增壓GDI發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況掃氣特性及氣門正時(shí)策略優(yōu)化研究

宋義忠，胡 瑋，石 磊，鄧康耀，孫衛(wèi)清，靳 嶸

（1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201；2.上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所（天津），天津 300400）

增壓汽油機(jī)有改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能、降低油耗和控制廢氣排放等方面的優(yōu)勢(shì)［1－3］，是近期研究的熱點(diǎn)。但是，它也存在著最大燃燒壓力過高、加速性能變差和排氣溫度過高等缺點(diǎn)［4－5］，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用?？勺儦忾T相位的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)可通過氣門正時(shí)的控制，實(shí)現(xiàn)掃氣、內(nèi)部EGR和進(jìn)氣門晚關(guān)等［6－7］。利用掃氣可對(duì)燃燒和排溫進(jìn)行控制，提高充氣效率、降低排溫［8－9］，而高負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣門晚關(guān)可減小有效壓縮比、降低缸內(nèi)溫度和傳熱損失，能有效抑制爆震［10－13］。H.Kleeberg等研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于配氣正時(shí)固定的發(fā)動(dòng)機(jī)，在較高的轉(zhuǎn)速下，由于不同的氣體動(dòng)力學(xué)邊界條件，無法形成掃氣正壓，會(huì)導(dǎo)致掃氣逆轉(zhuǎn)，使更多的殘余廢氣截留在氣缸中［14－15］。因此，只有當(dāng)氣門重疊角內(nèi)進(jìn)氣壓力大于排氣壓力時(shí)，才能進(jìn)行掃氣。可見，氣門正時(shí)控制對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能有著重要的影響。因此，對(duì)于可變氣門正時(shí)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)，確定可用掃氣轉(zhuǎn)速區(qū)域、研究氣門正時(shí)優(yōu)化策略，具有十分重要的理論和實(shí)際意義。

本研究基于某1.4L可變氣門正時(shí)增壓直噴汽油機(jī)，通過GT－Power建立仿真模型，分析進(jìn)排氣道壓力波動(dòng)規(guī)律，確定可用掃氣轉(zhuǎn)速區(qū)域。針對(duì)全負(fù)荷7個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，研究氣門正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，完成氣門正時(shí)策略的優(yōu)化研究。

1 計(jì)算模型與校核

本研究以某1.4L可變氣門正時(shí)增壓直噴汽油機(jī)為研究對(duì)象，開展掃氣特性及氣門正時(shí)策略的優(yōu)化研究。該發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)部分性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)

基于GT－Power建立計(jì)算仿真模型，該模型由環(huán)境模塊、進(jìn)排氣管模塊、渦輪增壓模塊、中冷器模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)本體模塊組成。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)本體模塊包括曲軸箱、氣缸、進(jìn)排氣門、噴油嘴和進(jìn)排氣歧管。該計(jì)算模型在固定各轉(zhuǎn)速空燃比的情況下進(jìn)行計(jì)算，設(shè)置進(jìn)排氣門正時(shí)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣門正時(shí)的調(diào)整。

為了校核計(jì)算模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率、油耗、壓氣機(jī)后壓力和渦前壓力的仿真數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（見圖1）。

由圖1可知，外特性各轉(zhuǎn)速點(diǎn)參數(shù)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差均在5%范圍內(nèi)，模型精度較高，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)研究。

2 掃氣特性研究

2.1 進(jìn)排氣壓力波動(dòng)規(guī)律分析

選擇最大扭矩工況（1 750r／min）和標(biāo)定功率工況（5 000r／min），分析發(fā)動(dòng)機(jī)第1缸的一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)進(jìn)排氣道壓力波動(dòng)情況（見圖2）。其中，以壓縮上止點(diǎn)為0°。

由圖2可知，最大扭矩工況360°附近存在進(jìn)氣壓力大于排氣壓力的區(qū)域，標(biāo)定功率工況由于空氣流量增大，排氣壓力明顯增加，在進(jìn)排氣沖程之間，排氣壓力均大于進(jìn)氣壓力。此外，兩種工況下，進(jìn)氣壓力均在0.2MPa附近波動(dòng)，最大扭矩工況時(shí)進(jìn)氣壓力波動(dòng)較為明顯。由于發(fā)動(dòng)機(jī)為直列4缸布置，第2，3，4缸的排氣會(huì)對(duì)第1缸的排氣背壓產(chǎn)生影響，因此，一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)出現(xiàn)了4個(gè)較為明顯的峰值，但最大值出現(xiàn)在第1缸的排氣沖程中。

