關(guān)于直噴汽油發(fā)動機的配氣相位控制研究論文
隨著前期粗放型高能耗的經(jīng)濟發(fā)展模式對空氣質(zhì)量影響的日益顯現(xiàn)，國家在下決心治理環(huán)境污染的同時，對汽車生產(chǎn)廠家降低平均油耗和污染物排放的要求也不斷提高。這就迫使汽車生產(chǎn)廠家在發(fā)動機產(chǎn)品研發(fā)方面應用更多可降低油耗和尾氣排放的新型技術(shù)，包括更加精確的發(fā)動機控制技術(shù)。直噴發(fā)動機作為新型內(nèi)燃機的代表，正是為了適應低油耗、高性能的要求而研發(fā)并應用的。其中，進排氣凸輪軸的配氣相位控制可使進排氣凸輪軸在不同工況下更精確地工作在最節(jié)能、省油或最高動力輸出的位置，滿足發(fā)動機不同工況的要求。
1可變配氣相位的原理和硬件配置
可變配氣相位(VTEC，又稱可變氣門正時)要求配氣相位可隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化提前或推遲進排氣門的開啟和關(guān)閉時刻，以調(diào)整實際進入發(fā)動機內(nèi)的新鮮空氣的量，利用進氣的慣性及諧振效應提高充氣效率，從而達到提高燃燒效率、降低油耗和排放的目的。
可變配氣相位機構(gòu)一般由發(fā)動機電控單元ECU、凸輪軸傳感器、凸輪軸正時控制電磁閥和執(zhí)行器組成。
2可變配氣相位對發(fā)動機性能的影響
2.1可變配氣相位控制策略
可變配氣相位控制的目的實際上是通過控制進排氣門的開關(guān)時刻和氣門疊開角的開度，控制缸內(nèi)的殘余廢氣量，實現(xiàn)內(nèi)部EGR (廢氣再循環(huán))。氣門疊開角θ 的計算公式如下:
θ=(α-β)/2 (1)
式中:α 為對應0.05 mm 升程的排氣側(cè)凸輪軸轉(zhuǎn)角;β 為對應0.05mm 升程的進氣側(cè)凸輪軸轉(zhuǎn)角。如某合資主機廠的直噴發(fā)動機使用圖2所示的雙退后型相位控制，在初始位置排氣側(cè)關(guān)閉到0.05mm氣門升程對應的凸輪軸轉(zhuǎn)角為365°，進氣側(cè)開啟到0.05mm氣門升程對應的凸輪軸轉(zhuǎn)角為334°。因此，在停止位置的氣門疊開角θ=(365-334)/2=15.5°。
在低速和怠速工況下，系統(tǒng)會減小配氣相位的氣門疊開角，從而減少發(fā)動機的內(nèi)部EGR 率，改善低速時的扭矩表現(xiàn)，使發(fā)動機的燃燒更穩(wěn)定。在中等負荷工況下，系統(tǒng)會增加配氣相位的氣門疊開角，使發(fā)動機運行在經(jīng)濟性最佳的區(qū)域。在高速工況下，系統(tǒng)會減小配氣相位的氣門疊開角，以提高發(fā)動機的最大輸出功率。
2.2可變配氣相位對燃燒穩(wěn)定性的影響
發(fā)動機氣缸內(nèi)的燃燒穩(wěn)定狀態(tài)通常使用平均指
示壓力變化系數(shù)COV 來評價。
在低速工況，進氣氣流流動速度較低，流動慣性小，此時如果進氣門過早開啟，而活塞還處于上行排氣，缸內(nèi)氣壓與缸外氣壓差別不大，容易發(fā)生新鮮空氣被擠出氣缸的現(xiàn)象，使進氣量減少，會導致發(fā)動機工作不穩(wěn)定。而推遲進氣門開啟時刻，可提高進氣速度，加強進氣渦流，使混合氣體獲得更好的均質(zhì)性，可提高燃燒速率且燃燒更充分，從而獲得較高的燃燒效率。因此，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時，應減小氣門的疊開角，以提高發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性，否則會有熄火的風險。
2.3可變配氣相位對排放的影響
