關(guān)于直噴汽油發(fā)動(dòng)機的配氣相位控制研究論文
隨著(zhù)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，國家在下決心治理環(huán)境污染的同時(shí)，對汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)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(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家在發(fā)動(dòng)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(dòng)機控制技術(shù)。直噴發(fā)動(dòng)機作為新型內燃機的代表，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(jìn)排氣凸輪軸的配氣相位控制可使進(jìn)排氣凸輪軸在不同工況下更精確地工作在最節能、省油或最高動(dòng)力輸出的位置，滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)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(chēng)可變氣門(mén)正時(shí))要求配氣相位可隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機轉速的變化提前或推遲進(jìn)排氣門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)刻，以調整實(shí)際進(jìn)入發(fā)動(dòng)機內的新鮮空氣的量，利用進(jìn)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。
可變配氣相位機構一般由發(fā)動(dòng)機電控單元ECU、凸輪軸傳感器、凸輪軸正時(shí)控制電磁閥和執行器組成。
2可變配氣相位對發(fā)動(dòng)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(shí)際上是通過(guò)控制進(jìn)排氣門(mén)的開(kāi)關(guān)時(shí)刻和氣門(mén)疊開(kāi)角的開(kāi)度，控制缸內的殘余廢氣量，實(shí)現內部EGR (廢氣再循環(huán))。氣門(mén)疊開(kāi)角θ 的計算公式如下:
θ=(α-β)/2 (1)
式中:α 為對應0.05 mm 升程的排氣側凸輪軸轉角;β 為對應0.05mm 升程的進(jìn)氣側凸輪軸轉角。如某合資主機廠(chǎng)的直噴發(fā)動(dòng)機使用圖2所示的雙退后型相位控制，在初始位置排氣側關(guān)閉到0.05mm氣門(mén)升程對應的凸輪軸轉角為365°，進(jìn)氣側開(kāi)啟到0.05mm氣門(mén)升程對應的凸輪軸轉角為334°。因此，在停止位置的氣門(mén)疊開(kāi)角θ=(365-334)/2=15.5°。
在低速和怠速工況下，系統會(huì )減小配氣相位的氣門(mén)疊開(kāi)角，從而減少發(fā)動(dòng)機的內部EGR 率，改善低速時(shí)的扭矩表現，使發(fā)動(dòng)機的燃燒更穩定。在中等負荷工況下，系統會(huì )增加配氣相位的氣門(mén)疊開(kāi)角，使發(fā)動(dòng)機運行在經(jīng)濟性最佳的區域。在高速工況下，系統會(huì )減小配氣相位的氣門(mén)疊開(kāi)角，以提高發(fā)動(dòng)機的最大輸出功率。
2.2可變配氣相位對燃燒穩定性的影響
發(fā)動(dòng)機氣缸內的燃燒穩定狀態(tài)通常使用平均指
示壓力變化系數COV 來(lái)評價(jià)。
在低速工況，進(jìn)氣氣流流動(dòng)速度較低，流動(dòng)慣性小，此時(shí)如果進(jìn)氣門(mén)過(guò)早開(kāi)啟，而活塞還處于上行排氣，缸內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象，使進(jìn)氣量減少，會(huì )導致發(fā)動(dòng)機工作不穩定。而推遲進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻，可提高進(jìn)氣速度，加強進(jìn)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(dòng)機轉速較低時(shí)，應減小氣門(mén)的疊開(kāi)角，以提高發(fā)動(dòng)機的燃燒穩定性，否則會(huì )有熄火的風(fēng)險。
2.3可變配氣相位對排放的影響
