EVCT对直喷汽油机燃烧和微粒排放的影响*

2022-06-08解方喜孟祥龙李晓娜张玉林冯海洲

汽车工程 2022年5期

解方喜，孟祥龙，刘宇，李晓娜，张玉林，冯海洲

（1. 吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022；2. 一汽铸造有限公司规划与市场部，长春 130062）

前言

随着全球能源危机和环境污染日益严重，现代内燃机必须朝着更加节能环保的方向发展。众所周知，与进气道喷射方式（PFI）相比，缸内直喷（GDI）发动机以其更高的压缩比、更高的进气效率和更低的油耗逐渐占领市场。缸内直喷技术被认为是未来汽油发动机的主流技术。不过，缸内直喷技术虽然可以取得良好的节能效果，但仍然无法满足日益严峻的油耗和二氧化碳排放法规，急需进一步发展。同时，缸内直喷技术还面临其他挑战，油气混合时间变短并且燃油喷射在缸壁等位置造成燃烧不充分，大多数GDI发动机产生的微粒排放量是PFI的一倍或两倍。因此，降低缸内直喷汽油机的微粒排放，进一步提高燃油消耗率（BSFC），成为未来发展高效、清洁的GDI汽油机必须攻克的技术难题。

为优化汽油机的性能，增压技术、燃油喷射方式、可变气门正时（VVT）等技术被广泛应用。可变气门正时（VVT）被认为是一种重要的手段，可以改变发动机运行过程中进排气门的开启或关闭正时。Cao 等表明进气门开启（IVO）和进气门关闭（IVC）正时对换气过程和混合过程有很大影响，进而影响发动机的性能和排放。Li 等研究了米勒循环对直喷汽油机的影响，研究结果表明，在低负荷运行时，进气门晚关（LIVC）和进气门早关（EIVC）可分别提高燃油经济性6.8%和7.4%。Michael等研究了进气门开启时刻对GDI发动机微粒排放的影响。结果表明，当气门重叠角度在20-25°CA 变化时，微粒数量增加了近200%。Nora 表示更长排气门开启持续时间增加了大负荷和高转速下的转矩，进气效率与排气门开启持续时间有很大的关系。研究证明，随着排气门关闭时刻延迟，气门正重叠角增加，缸内残留废气也会增加。排气可变气门正时与进气可变气门正时相比，可能会在缸内引入更高温度的残余废气，从而使燃烧性能和排放性能更好。Xie 等发现与冷EGR 相比，使用热EGR 可以实现更好的BSFC、NO排放和微粒排放。

综上所述，排气可变气门技术有望实现更好的节能减排，但关于排气可变正时对GDI 发动机性能和排放的改善，尤其是微粒排放改进方面的独立研究较少。因此，本文旨在研究排气可变正时结合点火正时策略对GDI 发动机微粒排放及性能的改善潜力。

1 试验台架和试验方法

1.1 试验平台

试验在具有独立排气门正时机构的汽油GDI发动机上进行，进气门和排气门的开启持续时间分别为230和220°CA。试验中使用的发动机的参数如表1 所示。该发动机采用开放式电子控制单元INCA（ECU），因此IT 和可变气门正时等控制参数可以手动调整。发动机配备了转速精度为±0.2%的测功机，它可以维持恒定转速以测量发动机输出转矩。AVL 电荷放大器对电压信号进行处理和放大，最后将信号送到数据采集卡。安装精度范围为±0.1%的宽范围lambda 传感器，并且在INCA 上可以实现调节。燃油喷射系统由电子控制单元控制。使用ZF42压力传感器、DF-2420油耗仪、LF-72BM-C05E角标仪、AVL ZF42燃烧分析仪。发动机冷却液由闭环控制系统控制在80±5 ℃。排放测量采用MEXA-7100D EGR 气体分析仪。DMS500 快速气溶胶电迁移粒径谱仪分析微粒浓度和微粒尺寸分布，DMS500提供4.87—1 000 nm微粒的尺寸谱。发动机试验台架如图1所示。