發(fā)動機在中等負荷以上工況，隨著氣門重疊角的增大，由進氣可變氣門正時技術(shù)(VVT)和排氣VVT 變化引起的THC排放基本呈現(xiàn)增大的趨勢。當氣門重疊角為-20°時，THC 排放基本上在1.4×10-8左右;而在20°時，基本在2.2 ×10-8 左右。有研究表明，發(fā)動機在中低速小負荷工況，THC排放隨著氣門重疊角的增大而呈現(xiàn)減小的趨勢。進氣時由于歧管壓力為負壓，缸內(nèi)殘余氣體在活塞的上行中被壓入進氣歧管，殘余廢氣參與下一循環(huán)的燃燒，從而降低THC排放。
NOx (IVC，IntakeVVTChange，進氣VVT調(diào)整)與NOx (EVC，Exhaust VVT Change，排氣VVT調(diào)整)隨著氣門重疊角的增大而呈現(xiàn)下降的趨勢，其中NOx (IVC)下降緩慢，NOx (EVC)下降較快。這是因為一方面由于氣門重疊角的增大，掃氣效應增加，降低了缸內(nèi)溫度，不利于NOx 的產(chǎn)生;另一方面隨著排氣門關(guān)閉的滯后，通過惰性氣體稀釋新鮮空氣以增大稀釋效應，從而降低NOx 的產(chǎn)生量。
3發(fā)動機售后熄火問題分析
3.1熄火問題描述
可變配氣相位雖然可以帶來降低油耗和尾氣排放的好處，但在實際應用中需注意在極端工況下的控制策略，避免因進排氣疊開角過大和氣門開啟速率過快導致發(fā)動機燃燒性能不穩(wěn)定而發(fā)生發(fā)動機熄火隱患。如裝配某合資品牌主機廠的直噴汽油發(fā)動機的車型上發(fā)生的發(fā)動機熄火售后案例:車輛冬天在北方寒冷的環(huán)境下冷起動后，很快以3%~5%的.極小油門使車輛起步，但在持續(xù)30s左右后，出現(xiàn)發(fā)動機熄火故障。
3.2原因調(diào)查及分析
經(jīng)過綜合分析各項可能導致發(fā)動機熄火的因素，將故障的根本原因鎖定為低溫時發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性差，原理如2.2所述。
造成發(fā)動機低溫燃燒穩(wěn)定性差的原因為:1)低溫小負荷時，排氣相位初始開啟速度過快。在發(fā)動機水溫低于20℃、機油溫度低于0 ℃時，排氣相位初始開啟速度為0.35rad/s，導致燃燒不穩(wěn)定，增大發(fā)動機熄火風險。2)低溫小負荷時，排氣相位開啟角度過大。在發(fā)動機水溫低于20℃、機油溫度低于0℃時，排氣相位開啟角度大于25°，內(nèi)部EGR率過大，導致燃燒不穩(wěn)定，增大發(fā)動機熄火風險。3)發(fā)動機在冷機狀態(tài)，排氣相位開啟時，點火角控制過小，導致燃燒不穩(wěn)定，增大發(fā)動機熄火風險。
3.3配氣相位控制改進措施
為了改善發(fā)動機的低溫燃燒穩(wěn)定性，消除發(fā)動機熄火隱患，針對上述產(chǎn)生原因，對發(fā)動機配氣相位控制進行改進。降低機油溫度-4 ℃以下區(qū)域進氣和排氣相位的初始開啟速率;減小水溫20℃以下區(qū)域排氣相位開啟角度;優(yōu)化排氣相位開啟時的點火角標定控制。通過過冷倉測試和黑河冬季測試，證明改進后的控制方案可解決發(fā)動機熄火的問題，并且不會影響常溫工況下發(fā)動機的排放和油耗性能。
4結(jié)論
該文通過對可變配氣相位原理和實際應用案例的分析，得出以下結(jié)論:
(1)發(fā)動機怠速和低轉(zhuǎn)速區(qū)域，配氣相位的控制應以保證發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性為首要考量指標，防止熄火風險的發(fā)生。
(2)中等轉(zhuǎn)速部分負荷區(qū)域是車用發(fā)動機最常使用的工況，也是排放控制的重點工況。其配氣相位的控制目標是在保證滿足排放指標的前提下獲得最優(yōu)的燃油經(jīng)濟性。
(3)高轉(zhuǎn)速大負荷區(qū)域，配氣相位的控制策略是保證發(fā)動機可以輸出最大的功率和扭矩，確保發(fā)動機的外特性。
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