2.2 可用掃氣區(qū)域分析

氣門正時(shí)的控制參數(shù)為排氣門關(guān)閉正時(shí)（θEVC）和進(jìn)氣門開啟正時(shí)（θIVO），均發(fā)生在360°附近。選取全負(fù)荷7個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速點(diǎn)（其工況參數(shù)見表2）分別將θIVO和θEVC固定為350°和370°，即氣門重疊角為20°，分析掃氣系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化（見圖3）。

由圖3可知，固定θIVO和θEVC，氣門重疊角為20°時(shí)，掃氣系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小。當(dāng)掃氣系數(shù)大于1.03時(shí)，掃氣明顯。因此，為了保證良好的掃氣效果，選擇掃氣系數(shù)1.03為掃氣限值，得到可用掃氣轉(zhuǎn)速區(qū)域?yàn)? 000～2 700r／min。氣門正時(shí)固定工況下掃氣系數(shù)的變化主要是進(jìn)排氣道的壓力差導(dǎo)致的。因此，對(duì)上述7個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速點(diǎn)在排氣上止點(diǎn)附近分別開展進(jìn)排氣壓差研究，得到不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)排氣壓差為正值的曲軸轉(zhuǎn)角區(qū)域，結(jié)果見圖4。為表明壓差值正負(fù)，標(biāo)出0值線作為參考。

表2 全負(fù)荷7個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速點(diǎn)的工況參數(shù)

由圖4可知，轉(zhuǎn)速為1 000r／min時(shí)，雖然壓差為正的曲軸轉(zhuǎn)角范圍較大，但壓差值較小。轉(zhuǎn)速為1 750r／min時(shí)，壓差值增加。這是因?yàn)椋阂环矫妫瑥U氣旁通閥在1 750r／min時(shí)打開，導(dǎo)致渦輪效率降低；另一方面，相對(duì)于1 000r／min時(shí)，該工況點(diǎn)壓氣機(jī)的壓比和折合流量向其高效率區(qū)偏移，壓氣機(jī)效率顯著提高。此時(shí)壓氣機(jī)效率提高，進(jìn)排氣壓差增大。隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，壓氣機(jī)效率增幅減小，但廢氣旁通閥開度增大，渦輪效率下降明顯，因此壓差值減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于3 000r／min后，在上止點(diǎn)附近不存在壓差為正的區(qū)域，此時(shí)不能存在氣門重疊角，否則會(huì)出現(xiàn)掃氣倒流現(xiàn)象，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

3 氣門正時(shí)策略優(yōu)化研究

3.1 氣門正時(shí)策略優(yōu)化方法

基于不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)排氣壓力波動(dòng)和可用掃氣區(qū)域研究結(jié)果對(duì)氣門正時(shí)策略進(jìn)行優(yōu)化。選擇最大扭矩和標(biāo)定功率工況進(jìn)行研究。在最大扭矩工況（1 750r／min），306°～394°ATDC范圍內(nèi)，進(jìn)氣壓力高于排氣壓力，因此，可利用氣門重疊角進(jìn)行掃氣。分別在345°～365°ATDC和365°～385°ATDC范圍選擇θIVO和θEVC，開展氣門正時(shí)研究。在標(biāo)定功率工況（5 000r／min），由于超出了可用掃氣轉(zhuǎn)速范圍，無法進(jìn)行掃氣，因此，調(diào)整θIVO和θEVC為370°～390°ATDC和340°～360°ATDC，分析氣門正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。氣門正時(shí)對(duì)掃氣系數(shù)和缸內(nèi)殘余廢氣的影響見圖5。

由圖5可知，在1 750r／min處，氣門重疊角為正值，因此，存在掃氣現(xiàn)象，掃氣系數(shù)均大于1。隨著氣門重疊角增加，掃氣系數(shù)逐漸增大，有利于缸內(nèi)廢氣的排出和氣缸壁冷卻。在5 000r／min處，當(dāng)θEVC在353°ATDC附近時(shí)，殘余廢氣系數(shù)最小，隨著θEVC的提前，殘余廢氣系數(shù)增大，θIVO對(duì)缸內(nèi)殘余廢氣的影響較小。

圖6示出氣門正時(shí)對(duì)每缸每循環(huán)進(jìn)氣量的影響。由圖6可知，1 750r／min處，適當(dāng)增大氣門重疊角進(jìn)行掃氣，有利于提高進(jìn)氣量。相對(duì)于θIVO，θEVC正時(shí)對(duì)進(jìn)氣量的影響較為明顯。這是因?yàn)棣菼VO提前能增大氣門重疊角增大掃氣量，但也損失了進(jìn)氣沖程的進(jìn)氣量。5 000r／min處，當(dāng)θIVO和θEVC從370°ATDC和340°ATDC逐漸延遲時(shí)，進(jìn)氣量增大，當(dāng)θIVO和θEVC分別為384°ATDC和355°ATDC時(shí)，進(jìn)氣量最大。