表1 发动机技术参数

图1 发动机台架示意图

1.2 运行工况

在城市驾驶工况中，汽车发动机大部分都在中小负荷区域运行，因此，本文研究工况选择中小负荷。本文研究发动机预热后在不同工况下，不同排气门关闭正时和点火提前角对发动机性能和排放的影响，如表2 所示。试验中，所有工况均保持过量空气系数（Lambda）为1。试验燃料为商用汽油，辛烷值为95。在不同的工况下，压缩上止点后363.25°CA为原始排气门关闭正时，每隔5°CA 延后排气门关闭时刻到403.25°CA，以研究排气门关闭时刻的影响。点火提前角以压缩上止点前15°CA 为基准，间隔3°CA 提前至36°CA。当在各工况下改变排气门关闭正时或点火正时时，进气门开启正时保持不变。运行工况见表2。

表2 运行工况

2 结果和讨论

2.1 点火正时和EVCT对燃烧的影响

点火正时是影响发动机性能、燃烧过程和排放特性的重要参数。调整点火提前角可以改善发动机的燃烧过程。图2 为在工况2 下排气门关闭时刻为383.25°CA ATDC 对应的缸内压力和放热率曲线，随着点火正时从上止点前24°延后到15°，缸压和放热率都有很明显的下降，缸压峰值相位也随之推迟，因此，点火正时的推迟导致了燃烧的滞后。当喷油时刻固定时，随着点火正时的推迟，会增加混合气混合的时间，可能导致混合气过浓，不利于燃烧，致使缸内压力和放热率下降。点火提前角为24°CA BTDC时，气缸压力峰值达到3.420 6 MPa，对应的相位角为10°CA BTDC，比15°CA BTDC 点火正时的缸压峰值高0.875 94 MPa，相位角提前了10°CA。峰值放热率比15°CA BTDC 点火正时高11.790 8 kJ·m·（°CA），相位提前11°CA。

图2 工况2排气正时383.25°CA缸压和放热率随点火正时的变化规律

定义CA5、CA50、CA90 分别为放热量达到总放热量5%、50%、90%时的曲轴转角。图3 为在工况2下排气关闭时刻383.25°CA ATDC 时，不同点火正时下的燃烧相位，随着点火正时的提前，CA50 也随之提前，CA50-CA5 和CA90-CA50 都在减小，说明随着点火正时的提前，火焰传播变快。随着点火正时的延后，燃烧持续期（CA90-CA5）变长，过小的点火提前角，使得大部分燃料在膨胀冲程燃烧，所以CA5-CA90 增加。在排气门关闭时刻为383.25°CA ATDC 时，点火正时从上止点前15°CA 提前到24°CA，CA50相应提前11.65°CA。

图3 工况2排气正时383.25°CA时不同点火提前角的燃烧相位

如图4 所示，当EVCT 从上止点后363.25°CA 延迟到403.25°CA ATDC 时，峰值气缸压力和峰值放热率分别降低了0.584 55 MPa 和29.586 2 kJ·m·（°CA），峰值相位分别延迟了7 和10°CA。这是因为随着EVCT的延迟，内部残余废气增加。残余废气中含有大量的惰性分子，当残余废气系数增加时，着火界限缩小，导致了缸压峰值和放热率的降低，峰值相位的滞后。

图4 工况2点火正时24°CA缸压和放热率变化规律

如图5 所示，随着排气门关闭时刻的推迟，在相同的点火正时下，燃烧持续期变长，CA5出现时刻滞后，主要是缸内废气变多，废气中的CO和HO 热容较大，废气的稀释作用和热容作用逐渐显著，减缓了燃烧过程，延长了燃烧持续期。在相同的排气门关闭时刻下，随着点火正时的提前，燃烧持续期缩短，在EVCT 为363.25°CA ATDC，点火提前角为9°CA时，CA5和燃烧持续期分别减少了8.44和2.71°CA。在相同的点火正时下，CA50随着排气门关闭时刻延后同时延后。在点火提前角为21°CA 时，排气门关闭时刻从363.25 延迟到403.25°CA ATDC，CA50 大约延后9.1°CA。

