VVT與LPEGR對混合動力汽油機燃油經(jīng)濟性的影響

張龍平，宮寶利,3，黃德軍，伍晨波，劉永剛，胥昌懋

(1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044；3.中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083)

未來10～15 年，我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體目標(biāo)是碳排放總量將先于國家碳減排承諾提前達(dá)峰，汽車產(chǎn)業(yè)基本實現(xiàn)電動化轉(zhuǎn)型。《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0總報告》指出，推廣混合動力與先進節(jié)能技術(shù)在節(jié)能汽車中的應(yīng)用是我國汽車產(chǎn)業(yè)降低能源消耗、減輕環(huán)境污染、實現(xiàn)能源安全的重要保障[1]。基于節(jié)能汽車技術(shù)的持續(xù)進步和發(fā)展，到2025、2030及2035年，乘用車新車百公里油耗分別降到4.6 L，3.2 L和2.0 L，因此混合動力汽車的推廣，將是油耗達(dá)標(biāo)的重要手段，而混合動力汽油機的燃油消耗率水平是混合動力汽車油耗是否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。

對于混合動力專用汽油機來說，VVT和LPEGR是其必備技術(shù)[2-4]。 VVT技術(shù)既可以滿足汽油機不同工況對氣門正時的不同要求，改善汽油機的動力性能，也是實現(xiàn)米勒循環(huán)技術(shù)的重要手段。米勒循環(huán)技術(shù)通過進氣早關(guān)(EIVC)的策略在壓縮行程開始之前使混合氣經(jīng)歷一個膨脹過程，對混合氣進行內(nèi)部冷卻，以降低汽油機熱負(fù)荷、減少壓縮功。EIVC 策略大大降低了汽油機的有效壓縮比。汽油機的膨脹比大于壓縮比，在膨脹行程中可最大限度地將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，達(dá)到改善汽油機熱效率、降低燃油消耗的目的[5-6]。

均質(zhì)當(dāng)量比GDI耦合廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)是目前汽油機的一個研究熱點。EGR既可以降低缸內(nèi)溫度從而減少傳熱損失、抑制大負(fù)荷爆震趨向，又可以減小部分負(fù)荷的泵氣損失，從而改善汽油機的燃油經(jīng)濟性，減少顆粒物等排放[7]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)主要集中在EGR和VVT技術(shù)分別對發(fā)動機燃燒及排放性能影響的研究，為最大限度提升發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，本研究將在一臺1.5 L高壓直噴、米勒循環(huán)汽油機上使用VVT和LPEGR技術(shù)，探究VVT和LPEGR技術(shù)對汽油機燃油經(jīng)濟性的影響規(guī)律。

1 測控系統(tǒng)及試驗方案

1.1 測試系統(tǒng)

試驗所用發(fā)動機的主要參數(shù)見表1，試驗測試系統(tǒng)見圖1。汽油噴射參數(shù)由開放式ECU控制，可以靈活調(diào)整噴油、點火、VVT、EGR率及空燃比等參數(shù)；試驗臺架配備AVL EN60034-1交流電力測功機、AVLPUMA臺架控制系統(tǒng)及AVLFEM-AIN數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；3個氣缸的壓力測量采用KISTLER火花塞式缸內(nèi)壓力傳感器，缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)由燃燒分析儀進行記錄與處理；尾氣測量采用AVL AMAi60氣體排放分析儀，雙通道測量可精確測量EGR率；尾氣采樣點均采集汽油機的原始排放；燃油消耗率測量采用AVL735S燃油消耗率儀，并配753燃油恒溫控制設(shè)備；空燃比測量采用ETAS的ES630空燃比分析儀；LPEGR則從三元催化轉(zhuǎn)化器后、GPF前引出廢氣至壓氣機進口，以獲得更加清潔的廢氣，降低廢氣損傷渦輪增壓器壓氣機葉輪的可能性。

表1 試驗汽油機基本參數(shù)