氣門正時(shí)對(duì)最大燃燒壓力的影響見圖7。由圖7可見，兩種轉(zhuǎn)速下，最大燃燒壓力的變化趨勢(shì)與每缸每循環(huán)進(jìn)氣量基本一致。這是因?yàn)槠蜋C(jī)根據(jù)缸內(nèi)新鮮空氣量，基于固定當(dāng)量比噴油，進(jìn)氣量增多，燃燒加劇，燃燒壓力增加。

圖8示出氣門正時(shí)對(duì)渦前排溫的影響。由圖8可知，1 750r／min處，隨著氣門重疊角的增加，渦前排溫明顯下降。這是因?yàn)樵龃髿忾T重疊角使掃氣更完全，中冷后的新鮮空氣將缸內(nèi)廢氣掃出的同時(shí)也吸收了部分廢氣熱量，導(dǎo)致氣缸和排氣溫度均降低。當(dāng)氣門重疊角由0°變化為40°時(shí)，渦前排溫降低了約106K。5 000r／min處，該工況無法進(jìn)行掃氣，此時(shí)，氣門正時(shí)對(duì)渦前排溫的影響極小。

為了提高缸內(nèi)新鮮空氣質(zhì)量，基于每缸每循環(huán)進(jìn)氣量，并權(quán)衡發(fā)動(dòng)機(jī)其他性能參數(shù)，對(duì)氣門正時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，得到最大扭矩工況的氣門正時(shí)優(yōu)化策略，即最佳θIVO，θEVC正時(shí)分別為354°ATDC和385°ATDC。5 000r／min處，最佳θIVO和θEVC分別為384°ATDC和355°ATDC。

3.2 氣門正時(shí)策略優(yōu)化結(jié)果

在保證缸內(nèi)最大燃燒壓力低于限值的前提下，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量為目標(biāo)，對(duì)全負(fù)荷工況其他5個(gè)穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)的氣門正時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，得到的氣門正時(shí)策略優(yōu)化結(jié)果見圖9。

由圖9可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于2 700r／min時(shí)，氣門重疊角為正，通過掃氣提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，且隨著轉(zhuǎn)速的增大，最佳氣門正時(shí)所形成的氣門重疊角增大，掃氣加劇，可見，低速時(shí)適當(dāng)?shù)膾邭庥欣诎l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的提高。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000r／min左右時(shí)，氣門重疊角變?yōu)樨?fù)，此時(shí)，排氣壓力升高導(dǎo)致進(jìn)排氣壓差為負(fù)，正氣門重疊角會(huì)導(dǎo)致掃氣倒流，因此，采用負(fù)氣門重疊角避免該現(xiàn)象。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步升高，負(fù)氣門重疊角增大，即內(nèi)部EGR增大，有利于限制缸內(nèi)最大燃燒壓力，降低NOx排放。隨著轉(zhuǎn)速的增大，θIVO明顯推后，進(jìn)氣門晚關(guān)有利于減小有效壓縮比，降低缸內(nèi)溫度，起到全負(fù)荷下抑制爆震的作用。

圖10示出氣門正時(shí)優(yōu)化結(jié)果對(duì)比。由圖10可看出，采用氣門正時(shí)優(yōu)化策略后，進(jìn)氣量和功率明顯提高，殘余廢氣系數(shù)顯著降低。在全負(fù)荷6 000r／min處，進(jìn)氣量提高了19%，殘余廢氣系數(shù)降低0.018，功率較原機(jī)提升了21%。此外，壓氣機(jī)后壓力和渦前壓力均有所提高。在最大扭矩工況附近，增壓壓力提高了11.7%，渦前壓力增大19.4%。

4 結(jié)論

a）該GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的可用掃氣轉(zhuǎn)速區(qū)域?yàn)? 000～2 700r／min，此時(shí)，掃氣系數(shù)均大于1.03，廢氣旁通閥打開會(huì)影響渦輪效率，導(dǎo)致進(jìn)排氣正壓差區(qū)域減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于3 000r／min時(shí)，進(jìn)排氣壓差為負(fù)值；

b）在最大扭矩工況，氣門重疊角增大，掃氣系數(shù)增加，渦前排溫明顯降低，適當(dāng)?shù)膾邭庥欣谔岣哌M(jìn)氣量，進(jìn)氣量直接影響缸內(nèi)最大燃燒壓力；標(biāo)定功率工況，θEVC在353°ATDC附近時(shí)，殘余廢氣系數(shù)最?。?/p>

c）氣門正時(shí)優(yōu)化可顯著提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能，全負(fù)荷6 000r／min處，進(jìn)氣量提高了19%，殘余廢氣系數(shù)降低了0.018，功率提升了21%；最大扭矩工況附近，增壓壓力提高了11.7%，渦前壓力增大19.4%。

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