图5 工况2点火提前角24°CA时，不同排气正时的燃烧相位

图6 显示了EVCT 和IT 对最大压力升高率（PRR）的影响。可以看出，在给定IT 下延迟EVCT使得最大压力升高率下降，当EVCT 延迟40°CA，IT为24°CA BTDC 时，PRR降低0.024 MPa/（°）CA。PRR的降低主要是由热容作用造成的。因为随着排气相位滞后，缸内废气量变多，废气中的CO和HO 都具有很大的热容，并且随着排气门相位滞后，缸内可供燃烧的氧减少，减弱了火焰传播，使CA50-CA5 阶段变长，减弱了爆震倾向，对应的PRR降低。随着点火正时的提前，在相同的EVCT 下，PRR增加。当EVCT 在363.25°CA ATDC 时IT 提前9°CA，PRR增加0.01 MPa/（°）CA。可以看出IT的提前会增加缸内燃烧噪声和爆震倾向，但EVCT延迟有利于降低缸内燃烧噪声和爆震倾向。

图6 工况2最大压力升高率随点火正时和排气正时的变化规律

IMEP 的循环变动（COV）与发动机输出功率密切相关，是发动机燃烧稳定性的重要指标。图7 显示了各排气门正时下，点火正时对COV的影响，只有在排气正时373.25°CA ATDC 时，COV是随着点火提前角的提前而增大，其它排气门时刻下，COV都是随着点火提前角增大先减小后增大，点火提前角过早或者过晚都会加剧燃烧的不稳定性，增大COV。

图7 工况2 COVIMEP随点火正时和排气正时的变化规律

2.2 EVCT和点火正时对BSFC和排放的影响

图8（a）显示了EVCT 和IT 对工况2 下有效燃油消耗率（BSFC）的影响。从图8（a）可以看出，在相同EVCT 下，随着IT 的提前，BSFC 呈现出先减小后增大的趋势，因此存在一个最佳点火提前角，称为最佳转矩最小点火提前角（MBT），和MBT 对应的BSFC称为MBSFC。以363.25°CA ATDC 的EVCT 的MBSFC 为基线的比较表明，随着EVCT 从363.25 延迟到398.25°CA，MBT 从18 到27°CA BTDC，MBSFC下降了4.23%。也就是说，EVCT 增加时需要增加点火提前角，改善燃烧以获得更好的BSFC。当然，EVCT 的延迟不是无限的。当EVCT 延迟到403.25°CA 时，MBSFC 甚至高于363.25°CA 时的EVCT，因为在固定的排气门持续期下，EVCT的延迟降低了进气损失并改善了空燃混合物，但同时也增加了排气冲程的排气损失。当EVCT 推迟到403.25°CA 时，推出功损失的增加导致泵气损失增大并大于对混合气的改善效果。

如图8（a）和图5 所示，BSFC 可能和CA50 存在微妙关系，随着排气门相位滞后，EGR 率增大，为了维持更好的BSFC，需要更提前的点火正时来维持CA50 没有过大的偏差。几乎每个排气相位下，CA50随着点火正时的提前都更趋近一个范围，大致在6-9°CA。在同一个点火正时下，排气门关闭时刻延迟时，因为更多的缸内废气，使得更稀薄的混合物导致了更低的BSFC，但是当排气门关闭时刻推迟到403.25°CA 时，MBSFC 对比393.25°CA 时的MBSFC显著增大，可能因为此时排气门关闭时刻延后过多，需要的最佳点火提前角过于提前，导致更多的燃烧在压缩行程中进行，气体膨胀阻碍活塞上行，气体所做负功增加，使得BSFC改善程度下降。

图8 BSFC和MBSFC的变化规律

图8（b）给出了MBSFC 不同工况的趋势。比较图8（b）中的工况1、工况2 和工况3，可以看出它们具有相同的趋势，即MBSFC 先减少后增加。工况1、工况2 和工况3 的MBSFC 分别最多提高了4.66%、4.24%和2.11%，对应的MBT分别为35、35和30°CA BTDC。比较是基于EVCT 处于363.25°CA ATDC 时对应的MBSFC。也就是说，随着负荷的增加，EVCT和IT 对MBSFC 的改善效果会降低。这是因为小负荷的缸内燃烧条件比大负荷的要差。通过EVCT 的延迟，更容易引入高温高热容废气，改善混合燃烧过程，提高BSFC。此外，在100 N·m 的大负荷下，较大的EVCT 对排气冲程中增加的活塞推出功的负面影响更加明显，这就是为获得最低的BSFC 而延迟EVCT 的原因。通过比较工况2、工况4 和工况5可以发现，在50 N·m 的负荷下，当转速从1 500增加到2 000 r·min时，MBSFC 分别下降了4.24%和2.43%。当发动机转速达到3 000 r·min时，最小的MBSFC出现在排气正时为363.25和25°CA BTDC的点火正时下。这一现象说明发动机在小负荷或低转速时对EVCT 的延迟容忍度更好，即在小负荷时对增加的残余废气耐受性更强。