圖1 發(fā)動機測試系統(tǒng)示意

1.2 測試方案

本研究的測試方案見表2。在最低燃油消耗率區(qū)域內(nèi)選擇2 500 r/min，單缸每沖程新鮮空氣流量450 mg的工況點作為試驗工況點，且每個測試點保證相同的進氣量，過量空氣系數(shù)控制為1，點火角控制在使發(fā)動機處于爆震邊界或AI50在8°ATDC附近,噴油相位由噴油MAP自動控制。

首先在不引入LPEGR的情況下，在每個排氣VVT開度下分別調(diào)整進氣VVT開度(步長均為5°)進行試驗，以研究VVT開度組合對燃油消耗率的影響。其中進氣VVT只能往提前開啟方向移動，進氣VVT越提前則VVT開度值越大，開啟范圍為0°～60°；排氣VVT只能往延后方向移動，排氣VVT越延后則VVT開度值越大，開啟范圍為0°～25°。然后在不同VVT開度下引入LPEGR，每個測試點EGR率從0逐漸增大到失火邊界，EGR率的測試步長為2%。EGR率通過AMAi60氣體排放分析儀分別測得進排氣管路和大氣的CO2濃度后計算得到[8]。

表2 試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 VVT技術(shù)對混合動力汽油機燃油消耗率的影響

圖2示出不同排氣VVT下，燃油消耗率隨進氣VVT的變化情況。由圖2可以看出，隨著進氣VVT開度的增大，發(fā)動機的燃油消耗率先降低再增加，而隨排氣VVT開度的增大，燃油消耗率有增加的趨勢，進排氣VVT重疊角越大，燃油消耗率增加越明顯，且進氣VVT出現(xiàn)的燃油消耗率拐點更提前。

圖2 VVT對燃油消耗率的影響

進排氣VVT適當(dāng)提前，燃油消耗率降低，主要原因是發(fā)動機的泵氣損失降低和燃燒效率提高。圖3示出IMEPL(IMEPL主要表示進排氣低壓循環(huán)所消耗的平均壓力)與進排氣VVT的關(guān)系。從圖3可以看出，隨著進氣VVT增大和排氣VVT減小，IMEPL絕對值減小，說明泵氣損失減小，這是由于發(fā)動機采用了米勒循環(huán)技術(shù)，隨著進氣VVT的增大，發(fā)動機的“米勒效應(yīng)”更突出，即進氣VVT越提前開啟，關(guān)閉時間也會越提前，在進氣行程還未結(jié)束時，進氣VVT已經(jīng)關(guān)閉，進入氣缸的氣體要先膨脹后再壓縮。為了保證相同的進氣量，隨著進氣VVT的提前，進氣壓力也要隨之升高(見圖4)，由此帶來的益處則是在氣門關(guān)閉的進氣行程末期由于氣體膨脹有更大的進氣壓力而對活塞做功。再者，由于在進氣末期有氣體膨脹過程，則在壓縮開始時氣體的溫度也會降低，從而使得壓縮負(fù)功減少(相同質(zhì)量、溫度更低)且壓縮上止點的工質(zhì)溫度更低[5-6]。而排氣VVT減小，即VVT開度提前，發(fā)動機的自由排氣更多、強制排氣更少，則消耗的排氣負(fù)功降低[7]。

圖3 IMEPL隨VVT開度的變化規(guī)律

圖4 相同進氣量下進氣壓力隨VVT開度的變化

圖5示出IMEPH與進排氣VVT的關(guān)系，IMEPH表示發(fā)動機壓縮和膨脹的兩個高壓循環(huán)所做的合功，主要體現(xiàn)燃燒效率。由圖5可以看出，進氣VVT增大，發(fā)動機的IMEPH先增大后降低，隨排氣VVT延后，IMEPH降低。如前所述，隨進氣VVT的增大，壓縮上止點缸內(nèi)工質(zhì)的溫度降低，使得點火可以提前近10°而不產(chǎn)生爆震(見圖6)，由此，可使燃燒重心提前且部分工況能控制在最佳燃燒相位附近(6°～9°ATDC，見圖7)。此外，如圖8和圖9所示，隨進氣VVT的增大，AI90有減小趨勢，但主燃期卻逐漸增大，說明進氣VVT提前使得燃燒等容度更高且燃燒更充分，進而使得IMEPH增大、燃油消耗率降低。

