关于换气可变性在轿车柴油机上的潜力分析介绍

全球热议的关于降低原始排放及满足当今和未来废气排放限值要求的技术可用于轿车柴油机的可变气门机构。在内燃机研究联合会研究计划范围内，RWTH Aachen大学的内燃机教授对可变气门机构在轿车柴油机上的潜力进行了模拟和试验研究，并最终对其作出评价，研究结果可用于进一步改善废气温度管理和瞬态性能（加速响应性能和废气排放）。

1起因

当今发动机的开发要求是减少有害物和CO2排放,以满足未来废气排放法规和公司平均限值的要求。因存在即将实施其他认证循环的可能性，例如全球统一的轻型载货车试验规范，开发人员将面临更大的挑战[1]。这种行驶循环要求进行持续的废气温度管理，尤其是对于低部分负荷和冷起动运行工况，以便能使排气后处理系统高效地运行。

减少CO2排放会使废气温度降低，特别是在低部分负荷范围内会导致氧化催化转化器（DOC）中碳氢化合物（HC）和CO转化率的明显降低，倘若废气温度低于DOC的起燃温度，那么，降低机内CO和HC排放就显得更为重要。通过应用可变气门机构能开辟空气系统新的自由度，以便能明显提高废气温度，并且不存在废气排放达到临界范围的重大缺陷，例如能在燃烧稳定性较高的同时，在低部分负荷范围内进行柴油颗粒捕集器（DPF）再生或降氮氧化物（NOx）[2]。此外，通过调整配气正时提高气缸中的残余废气含量，就能在低NOx水平下进行DPF再生，从而获得低的再生系数（KI系数）。通过使用可变气门机构也能影响气缸中充量的流动特性和非稳态运行性能。

2研究策略及实施

在单缸试验机上和部分整机上进行发动机试验研究，而单缸试验机是从整机演变而来的。2种发动机均应用最高喷油压力为200 MPa的共轨喷油系统，为了确保获得足够的气缸充气和最佳的充量运动，进气道被分别设计成充气气道和切向进气道，而且2个进气门上都有座面涡流倒棱，以优化充量运动。通过减小压缩比、提高最高气缸压力和喷油压力，以及改善冷却废气再循环（EGR）使颗粒（PM）排放降至最低，因而无须采取主动的降NOx措施，就能达到欧6排放标准要求。有关这2种发动机的详细信息可参见表1和文献[3]～[5]。

表1 HECS燃烧过程特性参数

项目	参数
发动机类型	单 缸 试 验 机	多 缸 机
排量/mL	390	1560
行程/mm	88.3	88.3
缸径/mm	75.0	75.0
压缩比	15.0	15.5
每缸气门数	4	4
最高气缸压力/MPa	22	20
喷油系统	Bosch压电共轨喷油系统
最高喷油压力/MPa	200	200

将4个运行工况点作为试验研究的基础，其中3个运行工况点位于对惯性质量1 590 kg等级车辆在新欧洲行驶循环（NEDC）中具有重要意义的特性曲线场范围内,而各运行工况点的预喷射持续期、预喷射与主喷射之间的间距、进气管压力、增压空气中冷器后的温度和燃烧重心保持不变,并按欧6排放标准进行标定，与主喷射的喷油量和喷油时刻相匹配，以调整到所需的负荷和燃烧重心，保持燃烧重心位置，避免因燃烧重心位置不同而使燃油耗有所变化，从而使废气排放的偏差直接与气门机构的可变性相关，而不会导致不良的燃烧过程。

3气门机构可变性的研究

可以采用模拟和试验方法挖掘可变气门机构的潜力，并对其结果进行评估。验研究的目标是使排气后处理与低燃油耗之间达到最佳折中。所试验的气门机构可变性示于图1，详细信息可参阅文献[6]～[7]。图1包括进排气门的相位调整、可变气门升程和开启持续期及其组合等试验方案，总共试验了10种不同的气门可变性。图1中的方案1示出了减小进气门升程的情况，方案2和方案4示出了排气门或进排气门的相位调整情况，方案3 试验了排气门附加凸轮的潜力，方案5示出了进气门相位调整与排气门关闭时间变化而开启时间保持不变的组合，方案6和方案7试验了缩短气门升程或开启持续期对进排气的影响，而方案8、方案9和方案10 则观察了进气、排气或进排气升程或开启持续期变化的情况。

