VVT对发动机性能影响的试验研究

马少康 乔佳伟 王义夫 梁涛 乔闯

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

VVT对发动机性能影响的试验研究

马少康1，2乔佳伟1，2王义夫1，2梁涛1，2乔闯1，2

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

研究了VVT对发动机充量系数、燃烧、动力性和排放的影响。试验结果表明：充量系数随着气门重叠角的增大而增大，缸内气流运动影响最佳燃烧对应的气门重叠角，进气VVT主要影响发动机的动力性，合适的进气VVT能够使扭矩提高11.6%，而排气VVT则影响发动机的排放，随着排气VVT的提前，NOx下降36%。

VVT扫气充量系数燃烧排放

引言

传统的配气机构不能够根据发动机不同的转速进行合理的匹配，其最优工作范围较窄，已不能满足日益紧张的资源供给和严格的排放法规。而可变气门控制正时系统（VVT），由于可以根据不同的工况输出不同的进排气VVT，保持气门持续时间不变，改变进排气的开启时刻，从而改变缸内充气，改善燃烧，减小泵气损失[1~3]。因此能够兼顾怠速的稳定性与全负荷的动力性，在中低转速范围内优化相应的进排气VVT角度，能够实现动力性与经济性的最佳匹配，同时缸内混合气状态在不同的气门重叠角下，对于改善排放也有着重要影响[4，5]。随着电子技术与计算机技术的迅猛发展，VVT技术也受到越来越广泛的应用与关注。

虽然VVT相对传统的配气机构有着很大的优势，但是由于其进排气凸轮轴只能实现开闭的提前与推迟，以致凸轮型线设计时所考虑的最佳配气正时的转速之外的每个转速仍然不是该转速下的最佳配气正时，导致了发动机性能改善、节能减排效果受限[6，7]，而在发动机最佳正时匹配，要求在每一个转速下都能获得最佳的动力性、经济性以及排放性，因此VVT在各个工况下的匹配对于发动机的性能至关重要。基于此，本文在1500 r/min工况下，通过改变进排气从而改变气门重叠角来研究发动机充气、燃烧、动力性和排放的变化，为VVT在全工况的匹配提供依据。

1 试验设备与试验方案

1.1 试验设备

试验在一款4缸16气门电控直喷汽油机上进行，发动机的参数如表1所示，试验设备包含自主开发电控系统、电涡流测功机、燃烧分析仪、控制柜、油耗仪、排气分析仪、线性氧传感器、进排气歧管温度压力等。试验中利用ECU进行燃烧系统的控制以及数据的采集，试验过程中严格控制机油温度为95℃，水温为98℃，进气温度为25℃。

1.2 试验方案

在1500 r/min转速下，将进排气VVT调整至（0，0），调整节气门至发动机扭矩250 N·m。固定排气VVT为0°CA，调整进气VVT，以5°CA为步长，调整区间为（-20，20）同时测量数据，数据分析时记IVC（Intake VVT Change）。固定进气VVT，调整排气VVT，以5°CA为步长，调整区间为（-20，20）同时测量数据，数据分析时记EVC（Exaust VVT Change）。如图1所示。

表1 汽油机主要技术参数

图1 进排气VVT示意图

2 试验结果与分析

2.1 VVT对充气效率的影响

在进气过程中，随着进气VVT的早开和排气VVT的迟闭，会出现一段气门叠开的时期。在叠开期间，气体由进气门进入气缸，直接由排气门排出，不参与缸内燃烧。该现象称之为“扫气”。如图2所示，扫气率（IVC）和扫气率（EVC）的趋势一致，随着气门重叠角的增大而增大。随着扫气的增强，充量系数也随之增大，在扫气最强的气门重叠处，最大的充量系数能够达到1.16。扫气一方面能够降低缸内温度，降低爆震趋势，同时减小充气时气体的加热，减小气体膨胀，增大充气系数。而充气效率（IVC）随着进气早开而呈现出增大的趋势，这是进气节流损失随着进气VVT的提前而呈现出下降的趋势。

2.2 VVT对燃烧的影响

平均指示压力变动系数（COV）可用来表征缸内燃烧稳定性状况。

图2VVT对充气的影响

其中：σpmi是平均指示压力的标准偏差，pmi是压力的平均值。N为循环数。

随着气门重叠角的增大，COV（IVC）和COV（EVC）基本上都在3以内，燃烧持续期呈现出下降的趋势，说明整体上缸内燃烧比较理想。在气门重叠角为（-5，5）的区间内，COV（IVC）最低，在气门重叠角为0°时，COV（IVC）为1.23。而在该位置，其燃烧持续期也最短，为19.8°CA。同时缸内爆发压力也达到最大，达到6.18 MPa。如图3、4所示。