圖5 IMEPH隨VVT開度的變化規(guī)律

圖6 點火提前角隨VVT開度的變化關(guān)系

圖7 AI50隨VVT開度的變化規(guī)律

圖8 AI90隨VVT開度的變化規(guī)律

圖9 主燃期隨VVT開度的變化規(guī)律

2.2 EGR耦合VVT技術(shù)對混合動力汽油機燃油消耗率的影響

圖10示出在不同VVT組合下引入LPEGR后燃油消耗率的變化規(guī)律。由圖10可以看出，不同VVT組合下隨著EGR率的增加，燃油消耗率先逐漸下降然而后增加，但燃油消耗率隨EGR率增加下降的斜率和燃油消耗率拐點位置是有略微差別的。這是由于隨EGR率增加，部分廢氣回到缸內(nèi)使得混合氣的比熱容增大，有利于提升發(fā)動機的熱效率；缸內(nèi)混合氣比熱容增加后會降低缸內(nèi)燃燒溫度，使得發(fā)動機的傳熱損失降低；此外，在大負(fù)荷工況EGR惰性氣體的加入能有效地抑制發(fā)動機爆震，點火角提前，使燃燒相位提前，從而降低燃油消耗率。但是，過大的EGR率會導(dǎo)致缸內(nèi)的氧濃度過低，造成發(fā)動機點火困難甚至失火(一般稱為燃燒限制)，從而使得燃油消耗率增加。

圖10 EGR對不同VVT組合下燃油消耗率的影響

為了分析方便，定義了EGR降油斜率ψ，即各VVT組合下燃油消耗率隨EGR率的下降斜率。具體描述為，把每個VVT組合下最低燃油消耗率點對應(yīng)的EGR率稱為該VVT組合的最佳EGR率，且把燃油消耗率隨EGR率增加而下降的線作近似線性處理，計算出每個VVT組合下燃油消耗率隨EGR率變化曲線的斜率值。

如某個VVT組合下，當(dāng)EGR率為0時燃油效率為221.6 g/(kW·h)，最低燃油消耗率點205.5 g/(kW·h)對應(yīng)的EGR率為23.2%，此時的斜率ψ為

式中：FE為該VVT組合下的最低燃油消耗率；F0為無EGR時對應(yīng)的燃油消耗率；EEGR為最低燃油消耗率點對應(yīng)的EGR率，稱為最佳EGR率。

由于燃油消耗率隨EGR率增加一般呈下降趨勢，因此斜率一般為負(fù)，斜率越小說明該VVT組合下EGR對降燃油消耗率的作用越大，反之則作用越小。

如圖11所示，隨進排氣VVT的減小，斜率逐漸減小，說明隨著VVT的減小，EGR降低燃油消耗率的作用逐漸增強。這是由于VVT減小，缸內(nèi)EGR氣體減少，因此外部LPEGR對降低燃油消耗率的作用更加明顯。而隨著VVT的增大，發(fā)動機內(nèi)部EGR增加本身具有降低燃油消耗率的作用，此時再加入外部LPEGR，雖然能進一步降低燃油消耗率，但會減小LPEGR對降低燃油消耗率的敏感度[9-10]。

圖11 EGR降油斜率隨VVT的變化規(guī)律

從圖12可以看出，隨著進氣VVT的減小，最佳EGR率逐漸增大，說明隨VVT重疊角增大，對應(yīng)的最佳LPEGR率有降低的趨勢。需要說明的是，隨VVT增大，最佳EGR率的減小除了受燃燒限制外，還會受到增壓器的限制。原因是進氣VVT增大，內(nèi)部EGR增加，燃燒溫度降低，則排氣溫度也降低，會導(dǎo)致增壓器在做功相同的情況下需要更多的排氣流量流進渦輪，所以增壓器旁通閥要關(guān)小，導(dǎo)致增壓更早到達(dá)控制極限(即旁通閥完全關(guān)閉)。另外，進氣VVT增大，發(fā)動機進氣效率降低，相同進氣量下所需的進氣壓力更大(如圖4所示)，則需增壓器的做功更多，進一步導(dǎo)致增壓旁通閥關(guān)小，更易導(dǎo)致增壓器受限。如圖13中的50°/10°VVT組合，對應(yīng)的增壓旁通閥開度為0，說明該測試點增壓器已經(jīng)到了極限。

