進(jìn)氣門晚關(guān)策略對發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性及炭煙排放的影響

王家盛，許 敏，蘇建業(yè)，高 弈

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院汽車電子控制技術(shù)國家工程試驗室，上海 200240）

隨著世界范圍內(nèi)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(jī)技術(shù)被研發(fā)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其中，高增壓和高壓縮比直噴汽油機(jī)正成為新一代汽油機(jī)的重要發(fā)展方向［1－4］。直噴技術(shù)能夠利用燃油蒸發(fā)時的汽化潛熱降低缸內(nèi)溫度，抑制爆震，從而提高壓縮比。

小型化增壓技術(shù)能夠在降低油耗的同時保證發(fā)動機(jī)的動力性，但隨著發(fā)動機(jī)進(jìn)一步小型化，為了滿足發(fā)動機(jī)扭矩和功率的要求，增壓比越來越大，而增壓比的增加使發(fā)動機(jī)爆震成為更加嚴(yán)重的問題。為了抑制爆震，不得不降低發(fā)動機(jī)的幾何壓縮比，從而對燃油經(jīng)濟(jì)性造成負(fù)面影響。此外，直噴發(fā)動機(jī)相對進(jìn)氣道噴射發(fā)動機(jī)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(jī)發(fā)展的重要因素。

爆震是未燃混合氣在火焰尚未傳播到達(dá)前發(fā)生自燃產(chǎn)生的［6］，在一定程度上降低缸內(nèi)混合氣溫度能夠有效地抑制爆震。LIVC（進(jìn)氣門晚關(guān)）技術(shù)結(jié)合雙VVT（可變氣門正時）技術(shù)能夠降低有效壓縮比，從而降低缸內(nèi)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(jīng)濟(jì)性。之前的研究表明，基于進(jìn)氣門晚關(guān)策略（LIVC凸輪軸）和雙VVT技術(shù)可以有效降低部分負(fù)荷時的泵氣損失，從而改善燃油經(jīng)濟(jì)性［7］，但是LIVC技術(shù)會在大負(fù)荷時使炭煙排放惡化［8］。

外部EGR（廢氣再循環(huán)）已經(jīng)被證實能夠有效降低缸內(nèi)溫度，從而抑制爆震，減少傳熱損失，提高燃油經(jīng)濟(jì)性［9－10］。在排放方面，EGR技術(shù)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(fù)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(jī)在低速大負(fù)荷下爆震性能的影響，在使用LIVC策略的基礎(chǔ)上引入了外部冷卻EGR技術(shù)，在降低炭煙排放的同時，進(jìn)一步了提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 試驗設(shè)備與方法

本研究分別在低負(fù)荷和高負(fù)荷下對1臺直列4缸、2.0L增壓直噴汽油機(jī)進(jìn)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(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)性。最后評估了外部冷卻EGR結(jié)合LIVC策略改善炭煙排放、降低油耗的潛力。發(fā)動機(jī)的具體參數(shù)見表1。

本研究采用開發(fā)用ECU，通過INCA標(biāo)定軟件實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)噴油時刻、進(jìn)氣門開啟時刻、排氣門關(guān)閉時刻、噴射壓力、點(diǎn)火時刻等進(jìn)行控制。所有的試驗都在優(yōu)化后的最優(yōu)進(jìn)排氣相位、噴油時刻和噴油壓力下進(jìn)行。試驗臺架為AVL電力測功機(jī)臺架，臺架系統(tǒng)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(jìn)行測定。燃油、冷卻液、機(jī)油溫度分別使用AVL753C，AVL553，AVL554來控制。缸內(nèi)壓力通過Kistler 6125A缸壓傳感器采樣后，采用DEWE－800燃燒分析儀進(jìn)行了放熱率分析。

表1 試驗發(fā)動機(jī)參數(shù)

