進氣門晚關策略對發動機經濟性及炭煙排放的影響

王家盛，許 敏，蘇建業，高 弈

（上海交通大學機械與動力工程學院汽車電子控制技術國家工程試驗室，上海 200240）

隨著世界范圍內對降低油耗和減少CO2排放越來越急迫的需求，一系列新的汽油機技術被研發并實現產業化，其中，高增壓和高壓縮比直噴汽油機正成為新一代汽油機的重要發展方向［1－4］。直噴技術能夠利用燃油蒸發時的汽化潛熱降低缸內溫度，抑制爆震，從而提高壓縮比。

小型化增壓技術能夠在降低油耗的同時保證發動機的動力性，但隨著發動機進一步小型化，為了滿足發動機扭矩和功率的要求，增壓比越來越大，而增壓比的增加使發動機爆震成為更加嚴重的問題。為了抑制爆震，不得不降低發動機的幾何壓縮比，從而對燃油經濟性造成負面影響。此外，直噴發動機相對進氣道噴射發動機具有較高的炭煙排放［5］，炭煙排放成為另一個制約直噴汽油機發展的重要因素。

爆震是未燃混合氣在火焰尚未傳播到達前發生自燃產生的［6］，在一定程度上降低缸內混合氣溫度能夠有效地抑制爆震。LIVC（進氣門晚關）技術結合雙VVT（可變氣門正時）技術能夠降低有效壓縮比，從而降低缸內混合氣溫度，能在有效抑制爆震的同時降低傳熱損失，提高燃油經濟性。之前的研究表明，基于進氣門晚關策略（LIVC凸輪軸）和雙VVT技術可以有效降低部分負荷時的泵氣損失，從而改善燃油經濟性［7］，但是LIVC技術會在大負荷時使炭煙排放惡化［8］。

外部EGR（廢氣再循環）已經被證實能夠有效降低缸內溫度，從而抑制爆震，減少傳熱損失，提高燃油經濟性［9－10］。在排放方面，EGR技術也能夠有效降低NOx和CO2排放［9－10］。此前的研究也表明了EGR在低速大負荷時對炭煙排放有明顯的改善［11］。

本研究著重研究了LIVC策略對高壓縮比增壓直噴汽油機在低速大負荷下爆震性能的影響，在使用LIVC策略的基礎上引入了外部冷卻EGR技術，在降低炭煙排放的同時，進一步了提高燃油經濟性。

1 試驗設備與方法

本研究分別在低負荷和高負荷下對1臺直列4缸、2.0L增壓直噴汽油機進行試驗。首先比較了幾何壓縮比由9.3提高到12.0時的燃油經濟性和爆震性能，之后研究了LIVC策略在幾何壓縮比12.0下的爆震和燃油經濟性。最后評估了外部冷卻EGR結合LIVC策略改善炭煙排放、降低油耗的潛力。發動機的具體參數見表1。

本研究采用開發用ECU，通過INCA標定軟件實現對發動機噴油時刻、進氣門開啟時刻、排氣門關閉時刻、噴射壓力、點火時刻等進行控制。所有的試驗都在優化后的最優進排氣相位、噴油時刻和噴油壓力下進行。試驗臺架為AVL電力測功機臺架，臺架系統的搭建見圖1。

燃油消耗使用AVL733S油耗儀來測定，排放使用AVL Smoke Meter和 Horiba Mexa－7100EGR來進行測定。燃油、冷卻液、機油溫度分別使用AVL753C，AVL553，AVL554來控制。缸內壓力通過Kistler 6125A缸壓傳感器采樣后，采用DEWE－800燃燒分析儀進行了放熱率分析。

表1 試驗發動機參數

本研究搭建了低壓EGR回路，廢氣從三元催化器前引到空氣濾清器的出口。EGR系統上配置了EGR中冷器以將廢氣溫度冷卻到100℃以下，廢氣和新鮮空氣混合，經增壓器增壓后進入中冷器。本研究的進氣溫度控制在30℃。