4 一维换气模拟

采用一维换气过程模拟计算设计轿车柴油机气门可变性。采用两级增压及高压和低压废气再循环(EGR),并以为部分负荷调整的模拟模型作为基准，运行工况点定义的边界条件是稳态的负荷、增压压力和残余废气量（各自进行调节），通过确定边界条件，就能假定放热率近似不变。

借助于一维换气过程计算，对进排气侧不同气门升程曲线的配气相位和长度（升程和开启持续期）的应用范围逐点对废气温度的升高和燃油耗的增加进行试验。在用一维换气计算进行分析时，应考虑到覆盖宽广的气门机构可变性范围。试验结果表明，可通过3种途径影响废气温度:⑴通过增加换气功来增大高压功；⑵增加高压曲线中的损失；⑶内部EGR。

通过排气门早开（方案2或方案9）能显著增大膨胀损失，与此相反，通过进气门晚关减少气缸充量对废气温度的影响就较小。除了移动高压过程的负荷工况点之外，适度的热EGR也能使废气温度升高。在方案3或方案6中，采用这些方法甚至不会使高压过程负荷工况点移动，因而有可能在燃油耗仅略有增加的情况下，使DOC前的最高温度升高约20℃（图2）。

借助于一维模拟计算,同时调整气门相位的方案具有较大的加热潜力,并且是进行试验研究的基础。尤其是方案6，在同时调节相位48ºCA的情况下，因减小了进排气门的开启持续期，在这个运行工况点并未产生因充量被推出气缸而造成的充量损失，其中，进气门在升程零时关闭，与相位未调整的基准进气门关闭时间点基本相同。因方案5、方案7、方案8和方案10呈现出较高的潜力，因而未对其进行详细观察。

5单缸机试验研究

图3示出了不同气门机构可变性（方案2、方案4、方案6和方案9.2）对N0x达到欧6标准的柴油机负荷工况点（发动机转速2 000 r/min，平均指示压力0.3 MPa）燃油耗的影响，并分别与进气门升程为8 mm的基准气门正时进行比较。通过调整排气门相位48ºCA（方案2），废气温度升高约70℃，但因高压和低压曲线中的损失增大，导致燃油耗增加42 g/（kW·h）。废气温度升高将有利于HC和CO的后续氧化。排气门早关导致内部EGR的份额增大，而循环温度在进气门关时已升高，因进气门配气正时并没有变化，一部分残余废气处于进气管中，并被附加冷却。

进排气相位对称移动（方案4）使得残余废气不仅在气缸中被预压缩，而且也进行膨胀，，此外，进气门打开时刻向晚方向移动会导致气缸充量被进一步减少，并提高了气缸中充量的流动速度。因燃烧室与进气管之间的压力差较大，因而获得了较高的流动速度。进气门关闭时刻调晚又使部分新鲜充量回流到进气道中，因而保留在气缸中的充量被进一步减少。在气缸充量减少和残余废气量增加的同时，加大喷油量能提高废气温度。为使气缸中达到相同的氧浓度，随着残余废气量的增加应逐步减少外部EGR率。采用方案4使相位附加移动48ºCA，在燃油耗增加26 g/（kW·h）的情况下，废气温度可提高34℃。

