关于直喷汽油发动机的配气相位控制研究论文

　　随着前期粗放型高能耗的经济发展模式对空气质量影响的日益显现，国家在下决心治理环境污染的同时，对汽车生产厂家降低平均油耗和污染物排放的要求也不断提高。这就迫使汽车生产厂家在发动机产品研发方面应用更多可降低油耗和尾气排放的新型技术，包括更加精确的发动机控制技术。直喷发动机作为新型内燃机的代表，正是为了适应低油耗、高性能的要求而研发并应用的。其中，进排气凸轮轴的配气相位控制可使进排气凸轮轴在不同工况下更精确地工作在最节能、省油或最高动力输出的位置，满足发动机不同工况的要求。
　　1可变配气相位的原理和硬件配置
　　可变配气相位(VTEC，又称可变气门正时)要求配气相位可随着发动机转速的变化提前或推迟进排气门的开启和关闭时刻，以调整实际进入发动机内的新鲜空气的量，利用进气的惯性及谐振效应提高充气效率，从而达到提高燃烧效率、降低油耗和排放的目的。
　　可变配气相位机构一般由发动机电控单元ECU、凸轮轴传感器、凸轮轴正时控制电磁阀和执行器组成。
　　2可变配气相位对发动机性能的影响
　　2.1可变配气相位控制策略
　　可变配气相位控制的目的实际上是通过控制进排气门的开关时刻和气门叠开角的开度，控制缸内的残余废气量，实现内部EGR (废气再循环)。气门叠开角θ 的计算公式如下:
　　θ=(α-β)/2 (1)
　　式中:α 为对应0.05 mm 升程的排气侧凸轮轴转角;β 为对应0.05mm 升程的进气侧凸轮轴转角。如某合资主机厂的直喷发动机使用图2所示的双退后型相位控制，在初始位置排气侧关闭到0.05mm气门升程对应的凸轮轴转角为365 ，进气侧开启到0.05mm气门升程对应的凸轮轴转角为334 。因此，在停止位置的气门叠开角θ=(365-334)/2=15.5 。
　　在低速和怠速工况下，系统会减小配气相位的气门叠开角，从而减少发动机的内部EGR 率，改善低速时的扭矩表现，使发动机的燃烧更稳定。在中等负荷工况下，系统会增加配气相位的气门叠开角，使发动机运行在经济性最佳的区域。在高速工况下，系统会减小配气相位的气门叠开角，以提高发动机的最大输出功率。
　　2.2可变配气相位对燃烧稳定性的影响
　　发动机气缸内的燃烧稳定状态通常使用平均指
　　示压力变化系数COV 来评价。
　　在低速工况，进气气流流动速度较低，流动惯性小，此时如果进气门过早开启，而活塞还处于上行排气，缸内气压与缸外气压差别不大，容易发生新鲜空气被挤出气缸的现象，使进气量减少，会导致发动机工作不稳定。而推迟进气门开启时刻，可提高进气速度，加强进气涡流，使混合气体获得更好的均质性，可提高燃烧速率且燃烧更充分，从而获得较高的＂燃烧效率。因此，发动机转速较低时，应减小气门的叠开角，以提高发动机的燃烧稳定性，否则会有熄火的风险。
　　2.3可变配气相位对排放的影响
　　发动机在中等负荷以上工况，随着气门重叠角的增大，由进气可变气门正时技术(VVT)和排气VVT 变化引起的THC排放基本呈现增大的趋势。当气门重叠角为-20 时，THC 排放基本上在1.4 10-8左右;而在20 时，基本在2.2  10-8 左右。有研究表明，发动机在中低速小负荷工况，THC排放随着气门重叠角的增大而呈现减小的趋势。进气时由于歧管压力为负压，缸内残余气体在活塞的上行中被压入进气歧管，残余废气参与下一循环的燃烧，从而降低THC排放。
　　NOx (IVC，IntakeVVTChange，进气VVT调整)与NOx (EVC，Exhaust VVT Change，排气VVT调整)随着气门重叠角的增大而呈现下降的趋势，其中NOx (IVC)下降缓慢，NOx (EVC)下降较快。这是因为一方面由于气门重叠角的增大，扫气效应增加，降低了缸内温度，不利于NOx 的产生;另一方面随着排气门关闭的滞后，通过惰性气体稀释新鲜空气以增大稀释效应，从而降低NOx 的产生量。
　　3发动机售后熄火问题分析
　　3.1熄火问题描述
　　可变配气相位虽然可以带来降低油耗和尾气排放的好处，但在实际应用中需注意在极端工况下的控制策略，避免因进排气叠开角过大和气门开启速率过快导致发动机燃烧性能不稳定而发生发动机熄火隐患。如装配某合资品牌主机厂的直喷汽油发动机的车型上发生的发动机熄火售后案例:车辆冬天在北方寒冷的环境下冷起动后，很快以3%~5%的极小油门使车辆起步，但在持续30s左右后，出现发动机熄火故障。
　　3.2原因调查及分析
　　经过综合分析各项可能导致发动机熄火的因素，将故障的根本原因锁定为低温时发动机的燃烧稳定性差，原理如2.2所述。
　　造成发动机低温燃烧稳定性差的原因为:1)低温小负荷时，排气相位初始开启速度过快。在发动机水温低于20 、机油温度低于0  时，排气相位初始开启速度为0.35rad/s，导致燃烧不稳定，增大发动机熄火风险。2)低温小负荷时，排气相位开启角度过大。在发动机水温低于20 、机油温度低于0 时，排气相位开启角度大于25 ，内部EGR率过大，导致燃烧不稳定，增大发动机熄火风险。3)发动机在冷机状态，排气相位开启时，点火角控制过小，导致燃烧不稳定，增大发动机熄火风险。
　　3.3配气相位控制改进措施
　　为了改善发动机的低温燃烧稳定性，消除发动机熄火隐患，针对上述产生原因，对发动机配气相位控制进行改进。降低机油温度-4  以下区域进气和排气相位的初始开启速率;减小水温20 以下区域排气相位开启角度;优化排气相位开启时的点火角标定控制。通过过冷仓测试和黑河冬季测试，证明改进后的控制方案可解决发动机熄火的问题，并且不会影响常温工况下发动机的排放和油耗性能。
　　4结论
　　该文通过对可变配气相位原理和实际应用案例的分析，得出以下结论:
　　(1)发动机怠速和低转速区域，配气相位的控制应以保证发动机燃烧稳定性为首要考量指标，防止熄火风险的发生。
　　(2)中等转速部分负荷区域是车用发动机最常使用的工况，也是排放控制的重点工况。其配气相位的控制目标是在保证满足排放指标的前提下获得最优的燃油经济性。
　　(3)高转速大负荷区域，配气相位的控制策略是保证发动机可以输出最大的功率和扭矩，确保发动机的外特性。