帶EGR的兩段式VVL發動機點火策略仿真分析＊

李獻菁 李理光,2 鄧俊 胡宗杰 童孫禹 栗工

（1.同濟大學；2.同濟大學中德學院；3.聯合汽車電子有限公司）

帶EGR的兩段式VVL發動機點火策略仿真分析＊

李獻菁1李理光1,2鄧俊1胡宗杰1童孫禹1栗工3

（1.同濟大學；2.同濟大學中德學院；3.聯合汽車電子有限公司）

基于GT-Power軟件構建兩段式可變氣門升程發動機性能仿真模型，并對模型進行標定。燃燒模型及外特性計算結果與實測數據吻合，驗證了模型的有效性。基于該仿真模型，分析采用大、小兩種不同進氣門升程時點火提前角對發動機爆震、動力性、經濟性及NOx排放特性的影響。無EGR時，使用小進氣門升程時較大氣門升程有更高的缸內峰值壓力和最高缸內溫度，更易爆震且NOx排放也更高；在各自爆震邊界點火時，兩者動力性及經濟性相近；EGR增加后爆震趨勢減弱。

1 前言

通過取消節氣門、采用全可變氣門的控制方式來控制進氣量，是最直接、有效的降低部分負荷泵氣損失的方式，但該系統的結構及控制復雜且成本較高[1]。目前大都采用VVL的配氣機構來提高充氣效率，由于仍然通過節氣門來控制負荷，因此未能真正消除泵氣損失的影響，但可以通過調節氣門運動和控制進排氣過程來有效管理和引導缸內流場，提高部分工況下的熱效率。兩段式VVL技術便是其中一種[1]。

兩段式VVL發動機在低轉速時，因發動機主、副進氣門開度不同，形成巨大的升降差異，從而得到強烈的回轉渦流，產生高燃燒效率，可降低燃油消耗量；而在高速時，因主、副氣門同時大開，故也能產生高功率[1]。Peter Kreuter等人[2～4]對兩段式可變氣門驅動（VVA）系統的結構及其對發動機性能的影響進行了研究，發現兩段式VVA系統有利于提高發動機低速轉矩及經濟性。EGR可增加新鮮混合氣中已燃氣體的比例，增大混合氣的熱容，使最高燃燒溫度下降，從而減少NOx排放。另外，通過EGR技術將廢氣引入進氣歧管中，有利于提升進氣歧管壓力、減小部分負荷時泵氣損失[5，6]。

空燃比和點火提前角是電控汽油機最重要的兩個控制參數。由于進氣道噴射汽油機大部分工況下以理論空燃比為目標進行閉環控制，因此點火提前角成為影響汽油機工作性能的主要因素[6～8]。針對VVL和EGR的特點，本文利用GT-Power軟件建立相應發動機仿真模型，并結合發動機工作過程計算的基本理論，對其點火策略進行分析。

2 VVL+EGR發動機模型建立及驗證

2.1 發動機主要參數

發動機主要技術參數如表1所列。該發動機采用主、副進氣門，文中所述大升程表示主、副進氣門升程都為9.8 mm，而小升程指主進氣門升程為9.8 mm、副進氣門升程為0.65 mm。

表1 發動機主要技術參數

2.2 仿真模型的建立及實機參數

發動機整體模型主要包括進排氣系統模型、發動機本體模型、EGR控制模型、燃燒模型（爆震模型及排放模型包括在內）等。圖1為發動機進、排氣門升程曲線，采用小升程后，氣門正時不變。

2.3 仿真模型的驗證

圖2對比了發動機采用大升程時在3 000 r/min且節氣門開度為25%下的缸內壓力仿真值和試驗值。從圖2中可見，仿真缸內壓力隨曲軸轉角的變化趨勢與試驗值一致，仿真缸內壓力值與試驗值較吻合。圖3對發動機燃油消耗率和轉矩外特性的仿真值及試驗值進行對比，各轉速下油耗及轉矩外特性仿真值和實測數據相差在5%以內，因此可利用該模型進行后續仿真。

