VVT扫气对发动机影响的研究

王国栋 余光耀 李高坚 赖学云 杨武森

摘要：本文针对VVT扫气效应对发动机的影响进行了研究。研究结果表明：VVT扫气可提升发动机低速大负荷区域的扭矩和改善点火角效率，降低油耗。在1600rpm全负荷30度的气门重叠角时，扫气可提升28.3%的扭矩。但VVT扫气对排放和催化剂过热保护不利，在1600rpm全负荷30度气门重叠角扫气时HC相对无扫气时增加3.23倍。低速时燃烧温度相对较低，NOx排放变化并不剧烈。约1%的燃烧效率计算误差就会引起大约20～30度的温度差别。关键词：VVT;扫气效应;扭矩提升;排放;lambda控制

中图分类号：TK411.24

文献标识码：A

文章编号：1005-2550（2019）06-0023-04

Research On The Effects Of WVT Scavenging On The Engine

WANG Guo-dong， YU Guang-yao， LI Gao-jian， LAI Xue-yun， YANG Wu-sen（ Technical Center， SAIC GM WuLing Automobile Co.， LTD， LiuZhou545005， China ）

Abstract： The influence of the VVT scavenging effect on engines was studied in the article. The results show that the VVT scavenging can improve engine at low speed heavy load torque and the efficiency of ignition Angle and reduce the engine' s fuel consumption. The .1600rpm Full load at 30 degrees of valve overlap Angle， the scavenging can improve 28.3% of its torque. But the VVT scavenging against emissions and catalyst overheating protection.When the scavenging applied to the 1600rpm Full load at 30 degrees of valve overlap Angle， the HC emissions increased 3.23 times compared to no scavenging. Because of the combustion temperature of lower speed area is relatively low， the NOx emissions change is not severe.About 1% of the combustion efficiency calculation error will cause about 20 ～ 30 degree temperature difference.

Key Words： VVT; Scavenging effect; Torque increasing; emission; lambda controlled

王国栋

毕业于武汉理工大学车辆工程领域工程專业，硕士学位，现任上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心电子与标定工程部总监。

主要从事汽油机的性能开发、汽油机整车应用匹配，ADAS自动驾驶系统匹配，车联网+远程启动标定匹配，ECU/TCU软件开发匹配、国六整车标定匹配等动力总成开发工作，已发表论文数篇。

前言

随着我国面临的排放压力越来越大，国家政策倾向于支持小排量发动机的车辆，促进了小排量汽油机在我国车辆的配置越来越普及。通常情况下排量小意味着马力小，为了提升小排量排汽油机马力，应用到发动机上的新技术层出不穷。可变气门正时（VVT）因其技术成熟、效果显著而被广泛应用于小型汽油机，上。而扫气则是VVT主要应用功能之一，本文对小型汽油机VVT扫气功能在汽油机上的应用进行研究。

1扫气原理与应用

1.1扫气原理

扫气是利用进气门前端的压力大于排气门后端的正向压差和气门重叠效应，使新鲜空气（或未燃混合气）在发动机排气冲程从进气门进入燃.烧室把其残余废气稀释或冲出燃烧室的一个物理过程。图1所示即为发动机的扫气原理图。当燃烧室内的lambda（λ）小于尾气的λ时必然发生了扫气现象，而没有发生扫气现象时燃烧室内的λ等于于尾气的λ。从扫气原理可知，要利用扫气功能的发动机必须具备两大硬件功能。（1）增压功能：利用增压效应产生进气歧管压力大于排气歧管压力的正向压差现象。（2）进气VVT：在发动.机排气冲程提前打开进气门，形成气门重叠角，使得扫气功能的实现。理想的情况是具有进排气双VVT，双VVT可实现进气门提前开启、排气门推迟的大气门重叠角，可充分利用扫气功能来提高气缸内的进气量，进而提高发动机的扭矩输出。

