进气门晚关策略对发动机经济性及炭烟排放的影响

王家盛，许 敏，苏建业，高 弈

（上海交通大学机械与动力工程学院汽车电子控制技术国家工程试验室，上海 200240）

随着世界范围内对降低油耗和减少CO2排放越来越急迫的需求，一系列新的汽油机技术被研发并实现产业化，其中，高增压和高压缩比直喷汽油机正成为新一代汽油机的重要发展方向［1－4］。直喷技术能够利用燃油蒸发时的汽化潜热降低缸内温度，抑制爆震，从而提高压缩比。

小型化增压技术能够在降低油耗的同时保证发动机的动力性，但随着发动机进一步小型化，为了满足发动机扭矩和功率的要求，增压比越来越大，而增压比的增加使发动机爆震成为更加严重的问题。为了抑制爆震，不得不降低发动机的几何压缩比，从而对燃油经济性造成负面影响。此外，直喷发动机相对进气道喷射发动机具有较高的炭烟排放［5］，炭烟排放成为另一个制约直喷汽油机发展的重要因素。

爆震是未燃混合气在火焰尚未传播到达前发生自燃产生的［6］，在一定程度上降低缸内混合气温度能够有效地抑制爆震。LIVC（进气门晚关）技术结合双VVT（可变气门正时）技术能够降低有效压缩比，从而降低缸内混合气温度，能在有效抑制爆震的同时降低传热损失，提高燃油经济性。之前的研究表明，基于进气门晚关策略（LIVC凸轮轴）和双VVT技术可以有效降低部分负荷时的泵气损失，从而改善燃油经济性［7］，但是LIVC技术会在大负荷时使炭烟排放恶化［8］。

外部EGR（废气再循环）已经被证实能够有效降低缸内温度，从而抑制爆震，减少传热损失，提高燃油经济性［9－10］。在排放方面，EGR技术也能够有效降低NOx和CO2排放［9－10］。此前的研究也表明了EGR在低速大负荷时对炭烟排放有明显的改善［11］。

本研究着重研究了LIVC策略对高压缩比增压直喷汽油机在低速大负荷下爆震性能的影响，在使用LIVC策略的基础上引入了外部冷却EGR技术，在降低炭烟排放的同时，进一步了提高燃油经济性。

1 试验设备与方法

本研究分别在低负荷和高负荷下对1台直列4缸、2.0L增压直喷汽油机进行试验。首先比较了几何压缩比由9.3提高到12.0时的燃油经济性和爆震性能，之后研究了LIVC策略在几何压缩比12.0下的爆震和燃油经济性。最后评估了外部冷却EGR结合LIVC策略改善炭烟排放、降低油耗的潜力。发动机的具体参数见表1。

本研究采用开发用ECU，通过INCA标定软件实现对发动机喷油时刻、进气门开启时刻、排气门关闭时刻、喷射压力、点火时刻等进行控制。所有的试验都在优化后的最优进排气相位、喷油时刻和喷油压力下进行。试验台架为AVL电力测功机台架，台架系统的搭建见图1。

燃油消耗使用AVL733S油耗仪来测定，排放使用AVL Smoke Meter和 Horiba Mexa－7100EGR来进行测定。燃油、冷却液、机油温度分别使用AVL753C，AVL553，AVL554来控制。缸内压力通过Kistler 6125A缸压传感器采样后，采用DEWE－800燃烧分析仪进行了放热率分析。

表1 试验发动机参数

本研究搭建了低压EGR回路，废气从三元催化器前引到空气滤清器的出口。EGR系统上配置了EGR中冷器以将废气温度冷却到100℃以下，废气和新鲜空气混合，经增压器增压后进入中冷器。本研究的进气温度控制在30℃。

2 试验结果与分析

2.1 压缩比对发动机燃油经济性的影响

试验工况为2000r／min，pme＝0.4MPa（工况1）和1000r／min，pme＝1.32MPa（工况2），两种工况分别为典型的部分负荷工况和低速大负荷工况。

图2示出在工况1压缩比从9.3提高至12.0后的油耗变化。试验为变点火角试验。在该工况下，压缩比从9.3提高至12.0带来了5%的油耗改善。提高压缩比改善了部分负荷的燃油经济性，但是在低速大负荷工况，压缩比提高也大幅增加了爆震强度。放热50%对应的曲轴转角（θCA50）与点火角有很强的相关性，所以被用来表征爆震倾向［6］。如图3所示，在低速大负荷工况下，压缩比从9.3提高到12.0，为了避免爆震，点火角不得不推迟，从而导致θCA50推迟了12.0°。图4示出在这一工况下两种压缩比的燃油消耗对比。从图4可以看出，在爆震临界点处，应用压缩比12.0的活塞不仅没有起到改善燃油经济性的作用，反而使油耗相比于压缩比9.3的活塞上升了2.7%。虽然压缩比的增加使理论热效率有所提高，但是由于爆震恶化，点火角被迫推迟，从而导致燃烧相位恶化，等容度下降，油耗上升。综合以上分析可以看出，低速大负荷工况下的爆震问题是限制压缩比提高的一个重要因素。