2 試驗結果與分析

2.1 壓縮比對發動機燃油經濟性的影響

試驗工況為2000r／min，pme＝0.4MPa（工況1）和1000r／min，pme＝1.32MPa（工況2），兩種工況分別為典型的部分負荷工況和低速大負荷工況。

圖2示出在工況1壓縮比從9.3提高至12.0后的油耗變化。試驗為變點火角試驗。在該工況下，壓縮比從9.3提高至12.0帶來了5%的油耗改善。提高壓縮比改善了部分負荷的燃油經濟性，但是在低速大負荷工況，壓縮比提高也大幅增加了爆震強度。放熱50%對應的曲軸轉角（θCA50）與點火角有很強的相關性，所以被用來表征爆震傾向［6］。如圖3所示，在低速大負荷工況下，壓縮比從9.3提高到12.0，為了避免爆震，點火角不得不推遲，從而導致θCA50推遲了12.0°。圖4示出在這一工況下兩種壓縮比的燃油消耗對比。從圖4可以看出，在爆震臨界點處，應用壓縮比12.0的活塞不僅沒有起到改善燃油經濟性的作用，反而使油耗相比于壓縮比9.3的活塞上升了2.7%。雖然壓縮比的增加使理論熱效率有所提高，但是由于爆震惡化，點火角被迫推遲，從而導致燃燒相位惡化，等容度下降，油耗上升。綜合以上分析可以看出，低速大負荷工況下的爆震問題是限制壓縮比提高的一個重要因素。

2.2 進氣門晚關策略對發動機爆震、燃油經濟性及炭煙排放的影響

本研究采用LIVC策略降低大負荷時的有效壓縮比，從而抑制發動機在該工況下的爆震傾向。采用的LIVC策略為進氣門相對原凸輪軸晚關40°。試驗在工況2下進行，研究了在采用壓縮比12.0活塞的情況下應用LIVC策略對燃油經濟性和爆震性能的影響。如圖5所示，在壓縮比12.0的條件下，應用LIVC策略后，θCA50提前了9.4°，接近原機低壓縮比結構下的水平，從而表明LIVC策略可以顯著抑制爆震。首先，進氣門晚關降低了有效壓縮比，使得壓縮終了時的混合氣溫度降低，從而實現對爆震的抑制。其次，應用LIVC策略后，一部分進氣被推回至進氣道，為了保持同樣的負荷就需要更大的進氣壓力，一部分原來應由活塞壓縮的氣體現在通過增壓器壓縮，經過中冷器后進一步降低了缸內溫度［6］。由于燃燒相位的提前和泵氣功改善等其他原因，發動機的燃油經濟性與原機和原凸輪軸結合12.0壓縮比相比，分別改善了4.2%和6.9%（見圖6）。

直噴汽油機在大負荷工況下有大量的燃油直接噴射進氣缸，液滴的蒸發和均質混合氣的形成相對進氣道噴射發動機更加困難。因此對直噴發動機來說，炭煙排放成為一個越來越重要的問題。LIVC策略使得部分氣體在壓縮沖程被推回至進氣道，削弱了缸內的渦流比和滾流比，對缸內混合氣的形成造成不利的影響［8］，加劇了炭煙排放問題，如圖7所示，應用LIVC策略時，炭煙排放增加了240%。

世界范圍內對于炭煙排放正在給予越來越多的重視，排放法規對于炭煙排放的限制也越來越嚴格。目前歐Ⅴ排放標準對直噴汽油機炭煙排放的限制為5mg／kg，而即將在2014年出臺的歐Ⅵ標準則不僅對炭煙排放的質量有更嚴格的標準，還將對其數量作出限制［11］。因此，LIVC凸輪軸帶來的高炭煙排放會極大限制其應用，需要尋找有效的手段解決其炭煙排放過高的問題。