1.2扫气应用范围

进排气门重叠且进排气歧管存在正向压差时可以进行扫气，决定了实际应用中扫气功能主要应用在发动机中低转速大负荷区域。扫气一般发生在低于3000rpm的中低转速区，低转速区可以提.高全负荷扭矩约20%～30%，甚至更多。扫气发生在中低转速大负荷区域的原因主要有三个：（1）正向压差主要依靠涡轮增压形成，涡轮增压的增压压力设定在3000rpm以后会降低，导致正向压差降低最后为0，扫气无法实现。（2）转速超过3000rpm时，气i]重叠角的变化已经不能使发动机无法达到很好的气流效应。（3）转速在3000rpm以上时，对VVT的控制精度要求更高，比如扫过20度曲轴转角（CA）约只需1ms，电子控制的滯后效应无法使VVT达到很好的控制效果。

2扫气对发动机动力与排放的影响

2.1扫气对发动机动力的影响

本文所研究发动机的是一款1.5L的歧管多点喷射的增压汽油机，其主要参数如表1所示，后续的所有数据均是基于本款发动机而来。

造成扫气效果的进排气正向压差发生在排气冲程气缸往，上止点运动过程，由涡轮增压系统能;够产生正向压差，扫汽和废气阀控制配合使得更多废气被清除出燃烧室，提高充气量。由于增加的空气量导致喷油量增加从而扭矩增大，进一步加强增压对扭矩的提升效果。增加通过压缩器的流量，增大增压器的压缩能力，使扫气更有效。如此循环可以更早提升扭矩，增强低速时候增压响应能力降低增压迟滯现象，提升发动机的动力性。图2所示是本款发动机分别在1600rpm和2800rpm全负荷时扫气对发动机扭矩的提升作用。在1600rpm全负荷时气门重叠越大，扫气效应越强对发动机扭矩的提升就越大。气门重叠角在30度CA扫气时，其扭矩相比无扫气的0度气门重叠角的提升了28.3%。在2800rpm全负荷时，气门重叠角对扭矩的提升表现为随着气门重叠角增加到一定程度时，扭矩有轻微的提升，之后随着气门重叠角的继续增大扭矩有轻微的下降。可见到发动机提升到到一定转速后，扫气效应对发动机扭矩提：升作用不大。

2.2扫气对发动机排放的直接影响

扫汽在低速大负荷区域使得发动机扭矩有较大幅度的提升，但在提升扭矩的同时也要关注扫气对发动机气体排放的影响。显然气门重叠角越大，扫汽效应就越强。图3和图4分别是在发动机1600rpm全负荷时不同气门重叠角下发动机HC和NOx排放物的变化。从图3可看出，随着扫气程度的加强，HC排放物直线上升，尤其是气门重叠角达到20度以后，急剧上升。图4则显示出了NOx排放与扫气强弱规律性不强，扫气扫到一定程度后NOx排放会有所降低，但不明显。从NOx生成机理也可知，NOx主要与高温、富氧的条件有关，与扫气强弱没有直接的关系。

3扫气对lambda控制、点火角提升、催化剂保护的影响

3.1扫气对lambda（λ）的影响

随着排放法规越来越严格，要求电喷系统能准确地测出排气lambda（λ）从而更为准确地控制喷油量，减少气体排放污染物。特别是《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》（中国第六阶段）出台后，能实时测出排气λ的宽域氧传感器作为前氧应用到了排气系统中（窄域氧传感器只能判断λ>1还是λ<1，无法精确得到λ的值）。如图5所示，当发动机没有扫气效应时，燃烧室内的λ和排气的λ相等，即λcombustion=λexhaust当燃烧室和排气混合气λ=1时，落在三元催化剂最佳催化转化窗口内，此时三元催化器净化能力最强，排放最优。

扫气效应发生时新鲜空气穿过燃烧室进人排气管，导致排气管中的λ与燃烧室中的λ不一致。根据排放最优原则不管是否发生扫气均要求排气管中的λ=1。由于扫气使得新鲜气体进人排气管，前氧传感器测得的λ比燃烧室实际λ偏大，所以需要控制燃烧室λ<1来保证排气管λ=1。但如果过量新鲜空气进人排气管，在排气管中与加浓的尾气（过分控制λ<1导致）反应，使排温过高，会导致催化器过热（图6中a所示）此时为了保护催化器，需要减少燃烧室混合气加浓使燃烧室的实际λ=1，或者减少重叠角，从而减少扫气量，此时可以测得排气管λ>1。但减少喷油量的方法，可能造成燃烧室真实λ>1（可根据前氧传感器判断），形成稀薄燃烧，导致排放Nox偏高，排放变差。系统根据前氧反馈需要使得：排放最优，则又要求排气管λ=1，增加扫气量，增加喷油量。以上两种控制方式需要时时根据排气温度和前氧检测结果进行切换，以排气管中的λ=1为主要控制目标。