3 兩段式VVL發動機點火策略仿真分析

主要從發動機爆震、動力性、燃油經濟性及NOx排放性能等方面對兩段式VVL發動機的點火策略進行分析。

3.1 點火正時對VVL發動機爆震的影響

GT-Power中利用爆震強度指數評價爆震強度。在軟件中調用爆震模型進行計算，指數越大，則爆震程度越高。為了利用該軟件中的爆震評價方法，需要對爆震模型進行標定。

通常利用爆震控制系統使發動機工作在輕微爆震的狀態下，以便改善發動機動力性及經濟性[7，8]。發動機采用大升程時，在3 000 r/min、25%節氣門開度下發生輕微爆震的點火角為-19°。以該工況下仿真得到的爆震強度指數為發動機發生輕微爆震的衡量指標，并定義此時對應的點火角為其爆震邊界，其它工況下的指數若小于該值則認為未爆震。圖4為爆震模型標定結果，大升程發動機發生輕微爆震時的爆震強度指數為17（圖4中虛線表示爆震強度指數為17的邊界線，下同），由此得到采用小升程時發生輕微爆震的點火角為-16.5°，與試驗值-16°對比，兩者較吻合，可利用該爆震模型進一步計算。

圖5和圖6分別給出1 800 r/min和2 000 r/min且EGR均為0%及節氣門開度均為25%時，發動機爆震強度指數隨點火正時的變化情況。可知，點火角相同時，兩種工況下小升程爆震強度指數均較大，且發生輕微爆震時對應的點火角延遲，延遲量分別為1.5°和2.5°。由此，在實際發動機控制當中，若采用小升程后仍按大升程的基本點火角進行控制則易爆震。

圖7為大、小升程發生輕微爆震時的點火角（爆震邊界）隨轉速變化的趨勢對比。從圖7中可見，兩種升程下發生輕微爆震時對應的點火角隨轉速的變化趨勢一致，但小升程的更靠近上止點，與試驗值相符。

圖8和圖9分別給出2000 r/min下，大、小升程缸內最大壓力及缸內最高溫度隨點火正時的變化趨勢。

小升程發生爆震時的點火角較大升程推遲的原因可從缸內峰值壓力及缸內最高溫度等方面進行分析。由圖8和圖9可見，點火正時相同時，小升程的缸內峰值壓力與缸內最高溫度均高于大升程，增加了爆震傾向。點火正時推遲后，由于燃燒放熱的時刻推遲，發動機的最高爆發壓力降低，缸內溫度也降低，爆震趨勢減弱。

3.2 點火正時對VVL發動機動力性的影響

圖10為2 000 r/min下大、小升程轉矩隨點火正時的變化趨勢對比。在小升程爆震邊界處點火可以擁有和大升程在爆震邊界處相當的轉矩，點火正時從爆震邊界開始，推遲超過3°，則轉矩下降超過5%。試驗用發動機控制系統對點火角的控制精度為0.7°，因此采用小升程后，可在小升程爆震邊界處點火，以保證發動機動力性。

3.3 點火正時對VVL發動機油耗的影響

圖11為2 000 r/min時，大、小升程燃油消耗率隨點火正時的變化趨勢對比。在各自爆震邊界點火時，小升程可以擁有和大升程相當的經濟性，點火正時從爆震邊界開始，每推遲1°，油耗增加超過1.7%，據此可限制點火推遲角度不要超過3°。

CA50常用來表示汽油機燃燒等容度，一般出現在上止點后5°～10°時熱效率最高[6，8]。圖12和圖13分別給出相應的CA50及指示熱效率隨點火正時的變化趨勢。

由圖12和圖13可知，大、小升程的CA50均在10°之后，而小升程的更靠前，因此熱效率也比大升程的高。點火推遲后CA50推遲，導致發動機燃燒放熱的等容度降低，因而熱效率下降，油耗升高。

