VVT對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中等負(fù)荷燃燒及排放的影響

張龍平 劉義強(qiáng) 孫建軍 陳培夢(mèng) 陳 成 薛 川

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車(chē)油耗和排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，越來(lái)越多的汽油機(jī)新技術(shù)被不斷應(yīng)用于市場(chǎng)，其中增壓直噴汽油機(jī)由于具有良好的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能已被越來(lái)越多的學(xué)者所重視，也成為了各大車(chē)企應(yīng)對(duì)新一輪排放法規(guī)的主流研發(fā)方向[1-5]。但在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)都有各自最佳的配氣相位，因此在增壓直噴汽油機(jī)上配備進(jìn)排氣可變氣門(mén)正時(shí)（Double Variable Valve Timing VVT）技術(shù)，也成為行業(yè)研究及應(yīng)用的必備技術(shù)方向[6-9]。研究表明：進(jìn)排氣VVT 的適當(dāng)調(diào)節(jié)，能降低泵氣損失，合適的氣門(mén)重疊角能有效地控制缸內(nèi)的EGR，有利于燃燒過(guò)程，改善燃油經(jīng)濟(jì)性及排放[10-17]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)VVT 技術(shù)的研究主要集中在減小泵氣損失、提高燃油經(jīng)濟(jì)性，而利用VVT 技術(shù)改善燃燒過(guò)程，尤其是控制顆粒物排放的研究鮮有報(bào)道。眾所周知，噴油及燃燒系統(tǒng)是控制顆粒物排放的主要手段，但隨著顆粒物排放法規(guī)的不斷加嚴(yán)，現(xiàn)有技術(shù)都不足以使裸機(jī)的顆粒物排放滿(mǎn)足排放要求，需要繼續(xù)尋求降低顆粒物排放的技術(shù)。因此，本文擬探究VVT 技術(shù)對(duì)燃燒過(guò)程、氣體及顆粒物排放的影響規(guī)律，以充分挖掘該技術(shù)在節(jié)能減排方面的潛力。

1 測(cè)控系統(tǒng)及試驗(yàn)方案

1.1 臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)1.5L 增壓直噴汽油機(jī)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1，試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)見(jiàn)圖1。試驗(yàn)采用AVL 電力測(cè)功機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況進(jìn)行測(cè)試及控制，火花塞式的Kistler 缸壓傳感器采集缸內(nèi)壓力，示功圖和放熱率等參數(shù)的采集分析由Kibox 燃燒分析儀完成，利用ETAS 的空燃比儀進(jìn)行空燃比測(cè)量，HORIBA/ MEXA7200E 和 Cambustion 公 司 的DMS500 分別對(duì)氣體排放和顆粒物排放進(jìn)行測(cè)試分析，INCA 系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)ECU 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試工況點(diǎn)進(jìn)行控制參數(shù)調(diào)整，主要試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備見(jiàn)表2。

表1 汽油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)示意圖

1.2 試驗(yàn)方案

發(fā)動(dòng)機(jī)所配置的是雙VVT，即進(jìn)氣門(mén)可以提前開(kāi)啟，排氣門(mén)可以延后關(guān)閉，如圖2 所示：進(jìn)氣VVT（VVTin）和排氣VVT（VVTex）初始位置所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別為，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 移動(dòng)過(guò)程中會(huì)有進(jìn)排氣門(mén)的重疊，如圖3 所示。本次研究的工況點(diǎn)選擇了在車(chē)上使用權(quán)重最大的點(diǎn)（轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、平均有效壓力為0.7MPa）進(jìn)行研究。在該工況點(diǎn)，采用當(dāng)量空燃比控制，固定其他控制參數(shù)（如點(diǎn)火角、噴油定時(shí)、噴油壓力、空燃比）保持不變（見(jiàn)表3），通過(guò)INCA 系統(tǒng)對(duì)進(jìn)/排氣VVT進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為10°CA。定義：VVT 往排氣上止點(diǎn)前移動(dòng)為正，反之為負(fù)，因此，進(jìn)氣VVT 提前為“+”，排氣VVT 延后移動(dòng)為“-”。

試驗(yàn)條件控制：試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)氣溫度控制在（25±2）℃，中冷器出口溫度（35±2）℃，燃油溫度（25±2）℃，冷卻水溫度和機(jī)油溫度都控制在（90±2）℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 VVT 技術(shù)對(duì)燃燒過(guò)程的影響

