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关于直喷汽油发动机的配气相位控制研究

来源:www.timetimetime.net 时间:2019-10-10 编辑:评论

随着以前广泛而高能的经济发展模式对空气质量的影响越来越大,该国越来越决心降低汽车制造商的平均燃料消耗和污染物排放,同时努力控制环境污染。这迫使汽车制造商在发动机产品开发中应用更多的新技术来减少燃料消耗和废气排放,包括更精确的发动机控制技术。作为新型内燃机的代表,直喷式发动机的开发和应用满足了低油耗和高性能的要求。其中,进排气凸轮轴的气门相位控制可以使进排气凸轮轴在不同工况下最节能,省油或最高功率输出位置更准确地工作,满足不同工况的要求引擎。

1可变气门相位的原理和硬件配置

可变气门正时(VTEC,也称为可变气门正时)要求,随着发动机转速的变化,气门正时可以提前或延迟进气门和排气门的打开和关闭,以调节实际进入发动机的新鲜空气。进气的惯性量和共振效应用于提高充气效率,从而达到提高燃烧效率,减少燃料消耗和排放的目的。

可变气门相位机构通常由发动机电子控制单元ECU,凸轮轴传感器,凸轮轴正时控制电磁阀和执行器组成。

2可变气门正时对发动机性能的影响

2.1可变气相控制策略

可变气门相位控制的目的实际上是通过控制进气门和排气门的打开和关闭正时以及气门重叠角的打开角来控制气缸中的残留排气量,以实现内部EGR(排气)。再循环)。气门重叠角θ的计算公式如下:

θ=(α-β)/2(1)

在公式中,alpha是与0.05 mm升程相对应的排气凸轮轴旋转角,而beta是与0.05 mm升程相对应的进气凸轮轴旋转角。例如,一家合资主厂中的直喷发动机采用图2所示的双后向相位控制。在初始位置,与排气侧关闭至0.05mm气门升程相对应的凸轮轴旋转角为365度。对应于进气侧开口与0.05mm气门升程对应的凸轮轴旋转角为334度。因此,停止位置的气门开度角为θ=(365-334)/2=15.5度。

在低速和怠速时,系统将减小气门正时相位的气门重叠角,从而降低发动机的内部EGR率,改善低速时的扭矩性能,并使发动机的燃烧更加稳定。在中等负载条件下,系统将增加气门正时相位的气门重叠角,以使发动机在经济性最佳的区域内运行。在高速下,气门正时相位的气门重叠角将减小,以增加发动机的最大输出功率。

2.2可变气门分配相位对燃烧稳定性的影响

发动机气缸中的燃烧稳定性通常称为平均值

压力变化系数COV用于评估。

在低速时,进气的流速低,并且流动惯性小。此时,如果进气门过早打开且活塞仍在上游排气中,则缸内压力和缸外压力之间的差很小。新鲜空气很容易从气缸中挤出,这会减少进气量并导致发动机不稳定地工作。通过延迟进气门的打开时间,可以增加进气速度,可以增强进气涡流,可以改善混合气体的均匀性,可以提高燃烧速率,并且可以提高燃烧效率。因此,当发动机转速较低时,应减小气门的重叠角以提高发动机的燃烧稳定性,否则会有熄火的危险。

2.3可变气门相位对排放的影响

发动机高于中等负载状态。随着气门重叠角的增加,由可变进气门正时技术(VVT)和排气VVT改变引起的THC排放基本上呈现出增加的趋势。当气门重叠角为-20°时,THC排放量基本上为1.4×10-8;在20°时,基本上约为2.2×10-8。研究表明,发动机处于中低速和低负荷状态,并且随着气门重叠角的增加,THC排放趋于降低。当进气压力由于歧管压力而为负时,气缸中的残留气体沿活塞的向上方向被压入进气歧管,并且残留排气参与下一个循环的燃烧,从而降低了THC发射。

NOx(IVC,进气VVT的变化,进气VVT的调整)和NOx(EVC,排气VVT的变化)随着气门重叠角的增加呈下降趋势,NOx(IVC)缓慢下降,NOx(EVC))下降速度更快。这是因为,一方面,由于气门重叠角的增大,扫气效果提高,气缸内的温度降低,这不利于NOx的产生;另一方面,随着排气门的关闭,新鲜空气被惰性气体稀释,从而增加了较大的稀释效果,从而减少了NOx的产生量。

3发动机售后失速分析

3.1熄火问题的描述

尽管可变气门相位可带来减少燃油消耗和废气排放的好处,但在实际应用中,有必要在极端条件下注意控制策略,以避免由于进气和排气重叠角过大以及气门开度过大而导致发动机率。燃烧性能不稳定,发动机熄火。例如,该发动机在合资品牌OEM的直喷汽油发动机的模型上失速。售后案例:在寒冷的冬季环境中冷启动后,车辆将以3%5%的非常小的油门启动。但是,大约30秒钟后,发动机熄火。

3.2原因调查与分析

在综合分析可能导致发动机熄火的各种因素之后,将故障的根本原因锁定在低温下,发动机的燃烧稳定性较差,其原理如2.2中所述。

发动机燃烧稳定性差的原因是: 1)低温小时,排气相的初始开启速度过快。当发动机水温低于20°C且机油温度低于0°C时,排气相的初始开启速度为0.35 rad/s,导致燃烧不稳定并增加发动机熄火的风险。 2)当温度低且负载小的时候,排气相的开度角太大。当发动机水温低于20°C且机油温度低于0°C时,排气相开度角大于25°,内部EGR率过大,导致燃烧不稳定并增加发动机熄火风险。 3)当发动机处于冷态且排气阶段打开时,点火角控制太小,导致燃烧不稳定并增加发动机熄火的风险。

3.3气相控制改进措施

为了提高发动机的低温燃烧稳定性并消除发动机的隐患,出于上述原因,改进了发动机气门相位控制。将机油温度的进气和排气阶段的初始开度降低到-4°C以下;将水温的排气相开口角减小到20°C以下;当排气阶段打开时,优化点火角度校准控制。通过过冷试验和黑河冬季试验,证明了改进的控制方案可以解决发动机熄火的问题,在常温条件下不会影响发动机的排放和油耗性能。

4个结论

通过对可变气门相位原理和实际应用案例的分析,得出以下结论:

(1)在发动机怠速和低速范围内,气门正时的控制应基于确保发动机燃烧的稳定性为主要考虑因素,以防止发生熄火危险。

(2)中速分载区是汽车发动机最常用的工况,也是排放控制的关键工况。气门相位的控制目标是在确保达到排放目标的同时实现最佳燃油经济性。

(3)在高速大负载区域,气门相位的控制策略是确保发动机可以输出最大功率和扭矩,以确保发动机的外部特性。

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