2.3 EGR結合LIVC策略對發動機燃油經濟性和炭煙排放的影響

此前有研究表明，在直噴汽油機中應用外部冷卻EGR除了能夠改進燃油經濟性外，還能夠降低炭煙排放65%［13］。因此，EGR有希望緩解LIVC帶來的高炭煙排放問題。本研究在0%和15%EGR率下研究了EGR結合LIVC策略對炭煙排放的影響。試驗在工況1進行。如圖8所示，在EGR率為15%時，炭煙排放降低了31%。EGR的實現需要更大的進氣壓力以保持同樣的負荷，從而改善混合氣的形成，這是炭煙排放改善的原因之一。EGR對燃燒溫度的降低也將對炭煙生成產生抑制作用。另外，EGR對油耗的改善使進入缸內的燃油減少，從而改善炭煙排放。如圖9所示，15%的EGR率在降低炭煙排放的同時，進一步降低了4.4%的燃油消耗。通過應用LIVC策略、EGR以及壓縮比12.0活塞，高負荷工況下的燃油經濟性得到了8.6%的改善。

3 結論

a）在部分負荷工況，將壓縮比從9.3提高至12.0后，燃油經濟性得到了5.0%的改善，但是在大負荷工況，壓縮比的提升導致爆震加強，點火角不得不推遲，燃燒相位惡化，燃油消耗反而上升了2.7%；

b）在低速大負荷工況，通過應用LIVC策略，發動機在壓縮比12.0的活塞下的燃燒相位接近原機（原凸輪軸，壓縮比9.3）的水平，實現了對爆震的抑制；

c）在大負荷工況，LIVC策略對炭煙排放造成了不利的影響，應用LIVC策略后，炭煙排放在1000r／min，pme＝1.32MPa這一工況下增加了240%；

d）EGR在大負荷能夠改善LIVC帶來的高炭煙排放，在EGR率為15%時，炭煙排放降低了31%；

e）在1000r／min，pme＝1.32MPa這一工況下，結合LIVC策略、12.0壓縮比活塞和EGR 3種技術，燃油消耗降低了8.6%。

［1］Lecointe B，Monnier G.Downsizing AGasoline Engine Using Turbocharging with Direct Injection［C］.SAE Paper 2003－01－0542.

［2］Zaccardi J，Pagot A，Vangraefschepe F.Optimal Design for A Highly Downsized Gasoline Engine［C］.SAE Pa per 2009－01－1794.

［3］K?nigstein A，Hock C，Frensch M.Comparison of Advanced Turbocharging Technologies under Steady－State and Transient Conditions［C］.SAE Paper 2006－05－0364.

［4］Pallotti P，Torella E，New J.Application of an Electric Boosting System to a Small，Four－Cylinder S.I.Engine［C］.SAE Paper 2003－32－0039.

［5］Jianye Su，Weiyang Lin，Jeff Sterniak，et al.Particulate Matter Emission Comparison of Spark Ignition Direct Injection（SIDI）and Port Fuel Injection（PFI）Operation of a Boosted Gasoline Engine［C］／／Submitted to the 2013ASME Internal Combustion Engine Fall Technical.Dearborn：ASME，2013.

［6］Mittal V，Revier B，Heywood J.Phenomena that Determine Knock Onset in Spark－Ignition Engines［C］.SAE Paper 2007－01－0007.

［7］高永興，張玉銀，許 敏，等.應用LIVC凸輪軸在高壓縮比雙VVT渦輪增壓直噴汽油機上抑制爆震的試驗研究［J］.車用發動機，2012（1）：63－67，76.

［8］Moore W，Foster M.Charge Motion Benefits of Valve Deactivation to Reduce Fuel Consumption and Emissions in a GDI，VVA Engine［C］.SAE Paper 2011－01－1221.

［9］Alger T，Mangold B.Dedicated EGR：A New Concept in High Efficiency Engines［C］.SAE Paper 2009－01－0694.

［10］Diana S，Giglio G，Lorio B，et al.Evaluation of the Effect of EGR on Engine Knock［C］.SAE Paper 982479，1998.

［11］Su J.Soot Emission Reduction Using Cooled EGRfor A Boosted Spark－Ignition Direct－Injection Engine［C］／／The 8th international conference on modeling and diagnostics for advanced engine systems.Fukuoka：Comodia，2012：98－103.

［12］Whitaker P，Kapus P，Ogris M，et al.Measures to Reduce Particulate Emissions from Gasoline DI Engine［C］.SAE Paper 2011－01－1219.