雙VVT對汽油機內部EGR影響的試驗研究

信松嶺，陸云春

（1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，保定071000 2.昆明云內動力股份有限公司，昆明650200）

雙VVT對汽油機內部EGR影響的試驗研究

信松嶺1，陸云春2

（1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，保定071000 2.昆明云內動力股份有限公司，昆明650200）

以一款2.0L增壓直噴可變雙VVT汽油機為研究對象，在轉速為2 000 r/m in、相對充氣量為40%工況點進行VVT全因子試驗。試驗結果表明：通過調節VVT，可以實現內部EGR，提高發動機性能，降低發動機油耗及HC和NOx排放。

雙氣門開啟正時 內部EGR 全因子試驗

1 前言

為實現汽油機節能減排，人們提出了很多方案：缸內直噴技術、渦輪增壓技術、可變氣門技術[1]和廢氣再循環技術[2]。這些技術可以單獨使用，也可以幾種一起使用。

本試驗研究以一款2.0 L增壓直噴可變進排氣雙氣門正時（DVVT或雙VVT）汽油機為對象，通過對雙VVT組合進行全因子試驗，研究雙VVT對發動機內部EGR的影響。

2 內部EGR的基本原理

對于4沖程發動機，在低速中小負荷時，通過調整可變氣門開啟正時來實現內部EGR。主要途徑有2種：廢氣再吸法和廢氣殘留法[3]。廢氣再吸法有3種:（1）排氣沖程短暫開啟進氣門，部分廢氣進入進氣管，在進氣沖程又被重新吸入氣缸；（2）進氣沖程短暫開啟排氣門，排氣管中部分廢氣被重新吸入氣缸；（3）增大進排氣門重疊角，在氣門開啟重疊時，缸內壓力大于進氣道壓力，廢氣回流到進氣管，之后再重新進入氣缸。廢氣殘留法就是排氣門提前關閉，在排氣門關閉之后再將進氣門打開，使得一部分廢氣殘留在氣缸內。因為傳統發動機在換氣過程中，進氣門在排氣門關閉之前就己開啟，氣門重疊角都是正的，故廢氣殘留法又稱為負氣門疊開。

DVVT技術可以靈活地調節氣門正時，選擇合適的進、排氣VVT組成的氣門重疊角，保證較優的內部EGR效果[4]。

本試驗研究采用的是廢氣再吸法中的增大進排氣門重疊角，以實現內部EGR。

3 全因子試驗

3.1 發動機參數

用1款2.0 L直列4缸增壓直噴DVVT汽油機作為試驗發動機。發動機主要技術參數見表1。在轉速為2 000 r/min、相對充氣量為40%（注：相對充氣量是指實際缸內充量與進氣狀態下理論充量的比值，代表發動機負荷）工況點來研究雙VVT對內部EGR的影響。

表1 發動機主要技術參數

3.2 試驗設備

試驗裝置主要包括測試發動機、AVL電力測功機、燃燒分析儀、空燃比分析儀、電控系統及各個測點的壓力溫度傳感器等。

3.3 試驗方法

針對選擇的工況點進行VVT全因子試驗的試驗設計，確定進氣VVT范圍為18°～-42°曲軸轉角（℃A），即進氣門開啟提前角可從18℃A調到-42℃A，可調范圍為60℃A，按10℃A步長，共分7個點；排氣VVT范圍為-27°～33℃A，即排氣門關閉提前角可從-27℃A調到33℃A，可調范圍為60℃A，按10℃A步長，共分7個點，進行正交組合試驗。其中，VVT角度以1mm升程（由電控供應商提供）來定義，根據凸輪型線確定1mm升程時對應的曲軸轉角，轉化為以換氣上止點為零點對應的角度，則進氣凸輪開啟的角度為18℃A，排氣凸輪關閉的角度為-27℃A；正數角度表示在換氣上止點之后，而負數角度表示在換氣上止點之前。試驗控制邊界：過量空氣系數取1，CA50取8℃A～9℃A，相對充氣量為40%。

4 試驗結果與數據分析

從2 000/min、相對充氣量40%工況點的試驗結果的整體情況來看，正交形成的49個VVT組合，在相同進氣量情況下，發動機的性能、油耗以及HC和NOx的排放差異都很大。

4.1 雙VVT對發動機性能的影響

全因子試驗結果之一：制動平均有效壓力（BMEP）如表2所示。

表2 BMEP全因子試驗結果 kPa

以固定進氣VVT（定為-22℃A）、變化排氣VVT為例，對雙VVT對發動機性能的影響進行說明。圖1、圖2和圖3分別是發動機動力循環功、殘余廢氣量和泵氣損失隨排氣VVT變化規律。

圖1 動力循環功隨排氣VVT變化規律

圖2 殘余廢氣量隨排氣VVT變化規律

圖3 泵氣損失隨排氣VVT變化規律

如圖1～3所示，隨著排氣VVT的滯后，動力循環功增大21 kPa，可見缸內燃燒狀況隨排氣VVT滯后更加良好，即相同氣量和油量的化學能轉化成更多的機械能。

另一方面，隨著排氣VVT的滯后，氣門重疊角增大，此時進氣支管絕對壓力為59～81 kPa，存在較大真空度，已燃廢氣會進入進氣支管，并在進氣過程中重新進入缸內，形成內部EGR，導致殘余廢氣量增加。如圖2所示，由于廢氣的干擾，為保證相同的新鮮空氣量進入缸內，需要加大節氣門開度，這樣就減小節氣門在小負荷下的截流效應，從而減小泵氣損失。

