VVT与LPEGR对混合动力汽油机燃油经济性的影响

张龙平，宫宝利,3，黄德军，伍晨波，刘永刚，胥昌懋

(1.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；2.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044；3.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410083)

未来10～15 年，我国汽车产业发展的总体目标是碳排放总量将先于国家碳减排承诺提前达峰，汽车产业基本实现电动化转型。《节能与新能源汽车技术路线图2.0总报告》指出，推广混合动力与先进节能技术在节能汽车中的应用是我国汽车产业降低能源消耗、减轻环境污染、实现能源安全的重要保障[1]。基于节能汽车技术的持续进步和发展，到2025、2030及2035年，乘用车新车百公里油耗分别降到4.6 L，3.2 L和2.0 L，因此混合动力汽车的推广，将是油耗达标的重要手段，而混合动力汽油机的燃油消耗率水平是混合动力汽车油耗是否达标的关键。

对于混合动力专用汽油机来说，VVT和LPEGR是其必备技术[2-4]。 VVT技术既可以满足汽油机不同工况对气门正时的不同要求，改善汽油机的动力性能，也是实现米勒循环技术的重要手段。米勒循环技术通过进气早关(EIVC)的策略在压缩行程开始之前使混合气经历一个膨胀过程，对混合气进行内部冷却，以降低汽油机热负荷、减少压缩功。EIVC 策略大大降低了汽油机的有效压缩比。汽油机的膨胀比大于压缩比，在膨胀行程中可最大限度地将热能转化为机械能，达到改善汽油机热效率、降低燃油消耗的目的[5-6]。

均质当量比GDI耦合废气再循环(EGR)技术是目前汽油机的一个研究热点。EGR既可以降低缸内温度从而减少传热损失、抑制大负荷爆震趋向，又可以减小部分负荷的泵气损失，从而改善汽油机的燃油经济性，减少颗粒物等排放[7]。

现有文献主要集中在EGR和VVT技术分别对发动机燃烧及排放性能影响的研究，为最大限度提升发动机的燃油经济性，本研究将在一台1.5 L高压直喷、米勒循环汽油机上使用VVT和LPEGR技术，探究VVT和LPEGR技术对汽油机燃油经济性的影响规律。

1 测控系统及试验方案

1.1 测试系统

试验所用发动机的主要参数见表1，试验测试系统见图1。汽油喷射参数由开放式ECU控制，可以灵活调整喷油、点火、VVT、EGR率及空燃比等参数；试验台架配备AVL EN60034-1交流电力测功机、AVLPUMA台架控制系统及AVLFEM-AIN数据采集系统；3个气缸的压力测量采用KISTLER火花塞式缸内压力传感器，缸内压力数据由燃烧分析仪进行记录与处理；尾气测量采用AVL AMAi60气体排放分析仪，双通道测量可精确测量EGR率；尾气采样点均采集汽油机的原始排放；燃油消耗率测量采用AVL735S燃油消耗率仪，并配753燃油恒温控制设备；空燃比测量采用ETAS的ES630空燃比分析仪；LPEGR则从三元催化转化器后、GPF前引出废气至压气机进口，以获得更加清洁的废气，降低废气损伤涡轮增压器压气机叶轮的可能性。

表1 试验汽油机基本参数

图1 发动机测试系统示意

1.2 测试方案

本研究的测试方案见表2。在最低燃油消耗率区域内选择2 500 r/min，单缸每冲程新鲜空气流量450 mg的工况点作为试验工况点，且每个测试点保证相同的进气量，过量空气系数控制为1，点火角控制在使发动机处于爆震边界或AI50在8°ATDC附近,喷油相位由喷油MAP自动控制。

首先在不引入LPEGR的情况下，在每个排气VVT开度下分别调整进气VVT开度(步长均为5°)进行试验，以研究VVT开度组合对燃油消耗率的影响。其中进气VVT只能往提前开启方向移动，进气VVT越提前则VVT开度值越大，开启范围为0°～60°；排气VVT只能往延后方向移动，排气VVT越延后则VVT开度值越大，开启范围为0°～25°。然后在不同VVT开度下引入LPEGR，每个测试点EGR率从0逐渐增大到失火边界，EGR率的测试步长为2%。EGR率通过AMAi60气体排放分析仪分别测得进排气管路和大气的CO2浓度后计算得到[8]。

表2 试验方案

2 试验结果与分析

2.1 VVT技术对混合动力汽油机燃油消耗率的影响

图2示出不同排气VVT下，燃油消耗率随进气VVT的变化情况。由图2可以看出，随着进气VVT开度的增大，发动机的燃油消耗率先降低再增加，而随排气VVT开度的增大，燃油消耗率有增加的趋势，进排气VVT重叠角越大，燃油消耗率增加越明显，且进气VVT出现的燃油消耗率拐点更提前。

