双VVT对汽油机内部EGR影响的试验研究

信松岭，陆云春

（1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，保定071000 2.昆明云内动力股份有限公司，昆明650200）

双VVT对汽油机内部EGR影响的试验研究

信松岭1，陆云春2

（1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，保定071000 2.昆明云内动力股份有限公司，昆明650200）

以一款2.0L增压直喷可变双VVT汽油机为研究对象，在转速为2 000 r/m in、相对充气量为40%工况点进行VVT全因子试验。试验结果表明：通过调节VVT，可以实现内部EGR，提高发动机性能，降低发动机油耗及HC和NOx排放。

双气门开启正时 内部EGR 全因子试验

1 前言

为实现汽油机节能减排，人们提出了很多方案：缸内直喷技术、涡轮增压技术、可变气门技术[1]和废气再循环技术[2]。这些技术可以单独使用，也可以几种一起使用。

本试验研究以一款2.0 L增压直喷可变进排气双气门正时（DVVT或双VVT）汽油机为对象，通过对双VVT组合进行全因子试验，研究双VVT对发动机内部EGR的影响。

2 内部EGR的基本原理

对于4冲程发动机，在低速中小负荷时，通过调整可变气门开启正时来实现内部EGR。主要途径有2种：废气再吸法和废气残留法[3]。废气再吸法有3种:（1）排气冲程短暂开启进气门，部分废气进入进气管，在进气冲程又被重新吸入气缸；（2）进气冲程短暂开启排气门，排气管中部分废气被重新吸入气缸；（3）增大进排气门重叠角，在气门开启重叠时，缸内压力大于进气道压力，废气回流到进气管，之后再重新进入气缸。废气残留法就是排气门提前关闭，在排气门关闭之后再将进气门打开，使得一部分废气残留在气缸内。因为传统发动机在换气过程中，进气门在排气门关闭之前就己开启，气门重叠角都是正的，故废气残留法又称为负气门叠开。

DVVT技术可以灵活地调节气门正时，选择合适的进、排气VVT组成的气门重叠角，保证较优的内部EGR效果[4]。

本试验研究采用的是废气再吸法中的增大进排气门重叠角，以实现内部EGR。

3 全因子试验

3.1 发动机参数

用1款2.0 L直列4缸增压直喷DVVT汽油机作为试验发动机。发动机主要技术参数见表1。在转速为2 000 r/min、相对充气量为40%（注：相对充气量是指实际缸内充量与进气状态下理论充量的比值，代表发动机负荷）工况点来研究双VVT对内部EGR的影响。

表1 发动机主要技术参数

3.2 试验设备

试验装置主要包括测试发动机、AVL电力测功机、燃烧分析仪、空燃比分析仪、电控系统及各个测点的压力温度传感器等。

3.3 试验方法

针对选择的工况点进行VVT全因子试验的试验设计，确定进气VVT范围为18°～-42°曲轴转角（℃A），即进气门开启提前角可从18℃A调到-42℃A，可调范围为60℃A，按10℃A步长，共分7个点；排气VVT范围为-27°～33℃A，即排气门关闭提前角可从-27℃A调到33℃A，可调范围为60℃A，按10℃A步长，共分7个点，进行正交组合试验。其中，VVT角度以1mm升程（由电控供应商提供）来定义，根据凸轮型线确定1mm升程时对应的曲轴转角，转化为以换气上止点为零点对应的角度，则进气凸轮开启的角度为18℃A，排气凸轮关闭的角度为-27℃A；正数角度表示在换气上止点之后，而负数角度表示在换气上止点之前。试验控制边界：过量空气系数取1，CA50取8℃A～9℃A，相对充气量为40%。

4 试验结果与数据分析

从2 000/min、相对充气量40%工况点的试验结果的整体情况来看，正交形成的49个VVT组合，在相同进气量情况下，发动机的性能、油耗以及HC和NOx的排放差异都很大。

4.1 双VVT对发动机性能的影响

全因子试验结果之一：制动平均有效压力（BMEP）如表2所示。

表2 BMEP全因子试验结果 kPa

以固定进气VVT（定为-22℃A）、变化排气VVT为例，对双VVT对发动机性能的影响进行说明。图1、图2和图3分别是发动机动力循环功、残余废气量和泵气损失随排气VVT变化规律。

图1 动力循环功随排气VVT变化规律

图2 残余废气量随排气VVT变化规律

图3 泵气损失随排气VVT变化规律

如图1～3所示，随着排气VVT的滞后，动力循环功增大21 kPa，可见缸内燃烧状况随排气VVT滞后更加良好，即相同气量和油量的化学能转化成更多的机械能。

另一方面，随着排气VVT的滞后，气门重叠角增大，此时进气支管绝对压力为59～81 kPa，存在较大真空度，已燃废气会进入进气支管，并在进气过程中重新进入缸内，形成内部EGR，导致残余废气量增加。如图2所示，由于废气的干扰，为保证相同的新鲜空气量进入缸内，需要加大节气门开度，这样就减小节气门在小负荷下的截流效应，从而减小泵气损失。