方案6表示不调整配气相位在提高废气温度方面的2种相反效果。一方面，方案6即使不调整配气相位就已产生了比基准方案高的内部EGR，这样提高了进气门关闭时的废气温度水平。另一方面，不调整配气相位，方案6在其基本原理上相对于米勒循环，因此进气门在下止点前就已关闭，因而有效压缩比，即压缩终了温度降低。米勒循环过程是将燃油喷入压缩较少而较冷的气缸介质中，这会对HC和CO产生不利影响，而直到进排气相位调整高达24ºCA时，PM排放并不会有明显增加。更早的排气或更晚的进气相位调整（方案6）会使内部EGR率明显增大，因而在进气门关闭时刻气缸温度就随之升高，这不仅造成壁面热损失较高，而且因气缸温度提高而使HC排放最多可降低70%，同时在残余废气量增大的情况下，PM排放也会增加，因为充量流动速度较小使混合气准备变差，着火滞后也被缩短。因燃烧室中的充量流动速度较小，气缸中的再循环废气出现分层现象，促进PM生成。总效果是在燃油耗增加20 g/（kW·h）情况下，废气温度最多可提高100℃。

提高废气温度的另一种方法是以膨胀行程损失的形式产生高压曲线上的损失。通过延长排气持续期（方案9.2），即在保持排气门关闭（气门升程为零）时刻不变的情况下，排气门早开产生附加的膨胀损失，与此同时，必须喷射更多的燃油量，以便能调节到所需负荷。这种方案的残余废气量比基准方案的残余废气量略高，因为其排气门实际关闭得稍早。因而PM排放会略微增加，并且在燃油耗增加120 g/（kW·h）情况下，废气温度可提高125℃。

6三维计算流体力学（CFD）流动模拟

在单缸试验机上的试验研究表明,HC和CO的机内后续氧化具有很大的潜力,并且废气温度管理对此能产生有利影响,同时，在方案6配气相位调整48ºCA的情况下，PM排放过分增加,为此，利用三维CFD模拟来查明这种现象。无须在光学试验台上进行昂贵的试验，借助于三维CFD模拟就能对燃烧室中的这种过程进行可视化的观察。

针对10ºCA BTDC喷油时刻进行三维CFD流动模拟计算，评估配气可变性对随之发生的混合气形成和燃烧的影响。图4示出了在流动方向轴向截面上燃烧室中由外部EGR 和没有完全排出的废气组成的残余废气量的分布状况，方案6中的进排气门相位分别调整24ºCA或48ºCA，以及进排气门相位调整48ºCA/24ºCA时与基准配气正时的比较。从图中可见，在基准配气正时燃烧室中的残余废气近似均匀分布，这种良好的均匀化是基于较大的外部EGR份额（37%），以及EGR在新鲜充量中的完全均质化。与此相反，配气相位调整的方案6在燃烧室中形成明显的残余废气分层，随着配气相位调整的增大，内部EGR增加，从气缸盖到活塞燃烧室凹坑底部的残余废气分布的梯度也随之增大。进排气门相位同时调整所引起的新鲜充量和残余废气较大的不均匀性导致PM排放明显增加（见图3）。通过进排气门相位的不同步调整，例如进气门调晚48ºCA，而排气门调早24ºCA，就能够抑制这种现象，从而改善残余废气在燃烧室中分布的均质化程度。

7结语

稳态单缸机试验研究表明了可变气门机构和在部分负荷范围内提高废气温度在降低有害物排放方面的优势，而通过延长排气门开启持续期明显缩短膨胀行程在提高废气温度方面显示出最大的潜力，并且不会显著减少气缸充量。采取缩短进排气门开启持续期与调整两者相位相结合的方法同样能明显提升废气温度，而燃油耗增加较少，同时HC和CO原始排放降低高达70%。三维CFD模拟计算能用于评估燃烧室内部充量的流动状况。流动模拟表明，较高的内部EGR份额会引起气缸中残余废气分层，但通过气门不同步开启策略仍然能在达到足够均质化的同时，获得高的充量涡流，对PM排放的形成产生直接的有利影响。

试验研究的重点包括气门机构可变性的设计及其对稳态运行工况点性能影响的分析和评估。试验研究成果表明了轿车柴油机应用可变气门机构在废气温度管理和降低原始排放方面的潜力，因此，目前所实施的计划最终能获得最佳的进排气门配气正时，现在要在多缸机和整车上实施，并进一步对燃烧和废气排放进行试验研究。