關(guān)于直噴汽油發(fā)動機(jī)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(jì)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(jī)產(chǎn)品研發(fā)方面應(yīng)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(jī)控制技術(shù)。直噴發(fā)動機(jī)作為新型內(nèi)燃機(jī)的代表,正是為了適應(yīng)低油耗、高性能的要求而研發(fā)并應(yīng)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(jié)能、省油或最高動力輸出的位置,滿足發(fā)動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速的變化提前或推遲進(jìn)排氣門的開啟和關(guān)閉時刻,以調(diào)整實際進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)的新鮮空氣的量,利用進(jìn)氣的慣性及諧振效應(yīng)提高充氣效率,從而達(dá)到提高燃燒效率、降低油耗和排放的目的。
可變配氣相位機(jī)構(gòu)一般由發(fā)動機(jī)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(jī)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(jìn)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(yīng)0.05 mm 升程的排氣側(cè)凸輪軸轉(zhuǎn)角;β 為對應(yīng)0.05mm 升程的進(jìn)氣側(cè)凸輪軸轉(zhuǎn)角。如某合資主機(jī)廠的直噴發(fā)動機(jī)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(yīng)的凸輪軸轉(zhuǎn)角為365°,進(jìn)氣側(cè)開啟到0.05mm氣門升程對應(yīng)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(jī)的內(nèi)部EGR 率,改善低速時的扭矩表現(xiàn),使發(fā)動機(jī)的燃燒更穩(wěn)定。在中等負(fù)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(jī)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)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(jìn)氣氣流流動速度較低,流動慣性小,此時如果進(jìn)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(jìn)氣量減少,會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作不穩(wěn)定。而推遲進(jìn)氣門開啟時刻,可提高進(jìn)氣速度,加強(qiáng)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)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時,應(yīng)減小氣門的疊開角,以提高發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性,否則會有熄火的風(fēng)險。
2.3可變配氣相位對排放的影響
發(fā)動機(jī)在中等負(fù)荷以上工況,隨著氣門重疊角的增大,由進(jìn)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(dāng)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(jī)在中低速小負(fù)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(jìn)氣時由于歧管壓力為負(fù)壓,缸內(nèi)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(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(yīng)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(yīng),從而降低NOx 的產(chǎn)生量。
3發(fā)動機(jī)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(yīng)用中需注意在極端工況下的控制策略,避免因進(jìn)排氣疊開角過大和氣門開啟速率過快導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃燒性能不穩(wěn)定而發(fā)生發(fā)動機(jī)熄火隱患。如裝配某合資品牌主機(jī)廠的直噴汽油發(fā)動機(jī)的車型上發(fā)生的發(fā)動機(jī)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(jī)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(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火的因素,將故障的根本原因鎖定為低溫時發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性差,原理如2.2所述。
造成發(fā)動機(jī)低溫燃燒穩(wěn)定性差的原因為:1)低溫小負(fù)荷時,排氣相位初始開啟速度過快。在發(fā)動機(jī)水溫低于20℃、機(jī)油溫度低于0 ℃時,排氣相位初始開啟速度為0.35rad/s,導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定,增大發(fā)動機(jī)熄火風(fēng)險。2)低溫小負(fù)荷時,排氣相位開啟角度過大。在發(fā)動機(jī)水溫低于20℃、機(jī)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(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定,增大發(fā)動機(jī)熄火風(fēng)險。3)發(fā)動機(jī)在冷機(jī)狀態(tài),排氣相位開啟時,點(diǎn)火角控制過小,導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定,增大發(fā)動機(jī)熄火風(fēng)險。
3.3配氣相位控制改進(jìn)措施
為了改善發(fā)動機(jī)的低溫燃燒穩(wěn)定性,消除發(fā)動機(jī)熄火隱患,針對上述產(chǎn)生原因,對發(fā)動機(jī)配氣相位控制進(jìn)行改進(jìn)。降低機(jī)油溫度-4 ℃以下區(qū)域進(jìn)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(diǎn)火角標(biāo)定控制。通過過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)動機(jī)熄火的問題,并且不會影響常溫工況下發(fā)動機(jī)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(yīng)用案例的分析,得出以下結(jié)論:
(1)發(fā)動機(jī)怠速和低轉(zhuǎn)速區(qū)域,配氣相位的控制應(yīng)以保證發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性為首要考量指標(biāo),防止熄火風(fēng)險的發(fā)生。
(2)中等轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷區(qū)域是車用發(fā)動機(jī)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(biāo)是在保證滿足排放指標(biāo)的前提下獲得最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性。
(3)高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷區(qū)域,配氣相位的控制策略是保證發(fā)動機(jī)可以輸出最大的功率和扭矩,確保發(fā)動機(jī)的外特性。
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