EGR 和進氣VVT 在某小排量汽油機的應用研究

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007）

引言

隨著燃油與排放法規的日益收緊，尤其國六排放標準對于自主車企來說，無疑是巨大的挑戰，促使人們不斷地將降低油耗與排放的新技術應用到發動機上。其中可變氣門正時（VVT）和廢氣再循環（EGR）是技術成熟、效果顯著的提升動力、降低發動機油耗和排放污染物的方法[1-4]。

本文基于一臺1.2L 小排量自然吸氣汽油機，保持原機匹配好的其它零件不變，采用增加外置EGR回路和進氣正時VVT 的技術。根據大量試驗，關于VVT，發動機的動力性主要受到進氣VVT 影響，排氣VVT 則影響發動機的排放，合適的進氣VVT能夠使轉矩提高。此發動機已采用外置EGR 減低排放，故只增加了進氣VVT。文中通過臺架試驗驗證，對發動機增加進氣VVT 和EGR 后的影響進行探索

1 EGR 和VVT 簡介

圖1 為本機采用的EGR 工作原理圖，EGR 將燃燒后的部分廢氣經過冷卻后，通過EGR 閥引入進氣歧管中與新鮮空氣混合，然后進入氣缸重新參與燃燒。可有效降低發動機的泵氣損失，提高發動機機械效率，抑制爆震同時又可降低排放。

圖1 EGR 工作原理圖

為滿足不同工況需求，可變氣門正時根據發動機轉速變化來調整配氣相位，使得氣門開啟、關閉的時間隨發動機轉速的變化而變化。從而對發動機凸輪的相位進行調節，獲得最佳的配氣正時角，以提升充氣效率，提高發動機動力性，降低燃油消耗。

本機采用的VVT 通過一個機油控制閥控制油壓使得VVT 控制器的葉片沿圓周方向旋轉，從而改變氣門正時。如圖2 所示，ECU 依據需要對電磁閥進行指令，接通執行器轉子前后的兩個油腔的油路，在機油壓力的推動作用下，轉子就可以實現相對定子鏈輪有一定的位移角度。反之ECU 可以控制電磁閥對油路進行換向，就可以實現與之前相反方向的旋轉角度。

圖2 VVT 動作控制示意圖

由于對發動機動力影響最明顯的是進氣VVT，本發動機只采用進氣VVT 結構，一般稱為IVVT 結構。

2 試驗臺架與測量方法

本試驗采用的是小排量自然吸氣汽油發動機，在原機基礎上增加進氣VVT 及EGR，安裝火花塞式缸壓傳感器和燃燒分析儀等設備后在AVL 臺架上進行試驗。

試驗發動機主要參數如表1 所示，后續的所有數據均基于本款發動機而來。

表1 發動機參數

整個試驗在發動機試驗臺架完成，通過流量計測量和計算出從外置EGR 中引入的廢氣量，通過排放儀測量發動機的尾氣排放，通過燃燒分析儀測量和觀察發動機的燃燒情況，通過油耗儀測量發動機油耗率。試驗設備包括AVL 測功機、PUMA 臺架測試系統、AVL735S 瞬態油耗儀、Kistler 6115CF 缸壓傳感器、Indicom 燃燒分析儀、日本HORIBA 公司MEXA 一7500D 排放測試儀、空燃比計（ES630）、和Bosch UP8 平臺電控單元.

3 試驗結果

3.1 發動機性能

全負荷工況下，一般由于開啟外置EGR 后引入較多廢氣量，發動機吸入的新鮮空氣就相應減少，從而使發動機的轉矩和功率都下降，但同時增加了進氣VVT，提高缸內充氣效率，改善燃燒，達到增大發動機轉矩和功率的效果。從試驗結果綜合來看，增加進氣VVT 和EGR 后發動機動力性能略有提升，最高可使轉矩提高6.9%。全負荷性能對比結果如表2所示。

