带EGR的两段式VVL发动机点火策略仿真分析＊

李献菁 李理光,2 邓俊 胡宗杰 童孙禹 栗工

（1.同济大学；2.同济大学中德学院；3.联合汽车电子有限公司）

带EGR的两段式VVL发动机点火策略仿真分析＊

李献菁1李理光1,2邓俊1胡宗杰1童孙禹1栗工3

（1.同济大学；2.同济大学中德学院；3.联合汽车电子有限公司）

基于GT-Power软件构建两段式可变气门升程发动机性能仿真模型，并对模型进行标定。燃烧模型及外特性计算结果与实测数据吻合，验证了模型的有效性。基于该仿真模型，分析采用大、小两种不同进气门升程时点火提前角对发动机爆震、动力性、经济性及NOx排放特性的影响。无EGR时，使用小进气门升程时较大气门升程有更高的缸内峰值压力和最高缸内温度，更易爆震且NOx排放也更高；在各自爆震边界点火时，两者动力性及经济性相近；EGR增加后爆震趋势减弱。

1 前言

通过取消节气门、采用全可变气门的控制方式来控制进气量，是最直接、有效的降低部分负荷泵气损失的方式，但该系统的结构及控制复杂且成本较高[1]。目前大都采用VVL的配气机构来提高充气效率，由于仍然通过节气门来控制负荷，因此未能真正消除泵气损失的影响，但可以通过调节气门运动和控制进排气过程来有效管理和引导缸内流场，提高部分工况下的热效率。两段式VVL技术便是其中一种[1]。

两段式VVL发动机在低转速时，因发动机主、副进气门开度不同，形成巨大的升降差异，从而得到强烈的回转涡流，产生高燃烧效率，可降低燃油消耗量；而在高速时，因主、副气门同时大开，故也能产生高功率[1]。Peter Kreuter等人[2～4]对两段式可变气门驱动（VVA）系统的结构及其对发动机性能的影响进行了研究，发现两段式VVA系统有利于提高发动机低速转矩及经济性。EGR可增加新鲜混合气中已燃气体的比例，增大混合气的热容，使最高燃烧温度下降，从而减少NOx排放。另外，通过EGR技术将废气引入进气歧管中，有利于提升进气歧管压力、减小部分负荷时泵气损失[5，6]。

空燃比和点火提前角是电控汽油机最重要的两个控制参数。由于进气道喷射汽油机大部分工况下以理论空燃比为目标进行闭环控制，因此点火提前角成为影响汽油机工作性能的主要因素[6～8]。针对VVL和EGR的特点，本文利用GT-Power软件建立相应发动机仿真模型，并结合发动机工作过程计算的基本理论，对其点火策略进行分析。

2 VVL+EGR发动机模型建立及验证

2.1 发动机主要参数

发动机主要技术参数如表1所列。该发动机采用主、副进气门，文中所述大升程表示主、副进气门升程都为9.8 mm，而小升程指主进气门升程为9.8 mm、副进气门升程为0.65 mm。

表1 发动机主要技术参数

2.2 仿真模型的建立及实机参数

发动机整体模型主要包括进排气系统模型、发动机本体模型、EGR控制模型、燃烧模型（爆震模型及排放模型包括在内）等。图1为发动机进、排气门升程曲线，采用小升程后，气门正时不变。

2.3 仿真模型的验证

图2对比了发动机采用大升程时在3 000 r/min且节气门开度为25%下的缸内压力仿真值和试验值。从图2中可见，仿真缸内压力随曲轴转角的变化趋势与试验值一致，仿真缸内压力值与试验值较吻合。图3对发动机燃油消耗率和转矩外特性的仿真值及试验值进行对比，各转速下油耗及转矩外特性仿真值和实测数据相差在5%以内，因此可利用该模型进行后续仿真。