直喷汽油机微粒按粒径大小，一般分为两种不同形式的微粒：核态微粒（nucleation mode），粒径小于50 nm；集聚态微粒（accumulation mode），粒径大于50 nm。如图9所示，分布特征主要表现为双峰形式，即核态和集聚态各占一峰。核态微粒主要来源于碳氢化合物冷凝形成的液滴，集聚态微粒主要来源于富燃料区域形成的碳质集聚体。

图9（a）显示了EVCT 为403.25°CA ATDC 时点火正时对粒径分布-微粒数量浓度的影响，图9（b）显示了不同点火正时对微粒数量浓度的影响。从图9 可以看出，点火时间、粒子总数、核态粒子数和集聚态粒子数均呈增加趋势。这是因为随着点火提前角的增加，气缸内燃烧温度升高会导致微粒成核率增加。另外，点火正时的提前减少了燃料和气体的混合时间，导致微粒生成变多，提前点火正时会增加气体峰值温度并提高阿列纽斯成核率。提前点火正时也会降低膨胀和排气冲程中的缸内温度，导致燃烧产生的微粒在排气阶段的氧化速度减慢。以上因素共同导致了更多的微粒排放。

图9 粒径分布和数量浓度变化规律

从图10 可以看出，EVCT 的延迟显著减少了微粒排放。EVCT 从363.25 推迟到403.25°CA ATDC，微粒总数、核态微粒和集聚态微粒数量明显减少。一方面，EVCT延迟带来的高热容废气降低了燃烧温度，导致燃油蒸汽热裂解脱氢反应形成的初级碳颗粒可能减少。另一方面，它改善了发动机的燃油消耗，这意味着对于给定的发动机负荷，与基线条件相比，气缸需要的燃料更少，从而很大程度的减少微粒的形成。

由图10（b）可以看出，排气门正时由363.25 延迟到383.25°CA，微粒的浓度显著降低约82.45%，核态和集聚态微粒也显著下降。当排气门关闭时刻延迟时，缸内EGR 量变多，缸内废气含有热容较高的CO和HO，使得燃烧温度降低，抑制了燃烧过程中高温反应的脱氢过程，减少碳质聚集微粒的形成。并且在相同的点火正时下，随着EGR 的增加，燃烧持续期变长，为微粒的氧化提供了更多的时间。所以，热EGR可以降低混合物的微粒浓度。

图10 微粒数量浓度和直径随排气正时变化规律

图11 显示了不同工况下总微粒数、核态微粒和集聚态微粒的改善率。以EVCT 为363.25 °CA 的MBT 为参考点，比较该工况下获得最小油耗点的微粒排放。从图11 可以看出，随着转矩的增加，相同转速（1 500 r·min）下，总微粒数改善程度有先增后减的趋势，分别为87%、95%和16.6%。当负荷增加到100 N·m 时，气缸内燃烧温度升高，EVCT 延迟导致气缸内氧浓度下降，这两者都有利于燃油热裂解和碳烟前驱物（多环芳香烃PAHs）的产生。比较工况2、工况4和工况5可以发现，在固定负荷（50 N）下，随着转速的增加，微粒总数的变化率分别下降了95%、84%和0%。这种现象可能是由于随着发动机转速的增加，燃料和气体混合的时间变短，EVCT 延迟引入的高温废气进一步加剧了部分混合气浓度不均匀。通过对工况2和工况3的比较可以发现，随着负荷的进一步增加，排气过程中核态微粒生成变多，碰撞概率的增加也导致集聚态微粒数量的增加。一般来说，EVCT的延迟结合适当的点火提前角可以实现低转矩低转速下BSFC、微粒排放的最佳改善。但当发动机转矩或转速增加时，BSFC、微粒排放的改善程度减弱。