2.2 进气门晚关策略对发动机爆震、燃油经济性及炭烟排放的影响

本研究采用LIVC策略降低大负荷时的有效压缩比，从而抑制发动机在该工况下的爆震倾向。采用的LIVC策略为进气门相对原凸轮轴晚关40°。试验在工况2下进行，研究了在采用压缩比12.0活塞的情况下应用LIVC策略对燃油经济性和爆震性能的影响。如图5所示，在压缩比12.0的条件下，应用LIVC策略后，θCA50提前了9.4°，接近原机低压缩比结构下的水平，从而表明LIVC策略可以显著抑制爆震。首先，进气门晚关降低了有效压缩比，使得压缩终了时的混合气温度降低，从而实现对爆震的抑制。其次，应用LIVC策略后，一部分进气被推回至进气道，为了保持同样的负荷就需要更大的进气压力，一部分原来应由活塞压缩的气体现在通过增压器压缩，经过中冷器后进一步降低了缸内温度［6］。由于燃烧相位的提前和泵气功改善等其他原因，发动机的燃油经济性与原机和原凸轮轴结合12.0压缩比相比，分别改善了4.2%和6.9%（见图6）。

直喷汽油机在大负荷工况下有大量的燃油直接喷射进气缸，液滴的蒸发和均质混合气的形成相对进气道喷射发动机更加困难。因此对直喷发动机来说，炭烟排放成为一个越来越重要的问题。LIVC策略使得部分气体在压缩冲程被推回至进气道，削弱了缸内的涡流比和滚流比，对缸内混合气的形成造成不利的影响［8］，加剧了炭烟排放问题，如图7所示，应用LIVC策略时，炭烟排放增加了240%。

世界范围内对于炭烟排放正在给予越来越多的重视，排放法规对于炭烟排放的限制也越来越严格。目前欧Ⅴ排放标准对直喷汽油机炭烟排放的限制为5mg／kg，而即将在2014年出台的欧Ⅵ标准则不仅对炭烟排放的质量有更严格的标准，还将对其数量作出限制［11］。因此，LIVC凸轮轴带来的高炭烟排放会极大限制其应用，需要寻找有效的手段解决其炭烟排放过高的问题。

2.3 EGR结合LIVC策略对发动机燃油经济性和炭烟排放的影响

此前有研究表明，在直喷汽油机中应用外部冷却EGR除了能够改进燃油经济性外，还能够降低炭烟排放65%［13］。因此，EGR有希望缓解LIVC带来的高炭烟排放问题。本研究在0%和15%EGR率下研究了EGR结合LIVC策略对炭烟排放的影响。试验在工况1进行。如图8所示，在EGR率为15%时，炭烟排放降低了31%。EGR的实现需要更大的进气压力以保持同样的负荷，从而改善混合气的形成，这是炭烟排放改善的原因之一。EGR对燃烧温度的降低也将对炭烟生成产生抑制作用。另外，EGR对油耗的改善使进入缸内的燃油减少，从而改善炭烟排放。如图9所示，15%的EGR率在降低炭烟排放的同时，进一步降低了4.4%的燃油消耗。通过应用LIVC策略、EGR以及压缩比12.0活塞，高负荷工况下的燃油经济性得到了8.6%的改善。

3 结论

a）在部分负荷工况，将压缩比从9.3提高至12.0后，燃油经济性得到了5.0%的改善，但是在大负荷工况，压缩比的提升导致爆震加强，点火角不得不推迟，燃烧相位恶化，燃油消耗反而上升了2.7%；

b）在低速大负荷工况，通过应用LIVC策略，发动机在压缩比12.0的活塞下的燃烧相位接近原机（原凸轮轴，压缩比9.3）的水平，实现了对爆震的抑制；

c）在大负荷工况，LIVC策略对炭烟排放造成了不利的影响，应用LIVC策略后，炭烟排放在1000r／min，pme＝1.32MPa这一工况下增加了240%；

d）EGR在大负荷能够改善LIVC带来的高炭烟排放，在EGR率为15%时，炭烟排放降低了31%；

e）在1000r／min，pme＝1.32MPa这一工况下，结合LIVC策略、12.0压缩比活塞和EGR 3种技术，燃油消耗降低了8.6%。

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