圖12 不同VVT組合對應(yīng)的最佳EGR率

圖13 不同VVT組合最佳EGR率對應(yīng)的增壓器旁通閥開度

圖14示出各VVT組合最佳EGR率對應(yīng)的燃油消耗率以及相對不加EGR時的降幅。由圖14可以看出，隨著進氣VVT的減小， 最佳EGR率對應(yīng)的燃油消耗率降幅增大，最大下降16.4 g/(kW·h)，降幅為7.4%。燃油消耗率降低是因為隨進氣VVT的減小，EGR降油斜率增大。最低燃油消耗率為205.5 g/(kW·h)，對應(yīng)的進排氣VVT組合為10°/0°，最佳EGR率為23.2%。

圖14 不同VVT組合最佳EGR率對應(yīng)的燃油效率及燃油消耗率降幅

當(dāng)不加LPEGR時，燃油消耗率隨VVT的增大而降低，但隨著LPEGR的介入，最佳EGR率對應(yīng)的燃油消耗率則隨VVT的減小而降低。說明LPEGR帶來的燃油消耗率收益大于VVT提前帶來的燃油消耗率收益，且每個工況點都存在一個適中的LPEGR和VVT組合(即適中的內(nèi)外部EGR率)。

對于各VVT耦合最佳LPEGR降低燃油消耗率的方案，在燃燒層面的原因分析如圖15和圖16所示。可以看出，各VVT組合對應(yīng)的最佳EGR率下燃燒相位基本都能控制在6°～9°ATDC較為理想的位置，且各VVT組合下的IMEPL幾乎沒有變化，但更小的進氣VVT對應(yīng)的最佳EGR率下，IMEPH更大。說明該工況點LPEGR降低燃油消耗率不是通過減小泵氣損失和優(yōu)化燃燒相位，而主要是通過提高燃燒效率和傳熱損失兩個方面獲取的[11-12]。

圖15 不同VVT組合最佳EGR率對應(yīng)的燃燒重心

圖16 不同VVT組合最佳EGR率對應(yīng)的IMEPH和IMEPL

圖17和圖18示出不同VVT組合對應(yīng)最佳EGR率下渦前排氣溫度和CO排放的變化規(guī)律。由圖可以看出，隨著進氣VVT的增大，排氣溫度和CO排放都呈增大趨勢。CO排放越大說明燃燒不完全程度越高，且排氣VVT開度越大燃燒惡化程度越大，間接說明了LPEGR降低燃油消耗率主要是通過提高燃燒效率和傳熱損失兩個方面來實現(xiàn)的。

圖17 不同VVT組合最佳EGR率對應(yīng)的渦前排氣溫度

圖18 不同VVT組合最佳EGR率對應(yīng)的CO排放

3 結(jié)論

a) 進氣VVT適度增大、排氣VVT減小，發(fā)動機的米勒效應(yīng)更加突出，泵氣損失減小，且可增大點火提前角，使燃燒相位提前、燃燒效率提高，從而降低燃油消耗率，得到的最佳進/排氣VVT組合是50°/0°；

b) 不同VVT組合下加入LPEGR，燃油消耗率都呈下降趨勢，但降幅不同，最高下降7.4%,且呈現(xiàn)出隨進氣VVT的增大，降幅和最佳EGR率逐漸減小的趨勢；

c) 最佳EGR率下的燃油消耗率則隨VVT的減小而降低，最佳進/排氣VVT組合是10°/0°，最佳EGR率為23.2%，對應(yīng)的燃油消耗率為205.5 g/(kW·h)；

d) 外部LPEGR帶來的燃油消耗率收益大于VVT技術(shù)帶來的燃油消耗率收益，且每個工況點都存在一個適中的LPEGR率和VVT組合。