3.4 點火正時對VVL發動機NOx排放的影響

圖14為2 000 r/min下，大、小升程NOx排放隨點火正時的變化趨勢對比。可見，點火正時相同時，小升程NOx排放偏高，隨點火推遲，NOx下降。

NOx在高溫條件下生成，推遲點火后，缸內峰值壓力降低，缸內溫度下降，因此NOx排放隨著點火正時的推遲也明顯下降。

4 EGR對兩段式VVL發動機點火策略的影響

4.1 EGR對爆震邊界的影響

發動機采用EGR技術后，使缸內的混合氣因廢氣的加入而變稀，因此采用EGR技術后可以降低缸內溫度，從而降低發動機的爆震傾向。

圖15和圖16分別給出了1800 r/min和2000 r/min下的爆震邊界隨EGR率的變化關系。可知，增加EGR后，爆震邊界提前，因此點火可相應提前。

4.2 EGR對爆震邊界轉矩的影響

因大、小升程情況下的爆震邊界隨EGR的變化趨勢一致，因此僅分析小升程的情況。圖17為1 800 r/min時，不同EGR下指示轉矩的對比。從圖17中可看出，采用4%EGR后若仍采用0%EGR時的點火角，則轉矩下降較多，而點火正時提前到該EGR下的爆震邊界則有助于恢復部分動力性。

4.3 EGR對爆震邊界油耗的影響

圖18為1 800 r/min時不同EGR率下油耗的對比。同樣，增加EGR后，若點火正時不變，則油耗上升。點火提前到爆震邊界處，利于降低油耗。因此，為充分發揮小升程優勢，最好是在小升程爆震邊界處點火。

4.4 EGR對爆震邊界NOx排放的影響

圖19為1 800 r/min、不同EGR下NOx排放的對比。由圖19可見，EGR率增加到8%后可顯著降低小升程的NOx排放。根據前述，若通過點火提前來恢復部分動力性和經濟性，則NOx排放主要還是依靠后處理系統在降低。

5 結束語

a.同一點火正時，小升程缸內最大壓力及缸內最高溫度均高于大升程，更易爆震，點火應推遲；

b.在小升程爆震邊界處點火，可以擁有和大升程在爆震邊界處相當的動力性和經濟性；

c.增加EGR后，可以適當提前點火。EGR增加后，缸內壓力峰值下降，爆震趨勢減弱，NOx排放降低，可適當提前點火以恢復部分動力性及經濟性。

1李偉.新型直噴、混合動力發動機構造原理與故障排除.北京：機械工業出版社，2011.

2 Peter Kreuter，Peter Heuser，Joachim Reinicke Murmann，etal. Variable Valve Actuation–Switchable and Continuously Variable Valve Lifts.SAE Paper，2003-01-0026.

3 Mark Sellnau，Eric Rask.Two-Step Variable Valve Actuation for Fuel Economy，Emissions，and Performance. SAE Paper，2003-01-0029.

4 Christopher W Turner，Guy R Babbitt，Christopher S Balton，etal.Design and Control of a Two-stage lectro-hydraulic Valve Actuation System.SAE Paper，2004-01-1265.

5朱昌吉.車用柴油機電控EGR系統設計及性能研究:[學位論文].長春：吉林大學，2005.

6王建昕，帥石金.汽車發動機原理.北京：清華大學出版社，2011.

7劉斌.汽油機點火提前角及電子節氣門控制仿真研究：[學位論文].武漢：華中科技大學，2009.

8張翠云.電控汽油機燃油噴射及點火控制系統的設計與實驗研究：[學位論文].太原：太原理工大學，2007.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2014年3月1日。

Simulation and Analysis of Ignition Strategy for a Two Step Variable Valve Lift Engine w ith EGR

Li Xianjing1，Li Liguang1，2，Deng Jun1，Hu Zongjie1，Tong Sunyu1，Li Gong3
（1.Tongji University;2.CDHK，Tongji University;3.UAES）

A simulation model of a two-step variable valve lift engine based on GT-Power is established and calibrated.The combustion model and the external characteristic calculation results match well with the measured data，proving validity of the model.Based on this model，effect of ignition advance angle on engine knock，power performance，fuel economy and NOxemissions is investigated under both high and low intake valve lift.The results also indicate that，compared with the case of high valve lift，higher in-cylinder peak pressure and the maximum in-cylinder temperature are expected under the case of low valve lift，which is more vulnerable to engine knock and more NOxemissions at the same ignition timing.The same power performance and fuel economy are expected when the ignition timing is kept at each of their knock boundary conditions，and EGR offers a considerable potential to reduce the trend of post knock.

Two-step VVL engine;EGR;Ignition strategy

兩段式VVL發動機EGR點火策略

U464

A

1000-3703（2014）08-0024-04

上海市科學技術委員會（11DZ2260400）、國家自然科學基金項目（51376139）。