换气可变性在轿车柴油机上的潜力

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1 起因

2015年以来，欧盟不断地降低公司车队CO2排放和燃油耗上限，促进轿车柴油机持续不断地进行开发[1]。内燃机在降低CO2和提高效率的同时导致废气温度越来越低，降低了废气后处理装置的效率和转化率，除此之外冷起动和暖机运行阶段对满足当今废气排放限值越来越起着决定性的作用，因为这两个阶段所产生的碳氢化合物(HC)和CO有害物有时会占到整个循环排放量的70%以上。由于废气排放法规进一步加严，因而在降低原始排放的同时，尽可能达到高的废气温度而又不会导致燃油耗进一步恶化，以便迅速加热废气后处理装置。为此，柴油机气门机构的可变性可作为附加技术加以利用[2]。

2 试验研究载体

在这项试验研究计划中,不仅涉及到稳态发动机台架试验,而且还包括在汽车上进行动态测试。这两种试验基础发动机是相同的，并具有相同的燃烧过程，在试验车上最大喷油压力为200 MPa，在试验发动机上则最高可达250 MPa，但是这种差异对于所要考察的运行范围并不重要。进气道被设计成充气气道和切向气道，因而能确保最佳的气缸充气和充量运动，而且为了改善中低负荷时的混合气准备，2个进气门座都设有涡流坡口。较低的压缩比及较高的气缸爆发压力和喷油压力，再加上冷却的低压和高压废气再循环(EGR)就能够达到最低的颗粒物(PM)排放值和满足欧6b排放标准的氮氧化物(NOx)排放水平，且无需安装降低NOx排放的废气后处理装置。有关这两种试验发动机的其他信息可从表1和参考文献[3～5]中获悉。

表1 整机技术规格

3 试验的气门机构可变性

试验研究选定了以目标为导向的气门机构方案，各种不同的试验研究气门可变性示于图1，更详细的信息可从参考文献[2]中获取。排气相位调节提供了实现缸内EGR的可能性，但是会产生膨胀损失和换气损失，并且缸内EGR会返回到进气道，而进气门晚开与排气门相位调节相结合就能将缸内EGR留存在燃烧室内，并阻止缸内EGR返回到进气道，因气缸中重复压缩的残余废气完全膨胀进而改善了换气，另外缩短的进气过程又导致了进气门早关，即通过进气门晚开+米勒循环减少了气缸充气[6]。

图1 试验研究所选择的气门机构方案

4 采用全面试验设计模型进行循环预测

发动机试验台架上的试验研究集中在基于各种参数变化的稳态测试上，参数变化范围列于表2。借助于试验结果建立全面的试验设计模型，以便进行全球统一的轻型车试验循环(WLTC)第一阶段，即低负荷阶段的预报。紧接着对3种进气升程曲线进行全面优化，其中分析的重点是研究加热废气的潜力和降低原始排放。就WLTC而言，将满足欧6b排放标准的NOx原始排放水平270 mg/km确定为上限，试验结果归纳于图2。

首先评估冷却水温度90 ℃时的基本配气定时的最大进气门升程。试验结果表明，HC和CO原始排放低于欧6限值，因此在这种情况的热机运行条件下可变气门机构(VVT)并非绝对必要。第二步降低冷却水温度，以模拟冷起动和暖机运行阶段。为了进行评估，考察中等冷却水温度45 ℃和最大废气加热(红色)与CO2排放最佳的适度加热(蓝色)。试验结果表明，在采用第一种方案时，由于在靠近壁面范围内火焰熄灭以及燃烧温度低而使CO2减少，HC/CO原始排放显著增加，并明显超过欧6限值，CO2排放增加约20%，主要是因冷态运行时摩擦增大的缘故。氧化催化转化器(DOC)前的平均温度处于与热机运行条件下相当的水平，而长的着火滞后则使碳烟排放降低。

表2 全面试验设计的试验参数表

图2 WLTC试验循环第一阶段全面模型预报的试验结果

进气门晚开和进气门晚开+米勒循环两种VVT方案因在排气相位调节时负的气门重叠角而产生了缸内EGR，而高温条件下的缸内EGR改善了二次氧化，使HC排放降低多达47%，CO排放降低多达40%，在这种情况下因进气门晚开+米勒循环方案的充气量大大减少，在所考察的整个范围内其二次氧化的潜力较小。DOC前的平均温度比进气门晚开方案提高了46～51 K，进气门晚开+米勒循环方案提高了25～34 K，而得到这些结果使进气门晚开方案并没有出现CO2排放方面的缺陷，进气门晚开+米勒循环方案的CO2排放也仅比冷起动条件下最大进气门升程方案的CO2排放高10%。除此之外，CO2排放最佳的加热方式，虽然缸内EGR造成了燃烧室内EGR不均匀的分布，产生了较小的空燃比，并缩短了着火滞后期，但是并没有出现碳烟方面的缺陷，而在最大废气加热(红色)情况下可以看到，空气量的减少使得碳烟排放有所增加。

