EGR 和进气VVT 在某小排量汽油机的应用研究

2020-07-11

小型内燃机与车辆技术 2020年3期

（上汽通用五菱汽车股份有限公司广西柳州 545007）

引言

随着燃油与排放法规的日益收紧，尤其国六排放标准对于自主车企来说，无疑是巨大的挑战，促使人们不断地将降低油耗与排放的新技术应用到发动机上。其中可变气门正时（VVT）和废气再循环（EGR）是技术成熟、效果显著的提升动力、降低发动机油耗和排放污染物的方法[1-4]。

本文基于一台1.2L 小排量自然吸气汽油机，保持原机匹配好的其它零件不变，采用增加外置EGR回路和进气正时VVT 的技术。根据大量试验，关于VVT，发动机的动力性主要受到进气VVT 影响，排气VVT 则影响发动机的排放，合适的进气VVT能够使转矩提高。此发动机已采用外置EGR 减低排放，故只增加了进气VVT。文中通过台架试验验证，对发动机增加进气VVT 和EGR 后的影响进行探索

1 EGR 和VVT 简介

图1 为本机采用的EGR 工作原理图，EGR 将燃烧后的部分废气经过冷却后，通过EGR 阀引入进气歧管中与新鲜空气混合，然后进入气缸重新参与燃烧。可有效降低发动机的泵气损失，提高发动机机械效率，抑制爆震同时又可降低排放。

图1 EGR 工作原理图

为满足不同工况需求，可变气门正时根据发动机转速变化来调整配气相位，使得气门开启、关闭的时间随发动机转速的变化而变化。从而对发动机凸轮的相位进行调节，获得最佳的配气正时角，以提升充气效率，提高发动机动力性，降低燃油消耗。

本机采用的VVT 通过一个机油控制阀控制油压使得VVT 控制器的叶片沿圆周方向旋转，从而改变气门正时。如图2 所示，ECU 依据需要对电磁阀进行指令，接通执行器转子前后的两个油腔的油路，在机油压力的推动作用下，转子就可以实现相对定子链轮有一定的位移角度。反之ECU 可以控制电磁阀对油路进行换向，就可以实现与之前相反方向的旋转角度。

图2 VVT 动作控制示意图

由于对发动机动力影响最明显的是进气VVT，本发动机只采用进气VVT 结构，一般称为IVVT 结构。

2 试验台架与测量方法

本试验采用的是小排量自然吸气汽油发动机，在原机基础上增加进气VVT 及EGR，安装火花塞式缸压传感器和燃烧分析仪等设备后在AVL 台架上进行试验。

试验发动机主要参数如表1 所示，后续的所有数据均基于本款发动机而来。

表1 发动机参数

整个试验在发动机试验台架完成，通过流量计测量和计算出从外置EGR 中引入的废气量，通过排放仪测量发动机的尾气排放，通过燃烧分析仪测量和观察发动机的燃烧情况，通过油耗仪测量发动机油耗率。试验设备包括AVL 测功机、PUMA 台架测试系统、AVL735S 瞬态油耗仪、Kistler 6115CF 缸压传感器、Indicom 燃烧分析仪、日本HORIBA 公司MEXA 一7500D 排放测试仪、空燃比计（ES630）、和Bosch UP8 平台电控单元.

3 试验结果

3.1 发动机性能

全负荷工况下，一般由于开启外置EGR 后引入较多废气量，发动机吸入的新鲜空气就相应减少，从而使发动机的转矩和功率都下降，但同时增加了进气VVT，提高缸内充气效率，改善燃烧，达到增大发动机转矩和功率的效果。从试验结果综合来看，增加进气VVT 和EGR 后发动机动力性能略有提升，最高可使转矩提高6.9%。全负荷性能对比结果如表2所示。

表2 增加IVVT 和EGR 后与原机全负荷性能对比

3.2 油耗

图3 为增加EGR 及进气VVT 发动机相比于原机油耗的万有特性图，数据来源于（原机油耗率-增加EGR 及进气VVT 后油耗率）。从油耗万有特性图可以看出，增加EGR 及进气VVT 后，该款发动机的油耗有改善，尤其是在中小负荷区域油耗率减少约10 g/（kW·h）。主要由于增加EGR 后，如图4所示过量空气系数相比原机大部分工况下的增大0.01 左右，且增加EGR 后点火角可以提前很多，见图5，改善了发动机的抗爆震能力。此外，应用进气VVT 后提高充气效率。从以上各方面来看，增加进气VVT 及EGR 后能够有效提高发动机热效率，降低油耗。

图3 增加EGR 后油耗降低情况

图4 为增加EGR 后减去原机的过量空气系数对比，可以看出在大部分的工况点，增加EGR 后的过量空气系数比原机无EGR 的要稀。

图4 增加EGR 后过量空气系数变化情况

3.3 抗爆震能力

图5 是增加EGR 后的点火角相比于原机点火角提前角度的万有特性图，数据来源于同一工况下增加EGR 后的点火角减去原机的点火角。据图可见，增加EGR 后点火角得到较大的提升，在大部分的工况点火角提前5～13°CA 不等，最大点火角可提前18°CA。这是因为原机在发动机爆震倾向较强的中大负荷区域，只能通过推迟点火角来抑制爆震，增加EGR 后，废气属于惰性气体起到稀释缸内混合气、减缓燃烧速率的作用，且废气进燃烧室还可降低燃烧温度。因此，增加EGR 后不同负荷下的各工况均可不同程度地增加点火提前角，提高发动机的抗爆震能力。

3.4 碳氢排放

图5 增加EGR 后点火角相比原机提前角度的万有特性图

图6 增加EGR 后碳氢排放降低情况

图6 是原机减去增加EGR 后的碳氢排放万有特性图。在所有的加浓区域，增加EGR 后比原机的空燃比要稀（见图4），有利于HC 排放物的改善。另一方面大部分工况的点火提前角都有不同程度的提前（见图5），发动机的燃烧得到较好改善，也有利于HC 排放的降低。结果如图6 所示，碳氢排放明显下降，大部分工况的最大降幅约100～480×10-6，最大降幅约700×10-6以上。

3.5 氮氧化物

图7 是原机减去增加EGR 和进气VVT 后的氮氧化物排放万有特性图，数据来源于（原机NOx排放值一增加EGR 和进气VVT 后的NOx排放值）。据图7 的试验结果可以看出，增加EGR 后，发动机所有转速和负荷工况下的NOx排放都比原机有大幅度的降低，大部分工况降幅约550～1 000×10-6，最大降幅约为1 200×10-6。这是由于EGR 废气的CO2、H2O 的比热容较高，废气引入缸内后与新鲜空气混合后可吸走燃烧室部分热量，降低燃烧室温度，且废气对新混合气起到稀释作用，降低了混合气中O2浓度，抑制了氮氧化物产生所需的高温富氧条件，从而降低NOx的排放。