換氣可變性在轎車柴油機上的潛力

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1 起因

2015年以來，歐盟不斷地降低公司車隊CO2排放和燃油耗上限，促進轎車柴油機持續不斷地進行開發[1]。內燃機在降低CO2和提高效率的同時導致廢氣溫度越來越低，降低了廢氣后處理裝置的效率和轉化率，除此之外冷起動和暖機運行階段對滿足當今廢氣排放限值越來越起著決定性的作用，因為這兩個階段所產生的碳氫化合物(HC)和CO有害物有時會占到整個循環排放量的70%以上。由于廢氣排放法規進一步加嚴，因而在降低原始排放的同時，盡可能達到高的廢氣溫度而又不會導致燃油耗進一步惡化，以便迅速加熱廢氣后處理裝置。為此，柴油機氣門機構的可變性可作為附加技術加以利用[2]。

2 試驗研究載體

在這項試驗研究計劃中,不僅涉及到穩態發動機臺架試驗,而且還包括在汽車上進行動態測試。這兩種試驗基礎發動機是相同的，并具有相同的燃燒過程，在試驗車上最大噴油壓力為200 MPa，在試驗發動機上則最高可達250 MPa，但是這種差異對于所要考察的運行范圍并不重要。進氣道被設計成充氣氣道和切向氣道，因而能確保最佳的氣缸充氣和充量運動，而且為了改善中低負荷時的混合氣準備，2個進氣門座都設有渦流坡口。較低的壓縮比及較高的氣缸爆發壓力和噴油壓力，再加上冷卻的低壓和高壓廢氣再循環(EGR)就能夠達到最低的顆粒物(PM)排放值和滿足歐6b排放標準的氮氧化物(NOx)排放水平，且無需安裝降低NOx排放的廢氣后處理裝置。有關這兩種試驗發動機的其他信息可從表1和參考文獻[3～5]中獲悉。

表1 整機技術規格

3 試驗的氣門機構可變性

試驗研究選定了以目標為導向的氣門機構方案，各種不同的試驗研究氣門可變性示于圖1，更詳細的信息可從參考文獻[2]中獲取。排氣相位調節提供了實現缸內EGR的可能性，但是會產生膨脹損失和換氣損失，并且缸內EGR會返回到進氣道，而進氣門晚開與排氣門相位調節相結合就能將缸內EGR留存在燃燒室內，并阻止缸內EGR返回到進氣道，因氣缸中重復壓縮的殘余廢氣完全膨脹進而改善了換氣，另外縮短的進氣過程又導致了進氣門早關，即通過進氣門晚開+米勒循環減少了氣缸充氣[6]。

圖1 試驗研究所選擇的氣門機構方案

4 采用全面試驗設計模型進行循環預測

發動機試驗臺架上的試驗研究集中在基于各種參數變化的穩態測試上，參數變化范圍列于表2。借助于試驗結果建立全面的試驗設計模型，以便進行全球統一的輕型車試驗循環(WLTC)第一階段，即低負荷階段的預報。緊接著對3種進氣升程曲線進行全面優化，其中分析的重點是研究加熱廢氣的潛力和降低原始排放。就WLTC而言，將滿足歐6b排放標準的NOx原始排放水平270 mg/km確定為上限，試驗結果歸納于圖2。

首先評估冷卻水溫度90 ℃時的基本配氣定時的最大進氣門升程。試驗結果表明，HC和CO原始排放低于歐6限值，因此在這種情況的熱機運行條件下可變氣門機構(VVT)并非絕對必要。第二步降低冷卻水溫度，以模擬冷起動和暖機運行階段。為了進行評估，考察中等冷卻水溫度45 ℃和最大廢氣加熱(紅色)與CO2排放最佳的適度加熱(藍色)。試驗結果表明，在采用第一種方案時，由于在靠近壁面范圍內火焰熄滅以及燃燒溫度低而使CO2減少，HC/CO原始排放顯著增加，并明顯超過歐6限值，CO2排放增加約20%，主要是因冷態運行時摩擦增大的緣故。氧化催化轉化器(DOC)前的平均溫度處于與熱機運行條件下相當的水平，而長的著火滯后則使碳煙排放降低。

表2 全面試驗設計的試驗參數表

圖2 WLTC試驗循環第一階段全面模型預報的試驗結果

進氣門晚開和進氣門晚開+米勒循環兩種VVT方案因在排氣相位調節時負的氣門重疊角而產生了缸內EGR，而高溫條件下的缸內EGR改善了二次氧化，使HC排放降低多達47%，CO排放降低多達40%，在這種情況下因進氣門晚開+米勒循環方案的充氣量大大減少，在所考察的整個范圍內其二次氧化的潛力較小。DOC前的平均溫度比進氣門晚開方案提高了46～51 K，進氣門晚開+米勒循環方案提高了25～34 K，而得到這些結果使進氣門晚開方案并沒有出現CO2排放方面的缺陷，進氣門晚開+米勒循環方案的CO2排放也僅比冷起動條件下最大進氣門升程方案的CO2排放高10%。除此之外，CO2排放最佳的加熱方式，雖然缸內EGR造成了燃燒室內EGR不均勻的分布，產生了較小的空燃比，并縮短了著火滯后期，但是并沒有出現碳煙方面的缺陷，而在最大廢氣加熱(紅色)情況下可以看到，空氣量的減少使得碳煙排放有所增加。