如圖4 所示，隨著VVTin 的提前，燃燒滯燃期和持續(xù)期增大，燃燒重心（CA50）隨之延后，最大缸內(nèi)壓力、最大放熱率降低，其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也出現(xiàn)不同程度的延后。隨著VVTex 的延后滯燃期和燃燒持續(xù)期也略有增大，CA50 略有延后，缸內(nèi)壓力和放熱率輕微減小，可以看出VVTin 的提前對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的影響更加明顯，VVTin 從0°CA 提前到50°CA，滯燃期和持續(xù)期分別增大11.6°CA 和10.1°CA，CA50延后14.4°CA。

隨著VVTin 提前或VVTex 延后，氣門(mén)重疊角呈線(xiàn)性增大（如圖3 所示），這可能將導(dǎo)致廢氣回流量增加。因此在其他邊界控制條件保持不變的情況下，導(dǎo)致燃燒參數(shù)變化的主要原因是由于VVT 變化造成內(nèi)部EGR 量變化，從而影響了燃燒過(guò)程。從圖5～8可以看出，隨著VVTin 的提前或VVTex 的延后，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和進(jìn)氣歧管壓力增大但是發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率反而降低，間接證明了內(nèi)部EGR 隨VVTin 的提前或VVTex 的延后而增加，且隨VVTin 提前的變化更加劇烈。

內(nèi)部EGR 對(duì)燃燒過(guò)程的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一方面由于內(nèi)部EGR 的溫度高于新鮮充量，因此有利于燃油的蒸發(fā)過(guò)程，即能改善油氣混合的物理過(guò)程；另一方面，內(nèi)部EGR 的主要成分為惰性氣體（CO2和高溫水蒸氣），會(huì)稀釋新鮮充量的氧濃度，降低汽油分子和氧氣分子的碰撞幾率，抑制了油氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，造成啟燃速率慢、燃燒速率降低，其中后者對(duì)燃燒過(guò)程的影響起主導(dǎo)作用，從而使上述燃燒過(guò)程表現(xiàn)為滯燃期和燃燒持效期增大、CA50 延后，放熱率曲線(xiàn)和缸壓曲線(xiàn)降低且更加平緩（見(jiàn)圖6）。

燃油消耗率BSFC 隨VVTin 提前或VVTex 延后都呈先減小后增大的趨勢(shì)，且隨VVTin 提前的變化程度更大（如圖7 所示）。油耗率隨VVT 變化降低的原因主要包括兩個(gè)方面：一方面，為了保證相同的工況（IMEP=0.7 MPa），隨著VVTin 提前或VVTex 延后，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度從原來(lái)的16.5%增大到18.8%，進(jìn)氣歧管壓力隨之增大，泵氣損失（PMEP）降低（見(jiàn)圖8），從而使得燃油消耗率降低；另一方面則是缸內(nèi)廢氣量適當(dāng)增加有利于降低燃燒溫度，降低傳熱損失，燃油消耗率最大降低5.8%（VVTin 提前40°CA）。而隨著VVTin 的進(jìn)一步提前（VVTin=50°CA），會(huì)使倒流的廢氣量增加過(guò)大，造成燃燒相位過(guò)于延后（如圖4 所示的CA50 和燃燒持續(xù)期增大），燃燒質(zhì)量下降（如圖9 所示，燃燒循環(huán)波動(dòng)增加）。隨著VVTex 逐漸延后BSFC 增大的主要原因是，VVTex 延后會(huì)造成自由排氣過(guò)程縮短、強(qiáng)制排氣過(guò)程增加，造成泵氣損失（PMEP）增加。

2.2 VVT 技術(shù)對(duì)排放的影響

VVT 對(duì)氣體排放的影響如圖10 所示，隨著VVTin 提前或VVTex 的延后，THC、CO 以及NOx排放都呈降低趨勢(shì)，且隨VVTin 的變化更加敏感。HC產(chǎn)生的主要因素包括：狹縫效應(yīng)、潤(rùn)滑油膜吸附及壁面淬熄等，由前文分析可知，隨著VVTin 的提前或VVTex 的延后內(nèi)部EGR 會(huì)逐漸增加，造成進(jìn)氣和壓縮過(guò)程缸內(nèi)充量的溫度升高，將促進(jìn)燃油的蒸發(fā)過(guò)程，有利于油氣的混合。此外，內(nèi)部EGR 還使滯燃期和燃燒速率降低即整個(gè)燃燒過(guò)程變緩，使得狹縫中的混合氣以及被潤(rùn)滑油膜吸附的油氣都有更長(zhǎng)的時(shí)間解析出來(lái)參與燃燒，從而使得HC 排放隨VVTin的提前或VVTex 的延后而降低。