图2 VVT对燃油消耗率的影响

进排气VVT适当提前，燃油消耗率降低，主要原因是发动机的泵气损失降低和燃烧效率提高。图3示出IMEPL(IMEPL主要表示进排气低压循环所消耗的平均压力)与进排气VVT的关系。从图3可以看出，随着进气VVT增大和排气VVT减小，IMEPL绝对值减小，说明泵气损失减小，这是由于发动机采用了米勒循环技术，随着进气VVT的增大，发动机的“米勒效应”更突出，即进气VVT越提前开启，关闭时间也会越提前，在进气行程还未结束时，进气VVT已经关闭，进入气缸的气体要先膨胀后再压缩。为了保证相同的进气量，随着进气VVT的提前，进气压力也要随之升高(见图4)，由此带来的益处则是在气门关闭的进气行程末期由于气体膨胀有更大的进气压力而对活塞做功。再者，由于在进气末期有气体膨胀过程，则在压缩开始时气体的温度也会降低，从而使得压缩负功减少(相同质量、温度更低)且压缩上止点的工质温度更低[5-6]。而排气VVT减小，即VVT开度提前，发动机的自由排气更多、强制排气更少，则消耗的排气负功降低[7]。

图3 IMEPL随VVT开度的变化规律

图4 相同进气量下进气压力随VVT开度的变化

图5示出IMEPH与进排气VVT的关系，IMEPH表示发动机压缩和膨胀的两个高压循环所做的合功，主要体现燃烧效率。由图5可以看出，进气VVT增大，发动机的IMEPH先增大后降低，随排气VVT延后，IMEPH降低。如前所述，随进气VVT的增大，压缩上止点缸内工质的温度降低，使得点火可以提前近10°而不产生爆震(见图6)，由此，可使燃烧重心提前且部分工况能控制在最佳燃烧相位附近(6°～9°ATDC，见图7)。此外，如图8和图9所示，随进气VVT的增大，AI90有减小趋势，但主燃期却逐渐增大，说明进气VVT提前使得燃烧等容度更高且燃烧更充分，进而使得IMEPH增大、燃油消耗率降低。

图5 IMEPH随VVT开度的变化规律

图6 点火提前角随VVT开度的变化关系

图7 AI50随VVT开度的变化规律

图8 AI90随VVT开度的变化规律

图9 主燃期随VVT开度的变化规律

2.2 EGR耦合VVT技术对混合动力汽油机燃油消耗率的影响

图10示出在不同VVT组合下引入LPEGR后燃油消耗率的变化规律。由图10可以看出，不同VVT组合下随着EGR率的增加，燃油消耗率先逐渐下降然而后增加，但燃油消耗率随EGR率增加下降的斜率和燃油消耗率拐点位置是有略微差别的。这是由于随EGR率增加，部分废气回到缸内使得混合气的比热容增大，有利于提升发动机的热效率；缸内混合气比热容增加后会降低缸内燃烧温度，使得发动机的传热损失降低；此外，在大负荷工况EGR惰性气体的加入能有效地抑制发动机爆震，点火角提前，使燃烧相位提前，从而降低燃油消耗率。但是，过大的EGR率会导致缸内的氧浓度过低，造成发动机点火困难甚至失火(一般称为燃烧限制)，从而使得燃油消耗率增加。

图10 EGR对不同VVT组合下燃油消耗率的影响

为了分析方便，定义了EGR降油斜率ψ，即各VVT组合下燃油消耗率随EGR率的下降斜率。具体描述为，把每个VVT组合下最低燃油消耗率点对应的EGR率称为该VVT组合的最佳EGR率，且把燃油消耗率随EGR率增加而下降的线作近似线性处理，计算出每个VVT组合下燃油消耗率随EGR率变化曲线的斜率值。

如某个VVT组合下，当EGR率为0时燃油效率为221.6 g/(kW·h)，最低燃油消耗率点205.5 g/(kW·h)对应的EGR率为23.2%，此时的斜率ψ为

式中：FE为该VVT组合下的最低燃油消耗率；F0为无EGR时对应的燃油消耗率；EEGR为最低燃油消耗率点对应的EGR率，称为最佳EGR率。

由于燃油消耗率随EGR率增加一般呈下降趋势，因此斜率一般为负，斜率越小说明该VVT组合下EGR对降燃油消耗率的作用越大，反之则作用越小。

如图11所示，随进排气VVT的减小，斜率逐渐减小，说明随着VVT的减小，EGR降低燃油消耗率的作用逐渐增强。这是由于VVT减小，缸内EGR气体减少，因此外部LPEGR对降低燃油消耗率的作用更加明显。而随着VVT的增大，发动机内部EGR增加本身具有降低燃油消耗率的作用，此时再加入外部LPEGR，虽然能进一步降低燃油消耗率，但会减小LPEGR对降低燃油消耗率的敏感度[9-10]。