表2 增加IVVT 和EGR 后與原機全負荷性能對比

3.2 油耗

圖3 為增加EGR 及進氣VVT 發動機相比于原機油耗的萬有特性圖，數據來源于（原機油耗率-增加EGR 及進氣VVT 后油耗率）。從油耗萬有特性圖可以看出，增加EGR 及進氣VVT 后，該款發動機的油耗有改善，尤其是在中小負荷區域油耗率減少約10 g/（kW·h）。主要由于增加EGR 后，如圖4所示過量空氣系數相比原機大部分工況下的增大0.01 左右，且增加EGR 后點火角可以提前很多，見圖5，改善了發動機的抗爆震能力。此外，應用進氣VVT 后提高充氣效率。從以上各方面來看，增加進氣VVT 及EGR 后能夠有效提高發動機熱效率，降低油耗。

圖3 增加EGR 后油耗降低情況

圖4 為增加EGR 后減去原機的過量空氣系數對比，可以看出在大部分的工況點，增加EGR 后的過量空氣系數比原機無EGR 的要稀。

圖4 增加EGR 后過量空氣系數變化情況

3.3 抗爆震能力

圖5 是增加EGR 后的點火角相比于原機點火角提前角度的萬有特性圖，數據來源于同一工況下增加EGR 后的點火角減去原機的點火角。據圖可見，增加EGR 后點火角得到較大的提升，在大部分的工況點火角提前5～13°CA 不等，最大點火角可提前18°CA。這是因為原機在發動機爆震傾向較強的中大負荷區域，只能通過推遲點火角來抑制爆震，增加EGR 后，廢氣屬于惰性氣體起到稀釋缸內混合氣、減緩燃燒速率的作用，且廢氣進燃燒室還可降低燃燒溫度。因此，增加EGR 后不同負荷下的各工況均可不同程度地增加點火提前角，提高發動機的抗爆震能力。

3.4 碳氫排放

圖5 增加EGR 后點火角相比原機提前角度的萬有特性圖

圖6 增加EGR 后碳氫排放降低情況

圖6 是原機減去增加EGR 后的碳氫排放萬有特性圖。在所有的加濃區域，增加EGR 后比原機的空燃比要稀（見圖4），有利于HC 排放物的改善。另一方面大部分工況的點火提前角都有不同程度的提前（見圖5），發動機的燃燒得到較好改善，也有利于HC 排放的降低。結果如圖6 所示，碳氫排放明顯下降，大部分工況的最大降幅約100～480×10-6，最大降幅約700×10-6以上。

3.5 氮氧化物

圖7 是原機減去增加EGR 和進氣VVT 后的氮氧化物排放萬有特性圖，數據來源于（原機NOx排放值一增加EGR 和進氣VVT 后的NOx排放值）。據圖7 的試驗結果可以看出，增加EGR 后，發動機所有轉速和負荷工況下的NOx排放都比原機有大幅度的降低，大部分工況降幅約550～1 000×10-6，最大降幅約為1 200×10-6。這是由于EGR 廢氣的CO2、H2O 的比熱容較高，廢氣引入缸內后與新鮮空氣混合后可吸走燃燒室部分熱量，降低燃燒室溫度，且廢氣對新混合氣起到稀釋作用，降低了混合氣中O2濃度，抑制了氮氧化物產生所需的高溫富氧條件，從而降低NOx的排放。

圖7 氮氧化物排放降低情況

4 結論

該小排量自然吸氣汽油機通過增加EGR 和進氣VVT 后，經過優化發動機循環廢氣的溫度和EGR率、空燃比和點火提前角等影響發動機燃燒的參數，可以使發動機各項性能有以下改善：

1）增加進氣VVT 和EGR 后發動機動力性能有提升，轉矩最高提高6.9%。

2）油耗有改善，尤其是在中小負荷區域油耗率減少約10 g/（kW·h）。

3）EGR 區域大部分的工況點火角普遍能提前5～12°有效提高發動機的抗爆震能力。

4）碳氫排放明顯下降，大部分工況的最大降幅約100～480×10-6，最大降幅達到700×10-6以上。

5）NOx排放改善明顯，大幅度降低各負荷工況下的NOx排放，大部分工況降幅約550～1 000 ×10-6，最大降幅約為1 200×10-6。