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摘要：针对474Q汽油机连续可变进气凸轮轴配气相位系统的研制，设计5种不同的相位器提前角度，测试诊断了发动机在不同负荷工况下的燃油消耗率随进气相位变化的规律。结果表明，低负荷工况，随着进气相位提前，CA50燃烧点推迟，平均指示压力循环变动率和燃油消耗率都增加，尤其是低转速，其燃油消耗率增幅最高达15%；中等负荷工况，随着进气相位提前，CA50曲轴转角都处于8°～9°（cA）之间，且平均指示压力循环变动率低于2%，其燃油消耗率呈下降趋势，降幅约2%；高负荷工况，中低转速时其燃油消耗率随进气相位提前而升高，而高转速时则降低。

关键词：发动机；可变气门正时；燃油消耗率；燃烧诊断

中图分类号：TK411

文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.04.10

可变气门正时技术改变了传统发动机中配气相位固定不变的状态，在发动机运转工况范围内提供最佳的配气正时，对于提升发动机高速功率和低速转矩，降低部分负荷油耗和尾气排放具有较好的效果。因此，在国内外发动机产品中，可变气门正时技术得到广泛应用。

笔者结合474Q汽油机连续可变进气凸轮轴配气相位系统的研制，研究可变气门正时进气相位策略对发动机降低油耗的影响。试验测试诊断了474Q汽油机在不同进气相位下的缸内燃烧特性变化及其对油耗特征的影响，并结合循环模拟数值方法，深入分析了不同负荷工况下提高燃油经济性的进气相位控制策略机理。

1.试验方法

测试发动机基本参数为：缸径74mm、活塞行程82mm、压缩比10.2、排量1.41L。试验采用液压驱动叶片式可变凸轮轴相位器，并搭载DelphiMT22.1发动机管理系统，可实现对进气相位从0。到50°曲轴转角范围的调节。同时，试验中利用INCA软件实时在线调整进气相位及其它关键参数，如点火角、空燃比等。

燃烧诊断采用Kistler6052B石英压力传感器采集缸内压力信号，通过501lB电荷放大器将压电传感器输出的电荷信号转化为电压信号，利用Kistler2613B曲轴转角信号发生器采集转角信号，按爆震识别要求将采样分辨率设为0.1°（CA），由DEWE.2010燃烧分析仪进行数据采集分析。

试验中，采用定转速、定转矩，空燃比闭环控制（入=14.6）的方式进行测试。试验转速选为1600 r/min、2800r/min、4000r/min和5200r/min，同时，分别设定发动机输出转矩为10N·m、50N·m和100 N·m，对应发动机的低负荷、中等负荷和高负荷工况。其中，在转速1600r/min高负荷时，设定发动机输出转矩为80N·m。

为分析进气相位的影响，设计了5种不同的相位器提前角度，对不同进气相位下的燃油经济性及燃烧特性进行测试。其对应的进气相位提前角度分别为0°（CA）、12°（CA）、24°（CA）、36°（CA）和48°（CA）。此外，试验中将点火角度控制在最大转矩点火提前角，如发生爆震则调至爆震临界点火角。

2.数据分析

图1～3为发动机在不同转速和负荷工况下，测得的有效燃油消耗率（Brake Specific Fuel Con.sumption，BSFC）随进气相位参数变化的结果，表1为对应的最佳点火提前角测试数据。

2.1低负荷工况分析

图1示例了低负荷工况下，474Q汽油机的BSFC随进气相位参数变化的特性，对应的发动机输出转矩均为10N·m。由图可知，在低负荷工况下，随着进气相位提前，474Q汽油机的BSFC明显增大。如在转速1600r/min，进气相位提前36。时，其BSFC从568g（kW.h）增加到610g/（kW.h），较初始状态增幅超7%，而在2800r/min工况，进气相位提前48°时，其BSFC的增加幅度更是超过15%，这主要是由于缸内燃烧不稳定所致。

由图4a可知，随着进气相位提前，474Q汽油机的平均指示压力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP）循环变动率显著增大，尤其是在中低转速相位提前过大时，其IMEP的循环变动率都在10%以上。低负荷工况的燃烧稳定性受缸内残余废气影响较大，随着进气相位提前，缸内残余废气增加，燃烧速率减慢。同时由于低负荷下点火时刻基本处于最大点火提前角位置，如表l所示，不能再提前，致使CA50（己燃质量分数50%）燃烧点明显推迟，如图4b所示。由图可知，当进气相位提前48°时，各转速下CA50对应曲轴转角都推迟10°以上，尤其是2800r/min工况，其对应曲轴转角从上止点后6.5°增加到28.8°，超过20°，导致其IMEP循环变动率从1.25%迅速增大到15.5%，油耗大幅升高。此外，从图中还可看出，CA50燃烧点与IMEP循环变动率变化趋势基本一致，即CA50对应曲轴转角越推迟，燃烧越不稳定，IMEP循环变动率越大。

图5所示为利用BOOST软件通过构建474Q汽油机模型，并在模型充分验证的基础上，数值模拟获得的低负荷各转速工况下，不同进气相位提前角度时的进气流量变化曲线。由图可知，低负荷工况474Q汽油机在进气门开启时刻存在明显的进气倒流现象。这主要是由于低负荷下进气道内压力过低所致。随着进气相位提前，倒流现象更加严重。排气倒流会使缸内残余废气增加，燃烧速率减慢，循环变动增大。可见低负荷工况应通过延迟进气相位，抑制进气门开启时刻排气向进气道的倒流，从而达到降低缸内残余废气，改善燃烧稳定性的目的。