預測表明了VVT系統輔助冷起動和暖機運行的潛力，因此該項目下一步將在轉鼓試驗臺上進行動態整車測試，以便掌握在瞬態運行條件下的潛力。

5 動態整車試驗

整車試驗仍在冷起動(22 ℃)條件下考察WLTC行駛循環第一階段。該試驗程序除了基本配氣定時-最大進氣門升程和基本配氣定時-最小進氣門升程之外還包括進氣門晚開，以期從穩態模擬中獲得較大的潛力。以此與基本配氣定時-最大進氣門升程方案相比，基本配氣定時-最小進氣門升程方案的特點是減小進氣門升程。最大進氣門升程和進氣門晚開2種方案都采用排氣相位調節進行試驗，排氣凸輪軸相位調節器均按照最佳CO2排放來進行標定，并與無排氣凸輪軸相位調節器的最大進氣門升程方案進行對比(圖3)。

圖3 WLTC行駛循環第一階段整車動態測試全面試驗結果

試驗汽車上由于僅具備1個靠近發動機的DOC/柴油機顆粒捕集器(DPF)，因而仍要評估NOx原始排放而并非尾管處的排放。EGR標定要使所有方案都滿足NOx排放的目標要求。最大進氣門升程方案因冷起動時的原始排放較高，因而DOC后的HC和CO排放已超過歐6限值標準。

最小進氣門升程方案通過排氣相位調節實現的缸內EGR也由整車試驗證實了其HC/CO二次氧化的潛力，因而其廢氣排放仍低于歐6限值標準。除此之外已確認因有缸內EGR，發動機起動后能迅速加熱，憑借DOC前的溫度就能予以評估。

最小進氣門升程方案常規的進氣門開啟在排氣相位調節的情況下會產生較大的換氣損失，因而也就增加了CO2排放，但是這種損失能通過進氣門晚開來補償，因而進氣門晚開方案并不會產生燃油耗方面的缺陷。由于這兩種方案減小了進氣門升程，也就能通過進氣門座渦流坡口改善混合氣準備，從而降低碳煙排放。

圖4示出了整個時間段內廢氣溫度、DOC前能量，以及DOC平均效率的狀況。DOC前的溫度表明，僅通過排氣相位調節產生膨脹損失和換氣損失就使廢氣溫度提高了40 ℃。借助于進氣門晚開方案與排氣相位調節相結合，最多可使廢氣溫度提高15 ℃，這基本上可歸因于缸內EGR被留存在燃燒室中的原因。采用排氣相位調節的這兩種方案DOC后廢氣溫度曲線以較平緩的斜率升高，因為改善了二次氧化而導致較低的HC/CO原始排放，以及減少了DOC中的放熱反應。即使廢氣質量流量減小，但是通過排氣相位調節仍能使進入DOC的能量明顯增加，這可從DOC前的累積能量曲線看出。這種效應不僅與廢氣溫度相關，而且也由行駛循環中倒拖和怠速運行階段DOC冷卻減少所引起，而且在這些運行階段熱廢氣在催化轉化器中的停留時間同時也延長了，所有這些因素共同改善了DOC的轉化率，并使效率提高多達15%。

圖4 WLTC行駛循環第一階段DOC的影響和反應

6 結語

通過該項目中所采取的各種措施，以及用于循環預測的全面試驗設計模型和整車動態測試，證實了用于轎車柴油機的可變氣門機構系統具有非常大的潛力。在發動機試驗臺架穩態測試基礎上，WLTC行駛循環第一階段的模型預測表明，進氣門晚開與排氣相位調節相結合使HC/CO原始排放的二次氧化改善高達47%，使DOC前的廢氣溫度提高51 ℃，并且在45 ℃冷機運行條件下不會出現CO2排放方面的缺陷。通過在轉鼓試驗臺上的整車測試證實了循環預測的結果。可變氣門機構進氣門晚開方案與排氣相位調節改善了冷起動和暖機運行，并通過缸內EGR提高了DOC的轉化率。試驗結果證實了可變氣門機構系統輔助冷起動和暖機性能在廢氣溫度管理、降低原始排放，以及催化轉化器加速響應特性、起燃特性和再生特性等方面的潛力，因此該項目能證實可變氣門機構系統應用于柴油機上的優勢。