可变气门正时标定在气门正时设计中的作用

晏双鹤

（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）

0 引言

为实现汽油机节能减排，人们提出很多方案：缸内直喷技术、涡轮增压技术、高压共轨技术、可变气门正时技术[1]、废气再循环技术[2]等。这些技术可以单独使用，也可以组合使用。

发动机可变气门正时 （Variable Valve Timing，VVT）技术，是性价比相当高的技术方案之一。一款发动机是否搭载了可变气门正时机构，是评价其经济性、动力性、排放性是否优良的技术指标之一[3]。VVT技术能使发动机在怠速、低负荷工况燃烧稳定，中低转速、中负荷工况燃油耗低，中低转速、高负荷工况扭矩高，高转速、高负荷工况功率高[4]。VVT通过对气门正时的改变，满足了不同工况对气门正时的不同需求，已经成为开发新型发动机过程中一项不可或缺的关键技术。

本试验通过对VVT进行标定，即在不同工况对双VVT组合进行全因子试验，选出该工况最优的进排气VVT组合。根据标定结果对发动机气门正时设计提出改进意见。

1 发动机基本参数

试验发动机为1款正在开发中的2.0 L直列4缸增压直喷双可变气门正时 （VVT）电控汽油机，采用高压共轨燃油系统和BOSCH电控系统。主要技术参数见表1。

表1 发动机主要技术参数

2 VVT标定试验

2.1 试验装置及设备

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和温度传感器。试验所采用的主要设备及其精度见表2。

表2 主要试验设备

试验时，出水温度控制在80℃，进水压力控制在≥40 kPa，出水压力控制在≤120 kPa，增压器涡前温度控制在≤930℃，低压油路压力保持在550 kPa，低压油路温度保持在25℃。这些要求不是本试验的直接要求，而是出于安全考虑。试验中所测排放均为原始排放，采用蝶阀模拟排气背压。排放采样点为增压器涡后10 cm处。排放测试系统所测量的碳氢（HC）和氮氧化物 （NOx）排放量为总排气量之比。

2.2 试验工况

试验工况：发动机转速从1 600 r/min增加至4 000 r/min， 分别为 1 600 r/min、 1 800 r/min、2 000 r/min、 2 400 r/min、 2 800 r/min、 3 200 r/min、3 600 r/min和4 000 r/min；在每一转速下，相对充气量从50%增加至120%，分别为50%、60%、70%、80%、90%、105%和120%。这样试验工况共有56个。相对充气量是指实际缸内充量与进气状态下理论充量之比，代表发动机负荷。

2.3 试验方法

针对2.2节规定的每个试验工况进行VVT全因子试验。发动机进气VVT范围为20°～-40°曲轴转角 （°CA），即进气门开启提前角可从20°CA调到-40°CA， 可调范围为60°CA， 按10°CA步长进行试验；排气VVT范围为-27°CA ～33°CA，即排气门关闭提前角可从-27°CA调到33°CA，可调范围为60°CA，也按10°CA步长进行试验。每个试验工况有49次试验。其中，VVT角度以1 mm升程 （由电控供应商提供）来定义，根据凸轮型线确定1 mm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20°CA，排气凸轮关闭的角度为-27°CA。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。试验控制边界为：过量空气系数取1，CA50取8°CA ～9°CA，或爆震边界。CA50表示燃烧50%燃油所对应的曲轴转角。

3 试验结果与分析

3.1 最优进排气VVT组合的确定

对每个工况下不同VVT组合的燃油耗率、HC排放和NOx排放结果进行对比，综合考虑，选出每个工况的最优进排气VVT组合。

转速2 000 r/min、相对充气量80%工况的燃油耗率、HC排放和NOx排放随进排气VVT变化的结果如图1～3所示。得到最优VVT组合为进气0°CA，排气13°CA。 燃油耗率、 HC 排放和 NOx排放结果的规律形成机理不在本文讨论范围之内。由于是3个因素共同影响最优进排气VVT组合结果，并不能使燃油耗率、HC排放和NOx排放结果在最优VVT组合下同时取得最小值，存在取舍或者是平衡的问题，一般燃油耗的比重相对大一些。比如进气0°CA，排气13°CA （命名为组合1） 和进气-10°CA， 排气13°CA （命名为组合2）， 组合1的燃油耗率有0.4 g/（kW·h）的优势，而组合2在HC排放、NOx排放分别有0.013 9%和0.032 6%的优势，故并无绝对的最佳选点结果。

图1 燃油耗率

按此方法，确定2.2节每个试验工况下的最优双VVT组合，得到1张进气VVT表和1张排气VVT表，这是最优组合标定的初步结果，其需要平顺，才能作为进排气VVT的标定结果。平顺方法如下，以进气VVT标定初步结果为例 （见表3），如：2 800 r/min、相对充气量60%工况，进气VVT为-30°CA，而紧邻工况均为-40°CA，则将其改为-40°CA；2 400 r/min、相对充气量90%工况，进气VVT为-20°CA，横向看进气VVT角度趋向关小，而且与2 400 r/min、相对充气量80%工况的进气VVT角度间隔较大，为20°CA，则将其改为-30°CA。以此方法对整张最优标定初步结果表进行平顺，就可得到进气VVT的标定结果，见3.2节中的表4。

图2 HC排放

图3 NOx排放

表3 进气VVT标定初步结果 °CA

3.2 VVT标定结果

根据3.1节最优VVT进排气组合的确定方法，得到每个试验工况下最优的进排气VVT组合，经平顺后，得到发动机的进排气VVT的标定结果。表4是进气VVT标定结果。由于仅进气VVT处于极限位置，而排气VVT不然，排气凸轮轴不需要错齿改造，故此处及后面未展示排气VVT标定结果。

表4 进气VVT标定结果 °CA

从表4中可以看出，23个工况 （占比41%）的进气VVT结果为-40°CA，即进气VVT的极限开启位置。所以推测如果进气VVT继续提前，在排放基本保持不变的前提下，燃油耗率可以继续降低。为此与气门正时设计部门沟通，其同意并确认在保证安全裕度的前提下，可以通过错齿将进气凸轮轴提前15°CA，无气门与活塞碰撞的风险。然后对发动机气门正时进行错齿改造，并对进气VVT提前的组合进行试验。

3.3 错齿后的VVT标定结果

由于错齿改变的是硬件上的气门正时关系，即相同的进气VVT角度在错齿前后对应的气门开启时刻是不同的。为防止混淆，将错齿后的进气VVT角度转化成错齿前相同气门开启时刻对应的VVT角度，所以错齿后的进气VVT极限开启角度变为-55°CA。针对进气VVT结果为-40°CA的工况，增加的进气VVT角度，按5°CA步长进行试验，即增加 -45°CA、 -50°CA、 -55°CA。 综合考虑燃油耗率、HC排放和NOx排放结果，选出最优的进排气VVT组合，再进行平顺，得到错齿后的进气VVT标定结果如表5所示。

表5 错齿后的进气VVT标定结果 °CA

由表5中数据可以看出，一部分工况的进气VVT角度得到了提前，提前5°CA至15°CA不等。在排放保持基本不变的情况下，可以获得更好的燃油经济性表现，燃油耗率降低1～2 g/（kW·h）。

4 结论

发动机的标定是在硬件设计完成确定后，通过不同的标定参数使发动机的综合表现最优的过程；但这并不是单向的，通过标定的结果也可以指导硬件的设计。本次试验通过VVT的标定结果对气门正时设计提出了改进意见，试验结果表明此改进意见有效。