3 两段式VVL发动机点火策略仿真分析

主要从发动机爆震、动力性、燃油经济性及NOx排放性能等方面对两段式VVL发动机的点火策略进行分析。

3.1 点火正时对VVL发动机爆震的影响

GT-Power中利用爆震强度指数评价爆震强度。在软件中调用爆震模型进行计算，指数越大，则爆震程度越高。为了利用该软件中的爆震评价方法，需要对爆震模型进行标定。

通常利用爆震控制系统使发动机工作在轻微爆震的状态下，以便改善发动机动力性及经济性[7，8]。发动机采用大升程时，在3 000 r/min、25%节气门开度下发生轻微爆震的点火角为-19°。以该工况下仿真得到的爆震强度指数为发动机发生轻微爆震的衡量指标，并定义此时对应的点火角为其爆震边界，其它工况下的指数若小于该值则认为未爆震。图4为爆震模型标定结果，大升程发动机发生轻微爆震时的爆震强度指数为17（图4中虚线表示爆震强度指数为17的边界线，下同），由此得到采用小升程时发生轻微爆震的点火角为-16.5°，与试验值-16°对比，两者较吻合，可利用该爆震模型进一步计算。

图5和图6分别给出1 800 r/min和2 000 r/min且EGR均为0%及节气门开度均为25%时，发动机爆震强度指数随点火正时的变化情况。可知，点火角相同时，两种工况下小升程爆震强度指数均较大，且发生轻微爆震时对应的点火角延迟，延迟量分别为1.5°和2.5°。由此，在实际发动机控制当中，若采用小升程后仍按大升程的基本点火角进行控制则易爆震。

图7为大、小升程发生轻微爆震时的点火角（爆震边界）随转速变化的趋势对比。从图7中可见，两种升程下发生轻微爆震时对应的点火角随转速的变化趋势一致，但小升程的更靠近上止点，与试验值相符。

图8和图9分别给出2000 r/min下，大、小升程缸内最大压力及缸内最高温度随点火正时的变化趋势。

小升程发生爆震时的点火角较大升程推迟的原因可从缸内峰值压力及缸内最高温度等方面进行分析。由图8和图9可见，点火正时相同时，小升程的缸内峰值压力与缸内最高温度均高于大升程，增加了爆震倾向。点火正时推迟后，由于燃烧放热的时刻推迟，发动机的最高爆发压力降低，缸内温度也降低，爆震趋势减弱。

3.2 点火正时对VVL发动机动力性的影响

图10为2 000 r/min下大、小升程转矩随点火正时的变化趋势对比。在小升程爆震边界处点火可以拥有和大升程在爆震边界处相当的转矩，点火正时从爆震边界开始，推迟超过3°，则转矩下降超过5%。试验用发动机控制系统对点火角的控制精度为0.7°，因此采用小升程后，可在小升程爆震边界处点火，以保证发动机动力性。

3.3 点火正时对VVL发动机油耗的影响

图11为2 000 r/min时，大、小升程燃油消耗率随点火正时的变化趋势对比。在各自爆震边界点火时，小升程可以拥有和大升程相当的经济性，点火正时从爆震边界开始，每推迟1°，油耗增加超过1.7%，据此可限制点火推迟角度不要超过3°。

CA50常用来表示汽油机燃烧等容度，一般出现在上止点后5°～10°时热效率最高[6，8]。图12和图13分别给出相应的CA50及指示热效率随点火正时的变化趋势。

由图12和图13可知，大、小升程的CA50均在10°之后，而小升程的更靠前，因此热效率也比大升程的高。点火推迟后CA50推迟，导致发动机燃烧放热的等容度降低，因而热效率下降，油耗升高。

3.4 点火正时对VVL发动机NOx排放的影响

图14为2 000 r/min下，大、小升程NOx排放随点火正时的变化趋势对比。可见，点火正时相同时，小升程NOx排放偏高，随点火推迟，NOx下降。

NOx在高温条件下生成，推迟点火后，缸内峰值压力降低，缸内温度下降，因此NOx排放随着点火正时的推迟也明显下降。

4 EGR对两段式VVL发动机点火策略的影响

4.1 EGR对爆震边界的影响

发动机采用EGR技术后，使缸内的混合气因废气的加入而变稀，因此采用EGR技术后可以降低缸内温度，从而降低发动机的爆震倾向。

图15和图16分别给出了1800 r/min和2000 r/min下的爆震边界随EGR率的变化关系。可知，增加EGR后，爆震边界提前，因此点火可相应提前。

4.2 EGR对爆震边界转矩的影响

因大、小升程情况下的爆震边界随EGR的变化趋势一致，因此仅分析小升程的情况。图17为1 800 r/min时，不同EGR下指示转矩的对比。从图17中可看出，采用4%EGR后若仍采用0%EGR时的点火角，则转矩下降较多，而点火正时提前到该EGR下的爆震边界则有助于恢复部分动力性。

