谭新曲 陈哲峰
柳州职业技术学院 广西柳州
【摘要】在节能减排的发展背景下，如何提升汽油机的燃烧质量，降低能耗和排放成为汽车制造商关注热点。本文针对车用汽油机可变配气正时的控制进行分析研究，结合其结构和原理特点提出了优化控制策略建议。
【关键词】 可变配气正时；汽油机；配气相位；发动机控制
为顺应国内日趋严格的机动车排放法规的实施要求，应用在车用汽油机上的节能减排技术日新月异。作为一种高性价比的技术手段，可变配气正时装置能对气门开闭时刻进行精准的调整，缓解气缸充气效率与汽油机工况变化之间的矛盾，从而对汽油机扭矩、油耗和排放等指标均有较好的改善作用。
1.可变配气正时技术的原理和实现方式
可变配气正时的英文全称为：Variable Valve Timing，简称“VVT”。
1.1调整的基本原理
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图1 配气相位图 图2 汽油机典型的配气传动方式
汽油机配气相位图如图1所示。气门开启时刻与曲轴转角之间的关系称为“配气相位”。从图1可看出，进气门开启时长（浅蓝色区域）和排气门开启时长（黄色区域）对应的曲轴转角均超过了180°，此设计是为了使得汽油机进气充分，排气彻底。
汽油机典型的配气传动方式如图2所示，曲轴的动力通过正时皮带或链传动到凸轮轴皮带轮/链轮，带动与之刚性连接的凸轮轴旋转，凸轮轴上的凸轮驱动对应的进排气门，实现气门的开启和关闭。
无VVT装置的汽油机，其配气凸轮轮廓、配气相位都是固定不可调整的。这种模式只能保证在某工况（一般为中等负荷状态）下气缸获得较高的充气系数，而不能兼顾在其它工况下的充气效率，导致在大部分工况下，因充气不足导致的发动机功率、排放及经济性指标降低。
VVT技术的基本原理是：在控制元件的作用下，凸轮轴在旋转方向上相对于链轮/皮带轮能顺时针或逆时针方向形成可调整的角度，使得进、排气门的开启时刻发生变化，就实现对气门配气时刻的可变控制。
1.2可变配气正时装置的实现方法
VVT装置是由汽油机的控制单元（ECU）、VVT机油控制电磁阀、集成在凸轮轴皮带轮/链轮内的相位调整器、在气缸盖内的制造出的机油道等组成。如图3所示：
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图3 可变气门正时工作原理示意图 图4 相位调整器提前腔和延迟腔
发动机运行后，皮带轮/链轮与凸轮轴处于同一转速顺时针旋转。来自机油泵的高压机油通过机油道受控的进入相位调整器内部的工作腔。当机油充入提前腔，凸轮轴可相对轮超前（顺时针）转动某一角度；当机油充入延迟腔后，凸轮轴可相对轮盘滞后（逆时针）转动某一角度，如图4所示。在ECU的激励下，VVT机油控制电磁阀选择将机油导入提前腔或延迟腔，在机油不同充注量的作用下，凸轮轴相对于轮盘的角度大小可变，进而实现配气相位连续变化调整。
1.3控制原理：
ECU获取曲轴转速和位置信号（CMP），作为VVT控制的基准信号，并根据发动机负荷、水温、车速等信号进行分析，计算出配气相位角的目标量值。
ECU向VVT电磁阀发送脉宽调制电流（PWM）激励电磁阀动作，使得相位调整器工作腔充油，配气相位角提前或滞后。在对应的凸轮轴末端设置了凸轮轴位置传感器（CKP），CKP信号与CMP信号进行对比，以此来监控调整后的配气相位是否达到目标。
2.连续可变配气正时控制策略
为使配气相位适应汽油机的不同工况，发动机制造商对其汽油机产品要进行台架标定试验，测试在整个负荷包络线内，发动机配气正时与充气效率的函数关系，并建立相应的数学模型。具体实践中，高转速工况可采用“ λ <1 ”的空燃比来保证汽油机动力性能，或采用均值充量压燃（HCCI）燃烧方式来提高内燃机扭矩输出；中低转速负荷则根据实际空燃比需求进行VVT让内燃机获得充足的充气效率，实现动力性能和燃油经济性的平衡。
在调整进气相位的同时，进气侧凸轮轴上的VVT装置可实现膨胀比大于压缩比的米勒循环。具体控制策略是：VVT装置将进气门开闭时刻提前，使得活塞尚未运行到压缩上止点之前，进气门已经关闭，一般对进气相位的关闭调整角度控制在－40°-22°之间，此控制策略应用在小负荷工况下，以牺牲一部分动力来换取节油的效果。
同理，排气侧凸轮轴上的VVT装置可使废气再循环在气缸内实现。在高温且“λ＞1”工况下，极易产生氮氧化物。具体控制策略是：VVT装置将排气门开闭时刻提前，致使部分废气不能及时排出，则气缸内残余废气增多，导致燃烧温度下降，氮氧化物产生量大幅下降。但是为了保证系统稳定，降低不均匀燃烧问题，建议将EGR率控制在30%以内。
在中低转速的负荷工况下，以进气门VVT实现米勒循环、排气门VVT实现EGR与节气门开度共同配合控制，可实现发动机输出扭矩调节。使其获得较好的经济性的和排放效果。考虑到进气门的开启角度限制，建议采用调整节气门开度的策略来改善小扭矩输出特性，确保汽油机获得良好的燃油消耗经济性。
相比于无VVT装置的机型，VVT装置可使汽油机在整个转速范围内，充气效率提升10%以上，燃烧效率更高，在改善动力的前提下，还能进一步降低油耗和排放污染物，使内燃机整体技术指标得到改善和提升。
3.总结分析
本文结合汽油机机运行工况对可变配气正时技术和装置进行了研究，在此基础上提出相应的控制策略，目的为优化汽油机的设计和标定提供科学有效的参考。研究的结论如下：
要使VVT装置在汽油机上发挥最大的效能，首先要对汽油机的运行情况进行分析，进、排气道压力波动、扭矩、燃油消耗率等信息都会影响建模的精准性和可靠性。通过优化参数和算法可大幅度提升控制精度。
其次，可变配气正时技术对汽油机的米勒循环和EGR率有一定影响。经过试验测定，进气门的配气正时调整配合节气门控制策略可加快米勒循环，提高发动机的热效率，进而改善汽油机经济性；
对排气门的配气正时调整可改变气缸内的残存废气比例，从而调整了汽油机的RGR循环率，进而改善汽油机氮氧化物的排放；
再者，不同的负荷情况对汽油机输出特性有一定的影响，如在全负荷工况下，扭矩出现最大值，但进气量、进气道压力会受到影响导致转速提升困难；而中低转速下，则达不到最大扭转。可采用可变进气歧管（PDA）和进气增压技术来进一步改善汽油机特性。
经过以上综合分析可知，采用连续可变正时技术及控制策略可以改善汽油机的动力性能，可与电子节气门配合工作减少泵气体损失，在多种复杂工况下，均能提升汽油机的燃油经济性。策略考虑到汽油的排放性能、燃油经济效益以及汽油机的动力性能，。此外，根据汽油机不同工况下空燃比控制目标，可进行相应的MAP图标定试验方法，对汽油机的最佳点火角、充气率预估以及进、排气温度、压力预估模型进行适当在线调整；研究对比发现，通过调整控制策略后，汽油机动力性和扭矩有所提升，还能降低尾气中氮氧化合物、含硫物排放，降低泵气损失，改善燃油经济性。
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