動力循環功扣除泵氣損失是平均指示壓力，再克服摩擦損失，就轉化成平均有效壓力作為有用功輸出。在2 000 r/min、相對充氣量為40%工況點，摩擦損失為70 kPa。隨著排氣VVT的滯后，動力循環功增大，泵氣損失減小，最終BMEP提高7.5%。

4.2 雙VVT對油耗的影響

由于試驗過程中保持相對充氣量為40%，過量空氣系數為1，所以雙VVT對燃油消耗量沒有影響；而雙VVT對于降低泵氣損失，提高BMEP有明顯效果。圖4和圖5分別是BMEP和燃油消耗率隨進排VVT的變化規律。由圖4和5可見，燃油消耗率與BMEP存在較強的相關性，在BMEP相對高的區域，燃油消耗率則低，而在BMEP相對低的區域，燃油消耗率則高。

圖4 BMEP隨進排VVT的變化規律

以進氣VVT-22℃A、排氣VVT變化為例，雙VVT可以明顯降低汽油機在此負荷下的燃油消耗率，降低幅度7.8%。圖6是燃油消耗率隨排氣VVT變化規律。

4.3 雙VVT對排放的影響

圖7和圖8分別是HC排放量和殘余廢氣量隨進排氣VVT變化規律。由圖7和8可知，HC排放量和殘余廢氣量存在較強的相關性。殘余廢氣量在170 hPa以下的VVT組合區域，HC排放量體積分數3 000×10-6以上；殘余廢氣量在260 hPa以上的VVT組合區域，HC排放量體積分數達到了2 900×10-6以上。由此，在選取VVT組合時，適宜的氣門重疊角引起的殘余廢氣量能降低HC排放。如殘余廢氣量過低則不能充分利用內部EGR降低HC排放的效果，過高則令不完全燃燒程度加大，HC排放增大。

圖5 燃油消耗率隨進排VVT的變化規律

圖6 燃油消耗率隨排氣VVT變化規律

圖7 HC排放隨進排氣VVT變化規律

圖8 殘余廢氣量隨進排氣VVT變化規律

以進氣VVT-22℃A、排氣VVT變化為例，HC排放隨排氣VVT滯后先減小后增大，最大降幅達14.1%。圖9是HC排放隨排氣VVT變化規律。由圖9可見，HC主要來源于不完全燃燒，因此將廢氣重新引入缸內再次燃燒能夠有效降低HC排放，而HC在排氣VVT角度13℃A、23℃A和33℃A時的反升是由于殘余廢氣量過大，燃燒不完全程度過大，導致產生過多的HC；即便通過內部EGR再燃燒，也已經不能減少HC排放。

圖9 HC排放隨排氣VVT變化規律

圖10 是NOx排放隨排氣VVT變化規律。由圖10可見，NOx的排放隨排氣VVT的滯后而降低，降低幅度為77.5%。這是由于排氣VVT滯后形成內部EGR，殘余廢氣量增大。廢氣中大量的CO2和H2O的比熱容較高，燃燒時產生的熱量被廢氣吸收，最高燃燒溫度得以降低。另外，由于殘余廢氣量的增大，燃燒不完全，缸內燃燒放出的熱量降低。圖11是發動機渦前溫度隨排氣VVT變化規律。由圖11可見，渦前溫度由558.1℃降至478.4℃。此外，隨著殘余廢氣量的增大，缸內氧的質量分數下降，使得NOx產生的三要素：高溫、富氧和反應時長中的高溫和富氧條件相對薄弱，從而降低NOx產生量。

圖10 NOx排放隨排氣VVT變化規律

圖11 渦前溫度隨排氣VVT變化規律

5 結論

（1）在不增加硬件成本的前提下，對低速中小負荷工況點，可以通過VVT調節來實現內部EGR功能；而內部EGR的產生需要合適的氣門重疊角。

（2）通過雙VVT形成內部EGR后，需要增大節氣門開度，這降低了泵氣損失，提高了發動機性能。

（3）通過雙VVT形成的內部EGR，可提高發動機性能，降低發動機油耗。

（4）通過雙VVT形成內部EGR，可使廢氣重新進入氣缸進行燃燒，降低了HC排放，同時弱化了產生高溫、富氧的條件，從而降低了NOx排放。

[1]GAUTHIER D G,PFEIFFER JM.Virtualcheck valve control for improved energy conservation and phasing performance[R].SAEPaper,NO.2010-01-1188，2010.

[2]肖廣飛，張弘，尹琪.車用汽油機可變氣門定時技術作用機理及應用策略[J].車用發動機，2011(6)：1-6．

[3]謝輝，趙華，楊林，等.基于可變氣門定時策略的HCCI汽油機試驗研究[J].內燃機學報，2005(06).

[4]李正偉.缸內直噴汽油機利用可變氣門和增壓技術改善油耗的研究[D].北京：清華大學，2011.

EffectofDualVVTon InternalEGR ofGasoline Engine

Xin Songling1,Lu Yunchun2
（(1.TechnicalCenter,GreatWallMotorCompany,Limited,and HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center,Baoding071000,China;2.TechnicalCenter,YunneiCompany,Limited,Kunming650200,China)

The effect of dual VVT on internal EGR of gasoline engine was researched based on the testing of a 2.0 L turbocharged gasoline engine of direct injection at 2 400 r/min with 40%of relative air-charg.The test result shows that the dual VVT can achieve internal EGR by controlling VVT,thus improvingengine performanceand reducing fuelconsumption,HCand NOx.

dual-valve open tim ing,internalEGR,sweeping test

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.008

來稿日期：2017-09-26

信松嶺（1990-），男，碩士，主要研究方向為發動機性能開發以及臺架標定。