關(guān)于直噴汽油發(fā)動(dòng)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(duì)空氣質(zhì)量影響的日益顯現(xiàn)，國(guó)家在下決心治理環(huán)境污染的同時(shí)，對(duì)汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)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(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家在發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)控制技術(shù)。直噴發(fā)動(dòng)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(dòng)力輸出的位置，滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)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(chēng)可變氣門(mén)正時(shí))要求配氣相位可隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化提前或推遲進(jìn)排氣門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)刻，以調(diào)整實(shí)際進(jìn)入發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)電控單元ECU、凸輪軸傳感器、凸輪軸正時(shí)控制電磁閥和執(zhí)行器組成。
2可變配氣相位對(duì)發(fā)動(dòng)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(shí)際上是通過(guò)控制進(jìn)排氣門(mén)的開(kāi)關(guān)時(shí)刻和氣門(mén)疊開(kāi)角的開(kāi)度，控制缸內(nèi)的殘余廢氣量，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR (廢氣再循環(huán))。氣門(mén)疊開(kāi)角θ 的計(jì)算公式如下:
θ=(α-β)/2 (1)
式中:α 為對(duì)應(yīng)0.05 mm 升程的排氣側(cè)凸輪軸轉(zhuǎn)角;β 為對(duì)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(chǎng)的直噴發(fā)動(dòng)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(mén)升程對(duì)應(yīng)的凸輪軸轉(zhuǎn)角為365°，進(jìn)氣側(cè)開(kāi)啟到0.05mm氣門(mén)升程對(duì)應(yīng)的凸輪軸轉(zhuǎn)角為334°。因此，在停止位置的氣門(mén)疊開(kāi)角θ=(365-334)/2=15.5°。
在低速和怠速工況下，系統(tǒng)會(huì)減小配氣相位的氣門(mén)疊開(kāi)角，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部EGR 率，改善低速時(shí)的扭矩表現(xiàn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒更穩(wěn)定。在中等負(fù)荷工況下，系統(tǒng)會(huì)增加配氣相位的氣門(mén)疊開(kāi)角，使發(fā)動(dòng)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(huì)減小配氣相位的氣門(mén)疊開(kāi)角，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出功率。
2.2可變配氣相位對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響
發(fā)動(dòng)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(lái)評(píng)價(jià)。
在低速工況，進(jìn)氣氣流流動(dòng)速度較低，流動(dòng)慣性小，此時(shí)如果進(jìn)氣門(mén)過(guò)早開(kāi)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(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定。而推遲進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，應(yīng)減小氣門(mén)的疊開(kāi)角，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性，否則會(huì)有熄火的風(fēng)險(xiǎn)。
2.3可變配氣相位對(duì)排放的影響
發(fā)動(dòng)機(jī)在中等負(fù)荷以上工況，隨著氣門(mén)重疊角的增大，由進(jìn)氣可變氣門(mén)正時(shí)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(shì)。當(dāng)氣門(mén)重疊角為-20°時(shí)，THC 排放基本上在1.4×10-8左右;而在20°時(shí)，基本在2.2 ×10-8 左右。有研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)在中低速小負(fù)荷工況，THC排放隨著氣門(mén)重疊角的增大而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。進(jìn)氣時(shí)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(mén)重疊角的增大而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其中NOx (IVC)下降緩慢，NOx (EVC)下降較快。這是因?yàn)橐环矫嬗捎跉忾T(mén)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(mén)關(guān)閉的滯后，通過(guò)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(dòng)機(jī)售后熄火問(wèn)題分析
3.1熄火問(wèn)題描述
可變配氣相位雖然可以帶來(lái)降低油耗和尾氣排放的好處，但在實(shí)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(kāi)角過(guò)大和氣門(mén)開(kāi)啟速率過(guò)快導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能不穩(wěn)定而發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)熄火隱患。如裝配某合資品牌主機(jī)廠(chǎng)的直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)型上發(fā)生的發(fā)動(dòng)機(jī)熄火售后案例:車(chē)輛冬天在北方寒冷的環(huán)境下冷起動(dòng)后，很快以3%~5%的.極小油門(mén)使車(chē)輛起步，但在持續(xù)30s左右后，出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火故障。
3.2原因調(diào)查及分析
經(jīng)過(guò)綜合分析各項(xiàng)可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的因素，將故障的根本原因鎖定為低溫時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性差，原理如2.2所述。
造成發(fā)動(dòng)機(jī)低溫燃燒穩(wěn)定性差的原因?yàn)?1)低溫小負(fù)荷時(shí)，排氣相位初始開(kāi)啟速度過(guò)快。在發(fā)動(dòng)機(jī)水溫低于20℃、機(jī)油溫度低于0 ℃時(shí)，排氣相位初始開(kāi)啟速度為0.35rad/s，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，增大發(fā)動(dòng)機(jī)熄火風(fēng)險(xiǎn)。2)低溫小負(fù)荷時(shí)，排氣相位開(kāi)啟角度過(guò)大。在發(fā)動(dòng)機(jī)水溫低于20℃、機(jī)油溫度低于0℃時(shí)，排氣相位開(kāi)啟角度大于25°，內(nèi)部EGR率過(guò)大，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，增大發(fā)動(dòng)機(jī)熄火風(fēng)險(xiǎn)。3)發(fā)動(dòng)機(jī)在冷機(jī)狀態(tài)，排氣相位開(kāi)啟時(shí)，點(diǎn)火角控制過(guò)小，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，增大發(fā)動(dòng)機(jī)熄火風(fēng)險(xiǎn)。
3.3配氣相位控制改進(jìn)措施
為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫燃燒穩(wěn)定性，消除發(fā)動(dòng)機(jī)熄火隱患，針對(duì)上述產(chǎn)生原因，對(duì)發(fā)動(dòng)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(kāi)啟速率;減小水溫20℃以下區(qū)域排氣相位開(kāi)啟角度;優(yōu)化排氣相位開(kāi)啟時(shí)的點(diǎn)火角標(biāo)定控制。通過(guò)過(guò)冷倉(cāng)測(cè)試和黑河冬季測(cè)試，證明改進(jìn)后的控制方案可解決發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的問(wèn)題，并且不會(huì)影響常溫工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的排放和油耗性能。
4結(jié)論
該文通過(guò)對(duì)可變配氣相位原理和實(shí)際應(yīng)用案例的分析，得出以下結(jié)論:
(1)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性為首要考量指標(biāo)，防止熄火風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。
(2)中等轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷區(qū)域是車(chē)用發(fā)動(dòng)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(mǎn)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(dòng)機(jī)可以輸出最大的功率和扭矩，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性。
【直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位控制研究論文】相關(guān)文章：
淺談基于汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展與排放研究論文05-20
配網(wǎng)設(shè)計(jì)對(duì)工程造價(jià)的控制研究論文11-05
配網(wǎng)設(shè)計(jì)階段工程造價(jià)控制研究論文11-06
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的發(fā)展分析論文05-22
汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)故障檢修說(shuō)課稿11-03
天然氣的高效利用研究論文06-16