3.2扫气对点火角的影响

在增压发动机的中大负荷区域，点火提前角受到发动机爆震抑制，点火角推迟较多。采取以上的空燃比控制策略，意味着大于0的气门重叠角，进气阀在排气冲程打开，新鲜气体扫出了燃烧室内高温的残余废气，燃烧室温度降低使下一个循环内爆震可能发生点后移，相对点火提前角则可以更大些，点火效率也能相应增加。图7所示的是发动机在1600转80%负荷，lambda控制在1时扫气对点火角与油耗的影响。从图7可看出发动机点火角随着扫气效应的增强而相对提前。气门重叠角为18度CA时，扫气效应最强，此时点火角相对无扫气时的0度CA气门重叠角的点火角相对提前约5.7度。此外从图7也可看出随着点火角效率的提高，发动机油耗率也随着降低，说明扫气有改善发动机燃烧的作用。

3.3扫气对催化器保护的影响

发生扫气效应意味着气门重叠时候新鲜气体进入了排气管，保持前氧lambda为1的控制目标意味着燃烧室内实际lambda<1，即加浓状态。此时排气中不可避免会有富余HC，这些HC在高温的排气中会和新鲜气体进行化学反应放出热量，易于导致催化剂过热。为了防止催化剂过热需要控制燃烧室内加浓状态，减少喷油量，或者减少进人排气管的新鲜气体量，主要指的是氧气量。这样就可以减少排气管中的化学反应，降低放热量。排气温度可以作为扫气效应匹配的关键反馈。对排气管lambda=1时发生的催化剂过热，受到发动机系统容差的影响较大。根据已有试验数据，约1%的燃烧效率计算误差就会引起大约20～30度的温度差别。故而利用VVT扫气效应时，对催化剂过热保护必不可少。

4结语

VVT的扫气效应对增压发动机的低速扭矩有较大的提升作用，可降低发动机的增压迟滯效应。另一方面，VVT扫气效应还可提高发动机的点火角效率降低发动机油耗。但需要注意的是在提升扭矩的同時，发动机的HC排放随着扫气效应的增强而急剧增多，要在排放法规限值内合理利用VVT扫气效应。此外，利用VVT扫气效应时还需考虑催化剂过热保护。

参考文献：

[1]陈绪平，詹樟松，刘斌等增压直喷汽油机低速.高负荷扫气性能研究.内燃机工程，2015，36（3）：152～156.

[2]王志，徐雅齐，王建昕.增压直喷汽油机扫气抑制爆震试验研究及模拟解析.内燃机工程，2013，34（4）：13～17.

[3]刘然，卢维伟，姜坤等.DVVT对扫气影响的试验研究.小型内燃机与车辆技术，2015（1）：1～5.

[4]刘青林，钱海青，张香月等扫气对直喷增压汽油机性能影响的试验研究.汽车实用技术，2017（15）：133～135.

[5]张雷，方海峰.汽油发动技术的研究动态.汽车与配件，2011-49（No12）：18～20.

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龙永生：

目前由于油耗压力，增压适度型发动机已经是现在及将来发动机的发展方向，而可变相.位进排气VVT系统，由于其成本低，可靠耐久，带来的性能改善效果明显，已经被广泛应用在发动机领域。

本文主要针对采用VVT可变相位的增压发动机进排气系统中的扫气功能，分析讨论如何利用VVT扫气效果进一步提升改善发动机性能，并通过试验验证表明：VVT的扫气效应确实对增压发动机的低速扭矩有较大的提升作用，可一定程度减轻发动机的增压迟滞效应;同时VVT扫气效应还可改善点火角效率达到降低发动机油耗的目的。但另一方面需要注意的是VVT的扫气效应对发动机的HC排放，会随着扫气效应的增强而急剧增多，需要综合考虑提升性能及优化排放。尤其提到对催化器的过热保护对生产企业具有较好的指导意义。