關于直噴汽油發動機的配氣相位控制研究論文
隨著前期粗放型高能耗的經濟發展模式對空氣質量影響的日益顯現，國家在下決心治理環境污染的同時，對汽車生產廠家降低平均油耗和污染物排放的要求也不斷提高。這就迫使汽車生產廠家在發動機產品研發方面應用更多可降低油耗和尾氣排放的新型技術，包括更加精確的發動機控制技術。直噴發動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并應用的。其中，進排氣凸輪軸的配氣相位控制可使進排氣凸輪軸在不同工況下更精確地工作在最節能、省油或最高動力輸出的位置，滿足發動機不同工況的要求。
1可變配氣相位的原理和硬件配置
可變配氣相位(VTEC，又稱可變氣門正時)要求配氣相位可隨著發動機轉速的變化提前或推遲進排氣門的開啟和關閉時刻，以調整實際進入發動機內的新鮮空氣的量，利用進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動機電控單元ECU、凸輪軸傳感器、凸輪軸正時控制電磁閥和執行器組成。
2可變配氣相位對發動機性能的影響
2.1可變配氣相位控制策略
可變配氣相位控制的目的實際上是通過控制進排氣門的開關時刻和氣門疊開角的開度，控制缸內的殘余廢氣量，實現內部EGR (廢氣再循環)。氣門疊開角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 升程的進氣側凸輪軸轉角。如某合資主機廠的直噴發動機使用圖2所示的雙退后型相位控制，在初始位置排氣側關閉到0.05mm氣門升程對應的凸輪軸轉角為365°，進氣側開啟到0.05mm氣門升程對應的凸輪軸轉角為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，系統會減小配氣相位的氣門疊開角，從而減少發動機的內部EGR 率，改善低速時的扭矩表現，使發動機的燃燒更穩定。在中等負荷工況下，系統會增加配氣相位的氣門疊開角，使發動機運行在經濟性最佳的區域。在高速工況下，系統會減小配氣相位的氣門疊開角，以提高發動機的最大輸出功率。
2.2可變配氣相位對燃燒穩定性的影響
發動機氣缸內的燃燒穩定狀態通常使用平均指
示壓力變化系數COV 來評價。
在低速工況，進氣氣流流動速度較低，流動慣性小，此時如果進氣門過早開啟，而活塞還處于上行排氣，缸內氣壓與缸外氣壓差別不大，容易發生新鮮空氣被擠出氣缸的現象，使進氣量減少，會導致發動機工作不穩定。而推遲進氣門開啟時刻，可提高進氣速度，加強進氣渦流，使混合氣體獲得更好的均質性，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，發動機轉速較低時，應減小氣門的疊開角，以提高發動機的燃燒穩定性，否則會有熄火的風險。
2.3可變配氣相位對排放的影響
發動機在中等負荷以上工況，隨著氣門重疊角的增大，由進氣可變氣門正時技術(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，發動機在中低速小負荷工況，THC排放隨著氣門重疊角的增大而呈現減小的趨勢。進氣時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氣歧管，殘余廢氣參與下一循環的燃燒，從而降低THC排放。
NOx (IVC，IntakeVVTChange，進氣VVT調整)與NOx (EVC，Exhaust VVT Change，排氣VVT調整)隨著氣門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 的產生;另一方面隨著排氣門關閉的滯后，通過惰性氣體稀釋新鮮空氣以增大稀釋效應，從而降低NOx 的產生量。
3發動機售后熄火問題分析
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，但在實際應用中需注意在極端工況下的控制策略，避免因進排氣疊開角過大和氣門開啟速率過快導致發動機燃燒性能不穩定而發生發動機熄火隱患。如裝配某合資品牌主機廠的直噴汽油發動機的車型上發生的發動機熄火售后案例:車輛冬天在北方寒冷的環境下冷起動后，很快以3%~5%的.極小油門使車輛起步，但在持續30s左右后，出現發動機熄火故障。
3.2原因調查及分析
經過綜合分析各項可能導致發動機熄火的因素，將故障的根本原因鎖定為低溫時發動機的燃燒穩定性差，原理如2.2所述。
造成發動機低溫燃燒穩定性差的原因為:1)低溫小負荷時，排氣相位初始開啟速度過快。在發動機水溫低于20℃、機油溫度低于0 ℃時，排氣相位初始開啟速度為0.35rad/s，導致燃燒不穩定，增大發動機熄火風險。2)低溫小負荷時，排氣相位開啟角度過大。在發動機水溫低于20℃、機油溫度低于0℃時，排氣相位開啟角度大于25°，內部EGR率過大，導致燃燒不穩定，增大發動機熄火風險。3)發動機在冷機狀態，排氣相位開啟時，點火角控制過小，導致燃燒不穩定，增大發動機熄火風險。
3.3配氣相位控制改進措施
為了改善發動機的低溫燃燒穩定性，消除發動機熄火隱患，針對上述產生原因，對發動機配氣相位控制進行改進。降低機油溫度-4 ℃以下區域進氣和排氣相位的初始開啟速率;減小水溫20℃以下區域排氣相位開啟角度;優化排氣相位開啟時的點火角標定控制。通過過冷倉測試和黑河冬季測試，證明改進后的控制方案可解決發動機熄火的問題，并且不會影響常溫工況下發動機的排放和油耗性能。
4結論
該文通過對可變配氣相位原理和實際應用案例的分析，得出以下結論:
(1)發動機怠速和低轉速區域，配氣相位的控制應以保證發動機燃燒穩定性為首要考量指標，防止熄火風險的發生。
(2)中等轉速部分負荷區域是車用發動機最常使用的工況，也是排放控制的重點工況。其配氣相位的控制目標是在保證滿足排放指標的前提下獲得最優的燃油經濟性。
(3)高轉速大負荷區域，配氣相位的控制策略是保證發動機可以輸出最大的功率和扭矩，確保發動機的外特性。
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