预测表明了VVT系统辅助冷起动和暖机运行的潜力，因此该项目下一步将在转鼓试验台上进行动态整车测试，以便掌握在瞬态运行条件下的潜力。

5 动态整车试验

整车试验仍在冷起动(22 ℃)条件下考察WLTC行驶循环第一阶段。该试验程序除了基本配气定时-最大进气门升程和基本配气定时-最小进气门升程之外还包括进气门晚开，以期从稳态模拟中获得较大的潜力。以此与基本配气定时-最大进气门升程方案相比，基本配气定时-最小进气门升程方案的特点是减小进气门升程。最大进气门升程和进气门晚开2种方案都采用排气相位调节进行试验，排气凸轮轴相位调节器均按照最佳CO2排放来进行标定，并与无排气凸轮轴相位调节器的最大进气门升程方案进行对比(图3)。

图3 WLTC行驶循环第一阶段整车动态测试全面试验结果

试验汽车上由于仅具备1个靠近发动机的DOC/柴油机颗粒捕集器(DPF)，因而仍要评估NOx原始排放而并非尾管处的排放。EGR标定要使所有方案都满足NOx排放的目标要求。最大进气门升程方案因冷起动时的原始排放较高，因而DOC后的HC和CO排放已超过欧6限值标准。

最小进气门升程方案通过排气相位调节实现的缸内EGR也由整车试验证实了其HC/CO二次氧化的潜力，因而其废气排放仍低于欧6限值标准。除此之外已确认因有缸内EGR，发动机起动后能迅速加热，凭借DOC前的温度就能予以评估。

最小进气门升程方案常规的进气门开启在排气相位调节的情况下会产生较大的换气损失，因而也就增加了CO2排放，但是这种损失能通过进气门晚开来补偿，因而进气门晚开方案并不会产生燃油耗方面的缺陷。由于这两种方案减小了进气门升程，也就能通过进气门座涡流坡口改善混合气准备，从而降低碳烟排放。

图4示出了整个时间段内废气温度、DOC前能量，以及DOC平均效率的状况。DOC前的温度表明，仅通过排气相位调节产生膨胀损失和换气损失就使废气温度提高了40 ℃。借助于进气门晚开方案与排气相位调节相结合，最多可使废气温度提高15 ℃，这基本上可归因于缸内EGR被留存在燃烧室中的原因。采用排气相位调节的这两种方案DOC后废气温度曲线以较平缓的斜率升高，因为改善了二次氧化而导致较低的HC/CO原始排放，以及减少了DOC中的放热反应。即使废气质量流量减小，但是通过排气相位调节仍能使进入DOC的能量明显增加，这可从DOC前的累积能量曲线看出。这种效应不仅与废气温度相关，而且也由行驶循环中倒拖和怠速运行阶段DOC冷却减少所引起，而且在这些运行阶段热废气在催化转化器中的停留时间同时也延长了，所有这些因素共同改善了DOC的转化率，并使效率提高多达15%。

图4 WLTC行驶循环第一阶段DOC的影响和反应

6 结语

通过该项目中所采取的各种措施，以及用于循环预测的全面试验设计模型和整车动态测试，证实了用于轿车柴油机的可变气门机构系统具有非常大的潜力。在发动机试验台架稳态测试基础上，WLTC行驶循环第一阶段的模型预测表明，进气门晚开与排气相位调节相结合使HC/CO原始排放的二次氧化改善高达47%，使DOC前的废气温度提高51 ℃，并且在45 ℃冷机运行条件下不会出现CO2排放方面的缺陷。通过在转鼓试验台上的整车测试证实了循环预测的结果。可变气门机构进气门晚开方案与排气相位调节改善了冷起动和暖机运行，并通过缸内EGR提高了DOC的转化率。试验结果证实了可变气门机构系统辅助冷起动和暖机性能在废气温度管理、降低原始排放，以及催化转化器加速响应特性、起燃特性和再生特性等方面的潜力，因此该项目能证实可变气门机构系统应用于柴油机上的优势。