負荷也相應的增加，排溫急劇上升；

3）30—60°階段，大掃氣區域，重疊角的增加持續給增壓器能量，進氣量持續增加，但過多的新鮮空氣從進氣門到缸內再從排氣門掃出，帶走過多的熱量，排氣口溫度開始下降，同時增壓器的效率降低，進氣量的增加速度平滑。

圖5 掃氣對渦前和催化中排溫影響

不同程度掃氣對渦前和催化中排溫的影響與進氣口排溫相比又不盡相同，如上圖5所示。

1）0-30°階段，與排氣口溫度的分布情況基本一致，隨著重疊角的加大排溫都越來越高

2）30-60°階段，掃氣程度越來越強，掃出去的新鮮空氣和殘余廢氣在渦輪處和催化中處匯集燃燒，掃氣越強越容易匯集在催化中處，導致催化中排溫超過渦前排溫。

圖6 掃氣對缸內壓力和點火角的影響

不同程度掃氣情況下，缸內壓力和點火角的變化如上圖6所示。

1）缸內燃燒壓力的分布與進氣量的變化趨勢基本一致，進氣量越大，負荷越大，缸內燃燒壓力越大；

2）點火時刻的變化隨著掃氣程度的增強，點火時刻越推遲。掃氣程度的增強一方面增加進氣量和負荷，導致爆震傾向增強，另一方面掃氣的增強會降低缸內溫度，所以綜合起來點火角的分布呈“斜線”狀分布。

2.3 不同程度掃氣對排放性能的影響

掃氣通過將新鮮空氣經過缸內后從排氣門掃出，帶出缸內的殘余廢氣和熱量，降低缸內的溫度，但由于掃出去部分新鮮空氣，排氣處氧傳感器檢測到的信號受到影響，如果排氣處氧傳感器信號檢測為理論空燃比，那實際缸內的混合氣就會偏濃很多，影響排放的性能，如下圖6所示。

圖6 掃氣對THC和NOX排放的影響

掃氣程度加強后降低缸內的溫度，NOX排放物降低，但掃出去的新鮮空氣影響氧傳感器的信號后導致缸內的混合氣偏濃，導致THC排放物嚴重升高。

3 試驗結論

通過試驗可以得出以下結論：

1）在進氣壓力遠大于排氣壓力這樣的低轉速大負荷區域，可以通過掃氣來提升增壓器的效率，增加進氣量，進而提升動力性，掃氣越強，動力性越強。

2）掃氣程度增強可以迅速降低缸內的溫度，從而可以降低爆震以及超級爆震的傾向，但同時掃氣加強會導致催化中排溫迅速升高，需要均衡。

3）掃出去的新鮮空氣中的氧氣會導致氧傳感器測得的信號與缸內的實際混合氣的空燃比不一致，掃氣越強會導致THC排放的急劇升高。

[1] 王建昕.高效車用汽油機的進步[ J] .內燃機學報,2008(增刊Ⅰ):83-89 .

[2] Bandel, Fraidl , Kapus, e t al.The Turbocharg ed GDIEngine :Boo sted Sy ner gie s for High Fuel Economy Plus Ult ra-low Emission [ C] .SAE Paper 2006-01-1266.

[3] Henning Kleeberg , Dean Tomazic, Oliver Lang , etal.Future Po tential and Develo pment Me tho ds for high Output Turbo charged Direct Injected Gasoline Eng ines[ C] .SAE Paper 2006-01-0046.

[4] Coltman , Turner , Curtis, etal.Project Sabre :A Close-Spaced Direct Injection 3-Cylinder Eng ine with Sy ne rgistic Technologies to Achieve Low CO2 Output [C] .SAE Paper 2008-01-0138.

[5] 褚超美,陳家琪,涂南明.減小氣門重疊角改善汽油機怠速排放的研究[J].內燃機學報,2001,216-220.

[6] 馮嵐,王璇,孫玉亮.轎車發動機起動怠速排放物形成機理及其降低新技術[J].2007,(3):15-19.

[7] 吳穎軍,黃麗娜,馬文亮.氣門重疊角對乘用車怠速抖動的影響[J].機械研究與應用, 2000, (10):24-29.

[8] 王國棟,袁觀練,黃榮輝.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, 2014, (2):216-220.

Experimental study on the effect of scavenging on direct injection turbocharged gasoline engine

Liu Qinglin, Qian Haiqing, Zhang Xiangyue, Wu Huang
（Anhui Jianghuai Automobile Group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601）

Research on low speed and high load area, different valve overlap angle formed by scavenging of injection turbocharged gasoline engine charging efficiency, combustion and emission performance, in low speed and high load turbocharger smaller margin area, the use of scavenging can effectively improve the charging efficiency and the power of the engine, the stronger the scavenging, the greater the dynamic performance,scavenging also can reduce the combustion temperature in the cylinder, knock and preignition tendency, but it is easy to cause the increase of catalyst temperature and the deterioration of THC emission, the overlap angle needs to be balanced.

Scavenging; Valve overlap angle; Direct injection turbocharged

U461.9

A

1671-7988 (2017)15-133-03

錢海青，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.049