作者简介：陈苏佑（１９９０—），男，本科；研究方向为发动机性能与排放。Ｅ ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｓｕｙｏｕ＠ｄｆｍｃ ｃｏｍ ｃｎ
双ＶＶＴ对发动机性能与排放影响分析
陈苏佑 王黎明 陈厚谷 陈龙 龙永生
（东风汽车公司技术中心，武汉４３００５８）
摘 要：随着人们对能源与环保意识的提高，发动机连续可变气门正时技术被广泛应用，本文介绍了可变气门正时技术对发动机排放、经济性及动力性的影响。试验表明：优化进排气门正时可有效降低发动机中小负荷燃油经济性，并可降低Ｎ
随着内燃机的进步，汽车行业的迅速崛起，人们的生活发生了翻天覆地的变化。在交通业迅速发展的今天，能源与环境问题成为制约汽车发展的主要因素，尤其空气质量日益严峻的今天节能减排显得尤为重要。
发动机可变气门正时（ＶａｒｉａｂｌｅＶａｌｖｅＴｉｍｉｎｇ，简称ＶＶＴ）技术。不但可以提高发动机的经济性和动力性，还可以进一步降低内燃机许多工况下的排放污染物。随着各国对该技术研究的不断深入，已经成为开发新型发动机中一项不可或缺的关键技术。可变气门正时主要通过电子控制，根据发动机不同工况点，改变进排气门关闭和开启的时刻，通过改变气门重叠角，使进入的空气量达到最佳并提高燃烧效率，从而提高发动机的功率，并改善经济性和
排放，整体提高发动机综合性能［１］
。
本文研究了进排气可变气门正时对经济性、排放以及动力性的影响，出发动机性能、排放随进排气相位变化的规律。
１ 试验研究与发动机参数
某汽油机双ＶＶＴ标定优化过程中，选取２３００ｒｐｍ３０Ｎｍ、３２００ｒｐｍ５０Ｎｍ以及
３８００ｒｐｍＷＯＴ工况点进行燃油消耗率、ＮＯｘ、ＨＣ排放随进排气ＶＶＴ角度变化的影响分析。表１为测试发动机的基本参数。
表１ 试验发动机基本参数参数指标
型式直列四缸、四冲程自然吸气、进气歧管电喷缸径／冲程
７４ｍｍ９０ ４ｍｍ
排量１ ５５６Ｌ压缩比１０ ３：１
配气系统双顶置凸轮轴、双ＶＶＴ
额定功率／转速Ｋｗ／（ｒ／ｍｉｎ）８５／６０００最大扭矩／转速Ｎｍ／（ｒ／ｍｉｎ）
哈尔滨汽车音响１４５／４２０
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国产第一好看suv２ 结果分析
２ １ 双ＶＶＴ气门正时对经济性的影响分析２ １ １ 可变进气门正时对燃油消耗率的影响分析
图２为定排气ＶＶＴ角度，在不同的工况点下，燃油消耗率随进气ＶＶＴ角度增加的变化情况。图３为燃油消耗率相对于ＶＶＴ
不做动时的降低率。
图２中可以看出，随着进气ＶＶＴ角度的增大，燃油消耗呈逐渐减小的趋势。图３中在２３００ｒｐｍ３０Ｎｍ低负荷工况点，随着进气ＶＶＴ角度的增大，燃油消耗率降低１ ５９％到６ １６％；在３２００ｒｐｍ５０Ｎｍ中负荷工况点，燃油消耗率降低０ ９２％到４ ８５％。图２ａ中２３００
ｒｐｍ３０Ｎｍ工况点，排气ＶＶＴ角度为－２０°时，燃油消耗率随进气Ｖ
ＶＴ角度的增大先减后增，在进气ＶＶＴ角度为３６°时最小值３３６ ４５ｇ／（ｋＷ·ｈ）。如若继续增大进气ＶＶＴ角度，气门重
叠角增大，此时Ｃ
ＯＶ急速增加，接近０ １２（具体见图４），燃烧稳定性变差，油耗增加，经济性下降，ＮＶＨ变差。出现了油耗
丰田 霸道反升的趋势。
４９６内燃机科技（企业篇）
试验结果表明，在排气ＶＶＴ角度一定时，选择合理的进气门ＶＶＴ角度可有效改善发动机中低负荷经济性能，在中低负荷区域，增加进气ＶＶＴ角度可以使进气门早开，减少泵气损失。
图５所示泵气损失随着进气门ＶＶＴ角度增大而逐渐变小。在部分负荷，进气过程中，进气压力低，缸内负压大，活塞需要克服较大的阻力来完成进气过程。而随着进气ＶＶＴ角度的增大，进气压力增加，泵气损失减少，油耗降低。
２ １ ２ 可变排气门正时对燃油消耗率的影响分析
图６为定进气ＶＶＴ角度，在不同的工况点下，燃油消耗率随排气ＶＶＴ角度增加的变化情况。图７为燃油消耗率相对于ＶＶＴ
不做动时的降低率。