试验与数值模拟结果表明，低负荷工况下，通过延迟进气相位可有效控制缸内残余废气量，从而提高发动机的燃烧稳定性。

2.2中等负荷工况分析

图2显示了中等负荷工况下，474Q汽油机的BSFC随进气相位参数变化的特性，对应的发动机输出转矩均为50N·m。由图可知，在中等负荷工况下，随着进气相位提前，474Q汽油机的BSFC有降低趋势。当进气相位提前48°时，各转速下的油耗均降至最低点，但降低幅度较小，一般在2%以内。

燃油消耗率的降低主要是由于发动机泵气损失减小所致。由图6a可知，当进气相位提前48。时，474Q汽油机的泵气损失下降明显。如在转速1600 r/min时，其泵气损失从39kPa降至3l kPa，降幅达20%。这主要是由于当进气相位大幅提前时，会使充气效率下降，进气量减少，此时为保持发动机输出转矩不变，需增大节气门开度，从而使进气压力提高，泵气损失减小。值得注意的是，图2a和b中，随着进气相位提前，BSFC有一个先升高的过程。这是由于中低转速下气流惯性较弱，进气门关闭时刻存在进气倒流现象。随着进气相位提前，进气晚关角减小，使进气倒流减少，进气量增多，为保持转矩不变，需减小节气门开度，进而导致泵气损失增大，热效率降低。图6a中泵气损失的变化趋势充分说明了这一点，明显可见在转速1600r/min和2800r/min时，泵气损失的变化与BSFC变化趋势相一致。此外，进气相位提前也会使发动机有效压缩比增大。泵气损失的降低和有效压缩比的增大都将使发动机热效率提高。

燃烧稳定性的提高有利于发动机油耗的降低。图6b显示，随着进气相位提前，474Q汽油机的IMEP循环变动率都处于较低水平，其最大值不超过2%，大部分位于1.2%以下。这主要是由于发动机负荷增大后，残余废气降低，同时在中等负荷时，474Q汽油机的最佳点火提前角随进气相位提前而增大，如表l所示。点火时刻的提前，抵消了由于进气相位提前而造成的缸内残余废气增多使燃烧速率减慢的不利影响。由图6c可知，随着进气相位提前，各转速工况下CA50燃烧点对应曲轴转角并未发生明显变化，基本都处于8°～9°（CA）之间，从而保持了较好的燃烧稳定性。

试验结果表明，在中等负荷工况下，通过提前进气相位及增大点火提前角，可有效降低发动机的泵气损失并提高其燃烧稳定性，从而提高发动机的热效率。

2.3高负荷工况分析

图3显示了高负荷工况下，474Q汽油机的BSFC随进气相位参数变化的特性，图中在转速1600 r/min时，发动机输出转矩为80 N·m，其余转速则为100N·m。由图可知，中低转速工况下，随着进气相位提前，474Q汽油机的BSFC呈上升趋势，而在高转速下则呈下降趋势。在转速2800r/min，进气相位提前48°时，其BSFC从246g/（kW.h）增加到263g（kW·h），增幅超过6%，而在5 200 r/rain时，随着进气相位提前，其油耗降低2%～4%。

中低转速下其BSFC随进气相位提前而升高，主要与燃烧循环变动增大及点火角推迟有关。图7a中，当进气相位提前48。时，IMEP循环变动率在中低转速时明显升高，而在高转速时并无明显变化。从表1中可以看出，高负荷低转速时，点火角度随进气相位提前有减小趋势。这主要是由于进气相位提前后，缸内残余废气增多及发动机有效压缩比增大，为避免爆震，需适当推迟点火时刻。图7b为数值模拟获得的高负荷工况下缸内残余废气系数的变化。可以看出，低转速工况下缸内残余废气系数随进气相位的提前上升更快。点火时刻的推迟及残余废气的增多导致低转速下CA50燃烧点明显推迟，如图7c所示。当进气相位提前48°时，转速1600 r/min和2800 r/min工况下对应的CA50燃烧点落后接近10°（CA），从而使其IMEP循环变动率增大，BSFC升高。

而在高转速下，随着进气相位提前，最佳点火提前角增大，同时由于缸内残余废气较低，其CA50对应的曲轴转角并未明显推迟，在5200 r/min时甚至有轻微提前，所以其IMEP循环变动率较低。图7d为泵气损失的变化，由图可知，高转速时，随着进气相位提前，泵气损失下降明显。在转速5200 r/min，进气相位提前48°时，其泵气损失从90kPa降至68kPa，下降22kPa。可见点火提前角的增大和泵气损失的降低以及良好的燃烧稳定性，是保证高负荷高转速时BSFC随进气相位提前而降低的重要原因。

3.结论

低负荷工况，随着进气相位提前，缸内残余废气增多，燃烧速率减慢，燃烧稳定性变差。尤其是在中低转速，当进气相位提前过大时，CA50燃烧点明显推迟，IMEP循环变动率和BSFC均增加，其BSFC最高增幅达15%。

中等负荷工况，随着进气相位提前，通过增大点火提前角，其CA50燃烧点对应的曲轴转角基本处于8°～9°（CA）之间，且IMEP循环变动率低于2%。同时，由于泵气损失降低，其BSFC呈下降趋势，但降幅较小，一般在2%以内。

高负荷低转速下，随着进气相位提前，为限制爆震，点火时刻被适当推迟，同时由于缸内残余废气增多，其CA50燃烧点明显落后，IMEP循环变动率升高，BSFC增加，最高增幅达6%。而在高转速下，随着进气相位提前，缸内残余废气量和IMEP循环变动率都较低，通过适当增大点火提前角，可使燃烧速率加快，油耗降低2%～4%。