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(tǒng)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(jīng)增壓器增壓后進(jìn)入中冷器。本研究的進(jìn)氣溫度控制在30℃。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 壓縮比對發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)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(fù)荷工況和低速大負(fù)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(diǎn)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(fù)荷的燃油經(jīng)濟(jì)性，但是在低速大負(fù)荷工況，壓縮比提高也大幅增加了爆震強(qiáng)度。放熱50%對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（θCA50）與點(diǎn)火角有很強(qiáng)的相關(guān)性，所以被用來表征爆震傾向［6］。如圖3所示，在低速大負(fù)荷工況下，壓縮比從9.3提高到12.0，為了避免爆震，點(diǎn)火角不得不推遲，從而導(dǎo)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(diǎn)處，應(yīng)用壓縮比12.0的活塞不僅沒有起到改善燃油經(jīng)濟(jì)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(diǎn)火角被迫推遲，從而導(dǎo)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(fù)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(jìn)氣門晚關(guān)策略對發(fā)動機(jī)爆震、燃油經(jīng)濟(jì)性及炭煙排放的影響

本研究采用LIVC策略降低大負(fù)荷時的有效壓縮比，從而抑制發(fā)動機(jī)在該工況下的爆震傾向。采用的LIVC策略為進(jìn)氣門相對原凸輪軸晚關(guān)40°。試驗在工況2下進(jìn)行，研究了在采用壓縮比12.0活塞的情況下應(yīng)用LIVC策略對燃油經(jīng)濟(jì)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(yīng)用LIVC策略后，θCA50提前了9.4°，接近原機(jī)低壓縮比結(jié)構(gòu)下的水平，從而表明LIVC策略可以顯著抑制爆震。首先，進(jìn)氣門晚關(guān)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(xiàn)對爆震的抑制。其次，應(yīng)用LIVC策略后，一部分進(jìn)氣被推回至進(jìn)氣道，為了保持同樣的負(fù)荷就需要更大的進(jìn)氣壓力，一部分原來應(yīng)由活塞壓縮的氣體現(xiàn)在通過增壓器壓縮，經(jīng)過中冷器后進(jìn)一步降低了缸內(nèi)溫度［6］。由于燃燒相位的提前和泵氣功改善等其他原因，發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性與原機(jī)和原凸輪軸結(jié)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(jī)在大負(fù)荷工況下有大量的燃油直接噴射進(jìn)氣缸，液滴的蒸發(fā)和均質(zhì)混合氣的形成相對進(jìn)氣道噴射發(fā)動機(jī)更加困難。因此對直噴發(fā)動機(jī)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(jìn)氣道，削弱了缸內(nèi)的渦流比和滾流比，對缸內(nèi)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(yīng)用LIVC策略時，炭煙排放增加了240%。

世界范圍內(nèi)對于炭煙排放正在給予越來越多的重視，排放法規(guī)對于炭煙排放的限制也越來越嚴(yán)格。目前歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)對直噴汽油機(jī)炭煙排放的限制為5mg／kg，而即將在2014年出臺的歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)則不僅對炭煙排放的質(zhì)量有更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，還將對其數(shù)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(yīng)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(jié)合LIVC策略對發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和炭煙排放的影響

此前有研究表明，在直噴汽油機(jī)中應(yīng)用外部冷卻EGR除了能夠改進(jìn)燃油經(jīng)濟(jì)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(jié)合LIVC策略對炭煙排放的影響。試驗在工況1進(jìn)行。如圖8所示，在EGR率為15%時，炭煙排放降低了31%。EGR的實現(xiàn)需要更大的進(jìn)氣壓力以保持同樣的負(fù)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(chǎn)生抑制作用。另外，EGR對油耗的改善使進(jìn)入缸內(nèi)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(jìn)一步降低了4.4%的燃油消耗。通過應(yīng)用LIVC策略、EGR以及壓縮比12.0活塞，高負(fù)荷工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性得到了8.6%的改善。

3 結(jié)論

a）在部分負(fù)荷工況，將壓縮比從9.3提高至12.0后，燃油經(jīng)濟(jì)性得到了5.0%的改善，但是在大負(fù)荷工況，壓縮比的提升導(dǎo)致爆震加強(qiáng)，點(diǎn)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(fù)荷工況，通過應(yīng)用LIVC策略，發(fā)動機(jī)在壓縮比12.0的活塞下的燃燒相位接近原機(jī)（原凸輪軸，壓縮比9.3）的水平，實現(xiàn)了對爆震的抑制；

c）在大負(fù)荷工況，LIVC策略對炭煙排放造成了不利的影響，應(yīng)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(fù)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(jié)合LIVC策略、12.0壓縮比活塞和EGR 3種技術(shù)，燃油消耗降低了8.6%。

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