图６中可以看出，随着排气ＶＶＴ角度的增大，燃油消耗呈逐渐减小的趋势。图７中在２３００ｒｐｍ３０Ｎｍ低负荷工况点，随着排气ＶＶＴ角度的增大，燃油消耗率降低０ ２４％到６ １６％。在３２００ｒｐｍ５０Ｎｍ
中负荷
工况点，燃油消耗率降低１ ６３％到３ ０９％。随着排气ＶＶＴ角度的继续增加，ＣＯＶ突变，急剧增加，燃烧不稳，油耗增加，ＮＶＨ会变差，Ｃ
ＯＶ变化见具体见图８
。图９为不同工况点泵气损失随排气ＶＶＴ
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增大而逐渐变小。由于内部ＥＧＲ填充缸内容积，而不通过降低进气压力提高进气量，可实现泵气损失的降低。试验结果表明，当进气ＶＶＴ角度一定时，选择合理的排气ＶＶＴ角度可有效改善发动机中低负荷下的经济性能，通过推迟排气门迟闭角，利用内部Ｅ
ＧＲ降低泵气损失，提高膨胀比降低油耗。但过大的排气迟闭角使缸内燃烧不稳定，油耗有反增的趋势。
２ １ ３ 双ＶＶＴ气门正时对经济性的综合影响
图１０为双ＶＶＴ的变化对经济性的综合影响。从图中可以得出，在中低负荷区域，随着进排气ＶＶＴ角度的增加，燃油消耗率逐渐减小，当进排气ＶＶＴ角度加大到
一定范围，油耗呈增加趋势。
在部分负荷，ＶＶＴ选优主要以经济性为主，以油耗最低为最佳双ＶＶＴ组合点。在２３００ｒｐｍ３０Ｎｍ工况，最佳ＶＶＴ组合为进排气Ｖ
ＶＴ角度为３６°、－２０°；３２００ｒｐｍ５０Ｎｍ工况最佳ＶＶＴ组合为进排气ＶＶＴ角度为４８°、－２０°，且这两个ＶＶＴ组合点ＣＯＶ在３％以内，进气温度Ｔｉｎ小于７０°Ｃ。并同时兼顾到了凸轮轴相位调节器动作的顺畅性，使ＶＶＴ开度保持与周围工况的平滑过渡。
２ ２双ＶＶＴ气门正时对动力性的影响分析
图１１为充气效率随进排气ＶＶＴ角度变化的二维图和三维图。在该工况点，定排气ＶＶＴ开度，在进气ＶＶＴ角度为２４°时有最优充气效率。定进气ＶＶＴ角度，充气效率随排气Ｖ
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角度的增大逐渐减小。在该工况点，主要考虑动力性为主，减小进气ＶＶＴ角度增大进气晚关角，可以
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最大限度减小流动阻力，利用高速气流的惯性，实现向气缸的过后充气，增加缸内充量。在该转速下，如若继续减小进气ＶＶＴ角度增大进气晚关角，上升的活塞将吸入的新鲜空气通过进气门压回的进气歧管中，反而降低缸内充量。所以存在一个最优进气ＶＶＴ角度使充气效率最高。而排气门早关，减少废气倒吸进入气缸中，减少内部ＥＧＲ，增加气缸内新鲜充量的比例，提高动力性。通过双ＶＶＴ的配合使用，可使发动机动力性达到最优。
全负荷工况点双ＶＶＴ选优以扭矩最大，充气效率最高为主。３８００ｒｐｍＷＯＴ工况点的最佳双ＶＶＴ组合角度为２４°、－１０°。同时考虑到了平均指示压力变动系数ＣＯＶ在３％以内并兼顾与周围工况点的ＶＶＴ开度平滑过渡。
２ ３ 双ＶＶＴ气门正时对排放的影响分析由于整车排放耐久试验中ＨＣ、ＮＯｘ容易超标，在此只分析此两项排放。
２ ３ １ 双ＶＶＴ气门正时对ＮＯｘ的影响分析
图１２为在２３００ｍ３０Ｎｍ工况点ＮＯｘ排放同时随进排气ＶＶＴ角度增加的变化情况。
ＮＯｘ生成需要高温富氧，及高温的持续时间。通过进排气ＶＶＴ角度的增加，气门重叠角增加，使发动机排出气体一部分重新进入进气系统，引入不活性气体（主要是二氧化碳）到燃烧室，缸内残余
废气量增加，缸内氧浓度降低，同时二氧化碳的高比热值可以降低缸内的最高燃烧温度。这两方面限制了ＮＯｘ高温富氧的两个生成条件。
理论上小负荷使用较小的内部ＥＧＲ以保证发动机的稳定性、低ＨＣ排放和油耗；中等负荷时，可以使用大的ＥＧＲ，一方面可以降低ＮＯｘ排放，另一方面通过降低泵气损失获得较低的油耗；全负荷时应使用小的ＥＧＲ，保证发动机的动力性。通过双ＶＶＴ的配合使用，控制缸内ＥＧＲ，使ＮＯｘ排放在各个工况下排放达
到最小。
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