發(fā)動(dòng)機在中等負荷以上工況，隨著(zhù)氣門(mén)重疊角的增大，由進(jìn)氣可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)(VVT)和排氣VVT 變化引起的THC排放基本呈現增大的趨勢。當氣門(mén)重疊角為-20°時(shí)，THC 排放基本上在1.4×10-8左右;而在20°時(shí)，基本在2.2 ×10-8 左右。有研究表明，發(fā)動(dòng)機在中低速小負荷工況，THC排放隨著(zhù)氣門(mén)重疊角的增大而呈現減小的趨勢。進(jìn)氣時(shí)由于歧管壓力為負壓，缸內殘余氣體在活塞的上行中被壓入進(jìn)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(jìn)氣VVT調整)與NOx (EVC，Exhaust VVT Change，排氣VVT調整)隨著(zhù)氣門(mén)重疊角的增大而呈現下降的趨勢，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(mén)重疊角的增大，掃氣效應增加，降低了缸內溫度，不利于NOx 的產(chǎn)生;另一方面隨著(zhù)排氣門(mén)關(guān)閉的滯后，通過(guò)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(dòng)機售后熄火問(wèn)題分析
3.1熄火問(wèn)題描述
可變配氣相位雖然可以帶來(lái)降低油耗和尾氣排放的好處，但在實(shí)際應用中需注意在極端工況下的控制策略，避免因進(jìn)排氣疊開(kāi)角過(guò)大和氣門(mén)開(kāi)啟速率過(guò)快導致發(fā)動(dòng)機燃燒性能不穩定而發(fā)生發(fā)動(dòng)機熄火隱患。如裝配某合資品牌主機廠(chǎng)的直噴汽油發(fā)動(dòng)機的車(chē)型上發(fā)生的發(fā)動(dòng)機熄火售后案例:車(chē)輛冬天在北方寒冷的環(huán)境下冷起動(dòng)后，很快以3%~5%的.極小油門(mén)使車(chē)輛起步，但在持續30s左右后，出現發(fā)動(dòng)機熄火故障。
3.2原因調查及分析
經(jīng)過(guò)綜合分析各項可能導致發(fā)動(dòng)機熄火的因素，將故障的根本原因鎖定為低溫時(shí)發(fā)動(dòng)機的燃燒穩定性差，原理如2.2所述。
造成發(fā)動(dòng)機低溫燃燒穩定性差的原因為:1)低溫小負荷時(shí)，排氣相位初始開(kāi)啟速度過(guò)快。在發(fā)動(dòng)機水溫低于20℃、機油溫度低于0 ℃時(shí)，排氣相位初始開(kāi)啟速度為0.35rad/s，導致燃燒不穩定，增大發(fā)動(dòng)機熄火風(fēng)險。2)低溫小負荷時(shí)，排氣相位開(kāi)啟角度過(guò)大。在發(fā)動(dòng)機水溫低于20℃、機油溫度低于0℃時(shí)，排氣相位開(kāi)啟角度大于25°，內部EGR率過(guò)大，導致燃燒不穩定，增大發(fā)動(dòng)機熄火風(fēng)險。3)發(fā)動(dòng)機在冷機狀態(tài)，排氣相位開(kāi)啟時(shí)，點(diǎn)火角控制過(guò)小，導致燃燒不穩定，增大發(fā)動(dòng)機熄火風(fēng)險。
3.3配氣相位控制改進(jìn)措施
為了改善發(fā)動(dòng)機的低溫燃燒穩定性，消除發(fā)動(dòng)機熄火隱患，針對上述產(chǎn)生原因，對發(fā)動(dòng)機配氣相位控制進(jìn)行改進(jìn)。降低機油溫度-4 ℃以下區域進(jìn)氣和排氣相位的初始開(kāi)啟速率;減小水溫20℃以下區域排氣相位開(kāi)啟角度;優(yōu)化排氣相位開(kāi)啟時(shí)的點(diǎn)火角標定控制。通過(guò)過(guò)冷倉測試和黑河冬季測試，證明改進(jìn)后的控制方案可解決發(fā)動(dòng)機熄火的問(wèn)題，并且不會(huì )影響常溫工況下發(fā)動(dòng)機的排放和油耗性能。
4結論
該文通過(guò)對可變配氣相位原理和實(shí)際應用案例的分析，得出以下結論:
(1)發(fā)動(dòng)機怠速和低轉速區域，配氣相位的控制應以保證發(fā)動(dòng)機燃燒穩定性為首要考量指標，防止熄火風(fēng)險的發(fā)生。
(2)中等轉速部分負荷區域是車(chē)用發(fā)動(dòng)機最常使用的工況，也是排放控制的重點(diǎn)工況。其配氣相位的控制目標是在保證滿(mǎn)足排放指標的前提下獲得最優(yōu)的燃油經(jīng)濟性。
(3)高轉速大負荷區域，配氣相位的控制策略是保證發(fā)動(dòng)機可以輸出最大的功率和扭矩，確保發(fā)動(dòng)機的外特性。
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