动力循环功扣除泵气损失是平均指示压力，再克服摩擦损失，就转化成平均有效压力作为有用功输出。在2 000 r/min、相对充气量为40%工况点，摩擦损失为70 kPa。随着排气VVT的滞后，动力循环功增大，泵气损失减小，最终BMEP提高7.5%。

4.2 双VVT对油耗的影响

由于试验过程中保持相对充气量为40%，过量空气系数为1，所以双VVT对燃油消耗量没有影响；而双VVT对于降低泵气损失，提高BMEP有明显效果。图4和图5分别是BMEP和燃油消耗率随进排VVT的变化规律。由图4和5可见，燃油消耗率与BMEP存在较强的相关性，在BMEP相对高的区域，燃油消耗率则低，而在BMEP相对低的区域，燃油消耗率则高。

图4 BMEP随进排VVT的变化规律

以进气VVT-22℃A、排气VVT变化为例，双VVT可以明显降低汽油机在此负荷下的燃油消耗率，降低幅度7.8%。图6是燃油消耗率随排气VVT变化规律。

4.3 双VVT对排放的影响

图7和图8分别是HC排放量和残余废气量随进排气VVT变化规律。由图7和8可知，HC排放量和残余废气量存在较强的相关性。残余废气量在170 hPa以下的VVT组合区域，HC排放量体积分数3 000×10-6以上；残余废气量在260 hPa以上的VVT组合区域，HC排放量体积分数达到了2 900×10-6以上。由此，在选取VVT组合时，适宜的气门重叠角引起的残余废气量能降低HC排放。如残余废气量过低则不能充分利用内部EGR降低HC排放的效果，过高则令不完全燃烧程度加大，HC排放增大。

图5 燃油消耗率随进排VVT的变化规律

图6 燃油消耗率随排气VVT变化规律

图7 HC排放随进排气VVT变化规律

图8 残余废气量随进排气VVT变化规律

以进气VVT-22℃A、排气VVT变化为例，HC排放随排气VVT滞后先减小后增大，最大降幅达14.1%。图9是HC排放随排气VVT变化规律。由图9可见，HC主要来源于不完全燃烧，因此将废气重新引入缸内再次燃烧能够有效降低HC排放，而HC在排气VVT角度13℃A、23℃A和33℃A时的反升是由于残余废气量过大，燃烧不完全程度过大，导致产生过多的HC；即便通过内部EGR再燃烧，也已经不能减少HC排放。

图9 HC排放随排气VVT变化规律

图10 是NOx排放随排气VVT变化规律。由图10可见，NOx的排放随排气VVT的滞后而降低，降低幅度为77.5%。这是由于排气VVT滞后形成内部EGR，残余废气量增大。废气中大量的CO2和H2O的比热容较高，燃烧时产生的热量被废气吸收，最高燃烧温度得以降低。另外，由于残余废气量的增大，燃烧不完全，缸内燃烧放出的热量降低。图11是发动机涡前温度随排气VVT变化规律。由图11可见，涡前温度由558.1℃降至478.4℃。此外，随着残余废气量的增大，缸内氧的质量分数下降，使得NOx产生的三要素：高温、富氧和反应时长中的高温和富氧条件相对薄弱，从而降低NOx产生量。

图10 NOx排放随排气VVT变化规律

图11 涡前温度随排气VVT变化规律

5 结论

（1）在不增加硬件成本的前提下，对低速中小负荷工况点，可以通过VVT调节来实现内部EGR功能；而内部EGR的产生需要合适的气门重叠角。

（2）通过双VVT形成内部EGR后，需要增大节气门开度，这降低了泵气损失，提高了发动机性能。

（3）通过双VVT形成的内部EGR，可提高发动机性能，降低发动机油耗。

（4）通过双VVT形成内部EGR，可使废气重新进入气缸进行燃烧，降低了HC排放，同时弱化了产生高温、富氧的条件，从而降低了NOx排放。

[1]GAUTHIER D G,PFEIFFER JM.Virtualcheck valve control for improved energy conservation and phasing performance[R].SAEPaper,NO.2010-01-1188，2010.

[2]肖广飞，张弘，尹琪.车用汽油机可变气门定时技术作用机理及应用策略[J].车用发动机，2011(6)：1-6．

[3]谢辉，赵华，杨林，等.基于可变气门定时策略的HCCI汽油机试验研究[J].内燃机学报，2005(06).

[4]李正伟.缸内直喷汽油机利用可变气门和增压技术改善油耗的研究[D].北京：清华大学，2011.

EffectofDualVVTon InternalEGR ofGasoline Engine

Xin Songling1,Lu Yunchun2
（(1.TechnicalCenter,GreatWallMotorCompany,Limited,and HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center,Baoding071000,China;2.TechnicalCenter,YunneiCompany,Limited,Kunming650200,China)

The effect of dual VVT on internal EGR of gasoline engine was researched based on the testing of a 2.0 L turbocharged gasoline engine of direct injection at 2 400 r/min with 40%of relative air-charg.The test result shows that the dual VVT can achieve internal EGR by controlling VVT,thus improvingengine performanceand reducing fuelconsumption,HCand NOx.

dual-valve open tim ing,internalEGR,sweeping test

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.008

来稿日期：2017-09-26

信松岭（1990-），男，硕士，主要研究方向为发动机性能开发以及台架标定。