图11 EGR降油斜率随VVT的变化规律

从图12可以看出，随着进气VVT的减小，最佳EGR率逐渐增大，说明随VVT重叠角增大，对应的最佳LPEGR率有降低的趋势。需要说明的是，随VVT增大，最佳EGR率的减小除了受燃烧限制外，还会受到增压器的限制。原因是进气VVT增大，内部EGR增加，燃烧温度降低，则排气温度也降低，会导致增压器在做功相同的情况下需要更多的排气流量流进涡轮，所以增压器旁通阀要关小，导致增压更早到达控制极限(即旁通阀完全关闭)。另外，进气VVT增大，发动机进气效率降低，相同进气量下所需的进气压力更大(如图4所示)，则需增压器的做功更多，进一步导致增压旁通阀关小，更易导致增压器受限。如图13中的50°/10°VVT组合，对应的增压旁通阀开度为0，说明该测试点增压器已经到了极限。

图12 不同VVT组合对应的最佳EGR率

图13 不同VVT组合最佳EGR率对应的增压器旁通阀开度

图14示出各VVT组合最佳EGR率对应的燃油消耗率以及相对不加EGR时的降幅。由图14可以看出，随着进气VVT的减小， 最佳EGR率对应的燃油消耗率降幅增大，最大下降16.4 g/(kW·h)，降幅为7.4%。燃油消耗率降低是因为随进气VVT的减小，EGR降油斜率增大。最低燃油消耗率为205.5 g/(kW·h)，对应的进排气VVT组合为10°/0°，最佳EGR率为23.2%。

图14 不同VVT组合最佳EGR率对应的燃油效率及燃油消耗率降幅

当不加LPEGR时，燃油消耗率随VVT的增大而降低，但随着LPEGR的介入，最佳EGR率对应的燃油消耗率则随VVT的减小而降低。说明LPEGR带来的燃油消耗率收益大于VVT提前带来的燃油消耗率收益，且每个工况点都存在一个适中的LPEGR和VVT组合(即适中的内外部EGR率)。

对于各VVT耦合最佳LPEGR降低燃油消耗率的方案，在燃烧层面的原因分析如图15和图16所示。可以看出，各VVT组合对应的最佳EGR率下燃烧相位基本都能控制在6°～9°ATDC较为理想的位置，且各VVT组合下的IMEPL几乎没有变化，但更小的进气VVT对应的最佳EGR率下，IMEPH更大。说明该工况点LPEGR降低燃油消耗率不是通过减小泵气损失和优化燃烧相位，而主要是通过提高燃烧效率和传热损失两个方面获取的[11-12]。

图15 不同VVT组合最佳EGR率对应的燃烧重心

图16 不同VVT组合最佳EGR率对应的IMEPH和IMEPL

图17和图18示出不同VVT组合对应最佳EGR率下涡前排气温度和CO排放的变化规律。由图可以看出，随着进气VVT的增大，排气温度和CO排放都呈增大趋势。CO排放越大说明燃烧不完全程度越高，且排气VVT开度越大燃烧恶化程度越大，间接说明了LPEGR降低燃油消耗率主要是通过提高燃烧效率和传热损失两个方面来实现的。

图17 不同VVT组合最佳EGR率对应的涡前排气温度

图18 不同VVT组合最佳EGR率对应的CO排放

3 结论

a) 进气VVT适度增大、排气VVT减小，发动机的米勒效应更加突出，泵气损失减小，且可增大点火提前角，使燃烧相位提前、燃烧效率提高，从而降低燃油消耗率，得到的最佳进/排气VVT组合是50°/0°；

b) 不同VVT组合下加入LPEGR，燃油消耗率都呈下降趋势，但降幅不同，最高下降7.4%,且呈现出随进气VVT的增大，降幅和最佳EGR率逐渐减小的趋势；

c) 最佳EGR率下的燃油消耗率则随VVT的减小而降低，最佳进/排气VVT组合是10°/0°，最佳EGR率为23.2%，对应的燃油消耗率为205.5 g/(kW·h)；

d) 外部LPEGR带来的燃油消耗率收益大于VVT技术带来的燃油消耗率收益，且每个工况点都存在一个适中的LPEGR率和VVT组合。