4.3 EGR对爆震边界油耗的影响

图18为1 800 r/min时不同EGR率下油耗的对比。同样，增加EGR后，若点火正时不变，则油耗上升。点火提前到爆震边界处，利于降低油耗。因此，为充分发挥小升程优势，最好是在小升程爆震边界处点火。

4.4 EGR对爆震边界NOx排放的影响

图19为1 800 r/min、不同EGR下NOx排放的对比。由图19可见，EGR率增加到8%后可显著降低小升程的NOx排放。根据前述，若通过点火提前来恢复部分动力性和经济性，则NOx排放主要还是依靠后处理系统在降低。

5 结束语

a.同一点火正时，小升程缸内最大压力及缸内最高温度均高于大升程，更易爆震，点火应推迟；

b.在小升程爆震边界处点火，可以拥有和大升程在爆震边界处相当的动力性和经济性；

c.增加EGR后，可以适当提前点火。EGR增加后，缸内压力峰值下降，爆震趋势减弱，NOx排放降低，可适当提前点火以恢复部分动力性及经济性。

1李伟.新型直喷、混合动力发动机构造原理与故障排除.北京：机械工业出版社，2011.

2 Peter Kreuter，Peter Heuser，Joachim Reinicke Murmann，etal. Variable Valve Actuation–Switchable and Continuously Variable Valve Lifts.SAE Paper，2003-01-0026.

3 Mark Sellnau，Eric Rask.Two-Step Variable Valve Actuation for Fuel Economy，Emissions，and Performance. SAE Paper，2003-01-0029.

4 Christopher W Turner，Guy R Babbitt，Christopher S Balton，etal.Design and Control of a Two-stage lectro-hydraulic Valve Actuation System.SAE Paper，2004-01-1265.

5朱昌吉.车用柴油机电控EGR系统设计及性能研究:[学位论文].长春：吉林大学，2005.

6王建昕，帅石金.汽车发动机原理.北京：清华大学出版社，2011.

7刘斌.汽油机点火提前角及电子节气门控制仿真研究：[学位论文].武汉：华中科技大学，2009.

8张翠云.电控汽油机燃油喷射及点火控制系统的设计与实验研究：[学位论文].太原：太原理工大学，2007.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2014年3月1日。

Simulation and Analysis of Ignition Strategy for a Two Step Variable Valve Lift Engine w ith EGR

Li Xianjing1，Li Liguang1，2，Deng Jun1，Hu Zongjie1，Tong Sunyu1，Li Gong3
（1.Tongji University;2.CDHK，Tongji University;3.UAES）

A simulation model of a two-step variable valve lift engine based on GT-Power is established and calibrated.The combustion model and the external characteristic calculation results match well with the measured data，proving validity of the model.Based on this model，effect of ignition advance angle on engine knock，power performance，fuel economy and NOxemissions is investigated under both high and low intake valve lift.The results also indicate that，compared with the case of high valve lift，higher in-cylinder peak pressure and the maximum in-cylinder temperature are expected under the case of low valve lift，which is more vulnerable to engine knock and more NOxemissions at the same ignition timing.The same power performance and fuel economy are expected when the ignition timing is kept at each of their knock boundary conditions，and EGR offers a considerable potential to reduce the trend of post knock.

Two-step VVL engine;EGR;Ignition strategy

两段式VVL发动机EGR点火策略

U464

A

1000-3703（2014）08-0024-04

上海市科学技术委员会（11DZ2260400）、国家自然科学基金项目（51376139）。