图3 VVT对燃烧的影响

图4 VVT对Pmax的影响

在气门重叠角为-5°CA之前，燃烧持续期（IVC）较长，而在-5°CA以后，该持续期较短。缸内爆发压力的变化基本上与此一致。导致这种现象的原因是转速较低时，进气气流流速较低，流动惯性小，此时如果进气门过早开启，而活塞还处于上行排气，缸内气压与缸外气压差别不大，容易发生新鲜空气被挤出气缸的现象，使进气量减少，从而使发动机工作不稳定。而推迟进气门开启时刻，可以提高进气速度，，加强进气涡流，使混合气体获得更好的均质性，可以提高燃烧速率和燃烧更充分，获得较高的循环效率。因此发动机转速较低时，应减小进气门的提前角。

2.3 VVT对动力性和排放的影响

如图5所示，在整个气门重叠角变化区间内，扭矩（IVC）呈现出先增大后减小的趋势，在气门重叠角为0°CA时，扭矩达到最大值254.2N·m，较-20°CA时大29.2N·m，这与混合气的燃烧状态表现一致。而随着排气VVT的滞后，其扭矩变化不大。

图5 VVT对扭矩的影响

如图6所示，随着气门重叠角的增大，由进气VVT和排气VVT变化引起的THC排放基本上均呈现出增大的趋势。当气门重叠角为-20°CA时，THC基本上在1400×10-6左右，而在20°CA时，基本上在2200×10-6左右。有研究表明[8]，THC排放随着气门重叠角的增大而呈现出减小的趋势，该理论及试验的得出是基于发动机在中低速小负荷的基础上，进气时由于歧管压力为负压，缸内残余气体在活塞的上行中被压入进气歧管，未燃气体参与下一循环的燃烧，从而降低THC排放。而在该试验中的工况，歧管压力均在0.14 MPa以上，大于排气结束时的缸内压力，因此在扫气效应下，未燃气体排出缸外，在催化器处二次燃烧，导致THC排放升高，而催化器中心温度上升，如图7、8所示。

图6 VVT对排放的影响

图7 排气与催中温度

图8 歧管压力变化趋势

NOx（IVC）与NOx（EVC）随着气门重叠角的增大而呈现出下降趋势。但由图7可以看到，NOx（IVC）下降缓慢，而NOx（EVC）下降较快，最大可降低36%。这是因为一方面由于气门重叠角的增大，扫气效应增加，降低缸内温度，不利于NOx（的产生；另一方面随着排气门关闭的滞后，通过惰性气体稀释新鲜空气以增大稀释效应来降低NOx的产生。因此NOx（IVC）下降较NOx（EVC）缓慢。

3 结论

通过本次试验，可以得出以下结论：

1）扫气率随着气门重叠角的增大而增大，由于扫气降低缸内温度，从而使充量系数增大。受缸内气体运动状态的影响，缸内混合气并未随着充量系数的增大而燃烧得更为理想。

2）进气VVT主要影响发动机的动力性，随着进气VVT的提前，发动机的扭矩提升11.6%。受缸内气体燃烧的影响，扭矩最大值并未在气门重叠角最大处，排气VVT主要影响发动机的排放，在气门重叠角最大处，NOx的排放减少36%。

1刘亚奇，高定伟，王春波．增压直喷汽油机配气相位确定方法的研究[J].车用发动机，2012（4）：29～34

2刘国军，段景辉，杨金鹏，等.双VVT开度对GDI增压发动机性能的影响[J].小型内燃机与摩托车，2013，42（2）：18～23

3晏双鹤，盛鹏程，王菲，等.DVVT对缸内直喷增压发动机性能影响的试验研究[J].车用发动机，2012（2）：66～69

4李立军，张力.采用VVT技术的汽油机控制策略的研究[J].汽车工程学报，2011，1（3）：198～203

5孙玉亮.可变配气系统对汽油机动力性及燃油经济性能影响的研究[D].天津：天津大学，2008

6苏岩,李理光，肖敏，等.可变配气相位对发动机性能的影响[J].汽车技术，2000（10）：24～29

7张桐山.基于可变气门正时技术的汽油机排放性能研究[D].天津：天津大学，2008

8王国栋，袁观练，黄荣辉，等.低速中低负荷下VVT对汽油机燃油经济性的影响[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2013，35（2）：215～218，261

Experimental Study on Engine Performance with VVT Strategy

Ma Shaokang1，2，Qiao Jiawei1，2，Wang Yifu1，2，Liang Tao1，2，Qiao Chuang1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

The Influence of VVT on volumetric efficiency，combustion，power and emission were studied. The results show that volumetric efficiency increased with the valve overlap angle enhanced.The best combustion was effected by the state of dynamic mixture.Power performance was major influenced by intake VVT，torque was improved by 11.6%with appropriate intake VVT；emission performance was effected by exhaust VVT，NOxwas decreased by 26%with the exhaust VVT postponed.

VVT，Scavenging，Volumetric efficiency，Combustion，Emission

TK411

A

2095-8234（2014）06-0017-04

2014-09-09）

马少康（1984-），男，硕士，主要从事发动机电控、燃烧系统的研究开发。