CO 的排放量主要取決于混合氣的空燃比，但CO 排放仍隨VVTin 的提前或VVTex 延后有降低趨勢(shì)，這是因?yàn)閂VTin 的提前或VVTex 的延后使得整個(gè)燃燒過(guò)程變緩，油氣的混合時(shí)間更長(zhǎng)，使得油氣混合的質(zhì)量提高。此外，更長(zhǎng)的燃燒持續(xù)期也能使得已生成的CO 繼續(xù)參與反應(yīng)，因此使得CO 排放降低。“高溫富氧”是生成NOx排放的主要條件，NOx排放隨VVTin 提前或VVTex 延后降低的主要原因包括：內(nèi)部EGR 增大將導(dǎo)致缸內(nèi)工質(zhì)的比熱容增加，造成燃燒溫度降低，將抑制NOx的生成；雖然是當(dāng)量燃燒控制，但缸內(nèi)廢氣量的增大會(huì)減小氧氣分壓力和氧濃度也將抑制NOx的合成反應(yīng)。除此之外，燃燒速率降低，同樣會(huì)降低最高燃燒溫度，降低NOx排放。

圖11 所示為發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物粒徑尺寸分布隨VVT 變化的規(guī)律，可以看出微粒主要以小粒徑的核態(tài)微粒為主，粒徑在5nm 左右，且隨著VVTin 提前或VVTex 的延后核態(tài)和積聚態(tài)微粒數(shù)都呈現(xiàn)不同程度的降低趨勢(shì)，且隨VVTin 提前積聚態(tài)的粒徑有減小趨勢(shì)（見(jiàn)圖12）。圖13 和14 分別示出了核態(tài)和積聚態(tài)微粒的中位直徑（中位直徑（count median diameter，CMD）是累積百分比為50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒子直徑）、中位直徑數(shù)目以及質(zhì)量濃度規(guī)律，3 個(gè)參數(shù)隨VVTin提前或VVTex 延后也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。積聚態(tài)中位粒徑隨VVTin 提前降低明顯，從91.4 nm 減小到64.1 nm，核態(tài)中位粒徑變化不明顯。

造成上述粒徑分布和規(guī)律的原因主要包括三方面：

1）由前文分析，隨VVTin 提前或VVTex 延后，內(nèi)部EGR 增加導(dǎo)致缸內(nèi)初期的工質(zhì)溫度提高，使燃油的蒸發(fā)過(guò)程能夠得到一定的改善有利于油氣的混合過(guò)程；

2）滯燃期延長(zhǎng)為油氣的均勻混合提供了更為充分的時(shí)間維度；

3）更長(zhǎng)的燃燒持續(xù)期也可以使產(chǎn)生的微粒在燃燒后期得到進(jìn)一步的氧化，使微粒的粒徑、數(shù)量和質(zhì)量都得到不同程度的抑制。

3 結(jié)論

在常用的中等負(fù)荷工況，隨著進(jìn)氣VVT 提前或排氣VVT 延后：

1）氣門(mén)重疊角增大和內(nèi)部EGR 增加，燃燒滯燃期和持續(xù)期增大，燃燒重心（CA50）延后，最大缸內(nèi)壓力、最大放熱率降低。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率和泵氣損失降低，THC、CO以及NOx排放都呈降低趨勢(shì)，燃油消耗率下降，最大降低5.8%。

3）核態(tài)和積聚態(tài)顆粒數(shù)目和質(zhì)量濃度呈不同程度的降低趨勢(shì)，積聚態(tài)中位粒徑從91.4 nm 降低到61.4 nm。微粒排放主要以小粒徑的核態(tài)微粒為主。

4）相比于排氣VVT，進(jìn)氣VVT 對(duì)燃燒過(guò)程、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放的影響更加明顯。