改善機(jī)械增壓2.4L直噴汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性及低速扭矩

【美】 A.Birckett N.Engineer P.Arlauskas M.Shirley P.Neuman

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試驗(yàn)研究

改善機(jī)械增壓2.4L直噴汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性及低速扭矩

【美】 A.Birckett N.Engineer P.Arlauskas M.Shirley P.Neuman

對(duì)1臺(tái)具有進(jìn)氣門晚關(guān)米勒循環(huán)和高幾何壓縮比的機(jī)械增壓2.4L直列4缸直噴汽油機(jī)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)及測(cè)試，通過(guò)改動(dòng)齒輪傳動(dòng)比降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。選擇1臺(tái)3.3L自然吸氣V6發(fā)動(dòng)機(jī)作為參比機(jī)型。該機(jī)械增壓直噴汽油機(jī)的目標(biāo)用途是中型客車或中小型貨車。采用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件GT-Power進(jìn)行部件選取和進(jìn)氣道開(kāi)發(fā)。利用動(dòng)力總成仿真模型證實(shí)，相比V6參比機(jī)型，直列4缸機(jī)械增壓汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性及性能都得到提高。機(jī)械增壓器集成電磁離合器、中冷器及進(jìn)氣歧管。通過(guò)改進(jìn)內(nèi)部電路，將大量新軟件集中于量產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元中。容積效率采用發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)圖譜技術(shù)和軟件進(jìn)行標(biāo)定。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，將原始輸出編輯為點(diǎn)-斜線格式。全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)為最有用的標(biāo)定區(qū)生成模型。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果表明，在模擬的聯(lián)邦試驗(yàn)規(guī)范行駛循環(huán)下，有望大幅改善燃油經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)階段正在進(jìn)行增壓器離合器控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)及車載測(cè)試。

機(jī)械增壓 直噴汽油機(jī) 模型 標(biāo)定

0 前言

降低燃油耗和排放，同時(shí)滿足用戶對(duì)車輛性能和噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)的要求是巨大的工程挑戰(zhàn)。按照目前的趨勢(shì)，車輛平均尺寸和質(zhì)量都在不斷增加，這為動(dòng)力系統(tǒng)工程師帶來(lái)更多挑戰(zhàn)。短期內(nèi)必須有先進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)，以保持并吸引越來(lái)越多的汽車消費(fèi)者群體。增壓技術(shù)和米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在改善燃油經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)效率和輸出功率等方面顯示出眾多優(yōu)越性[1-3]。

本文所述發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及原型機(jī)制造由現(xiàn)代-起亞美國(guó)技術(shù)中心動(dòng)力總成部發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)完成。一系列得到驗(yàn)證的實(shí)用化技術(shù)已被用于新發(fā)動(dòng)機(jī)，與同類的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)相比，新機(jī)型不僅有較低的燃油耗，而且有較好的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，特別在低轉(zhuǎn)速區(qū)域具有大扭矩輸出，以及較快的瞬態(tài)響應(yīng)。本文描述機(jī)械增壓直噴汽油機(jī)從概念設(shè)計(jì)到初始測(cè)功機(jī)試驗(yàn)，以及獲得試驗(yàn)結(jié)果的工程進(jìn)展。圖1為新機(jī)械增壓2.4L直噴汽油機(jī)的外觀。

圖1 機(jī)械增壓2.4L直噴汽油機(jī)(不帶離合器)

1 仿真

采用Gamma技術(shù)公司的一維GT-Power及GT-Drive軟件分別進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的仿真[4]。以1臺(tái)2.4L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)為原型機(jī)，其主要特征包括壁面導(dǎo)向缸內(nèi)直接噴射、持續(xù)雙可變氣門正時(shí)，以及快速起燃的緊耦合催化轉(zhuǎn)化器。GT-Power發(fā)動(dòng)機(jī)模型用試驗(yàn)室測(cè)量標(biāo)定，包括采用可測(cè)量缸內(nèi)壓力的Kistler 6041B壓力傳感器、AVL 735S/753C燃油質(zhì)量流量計(jì)、溫度調(diào)節(jié)裝置、Horiba MEXA-7500 HEGR排放和空燃比分析儀，以及其他靜壓和熱電偶測(cè)量設(shè)備。

以1臺(tái)3.3L V6發(fā)動(dòng)機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃油經(jīng)濟(jì)性的參比機(jī)型。圖2示出了2.4L機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)、原型2.4L直列4缸直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，以及3.3L V6參比發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩水平。這臺(tái)機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的最初設(shè)計(jì)意圖是與V6發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在不犧牲車輛性能的前提下改善燃油經(jīng)濟(jì)性。其優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)匹配變速器，而不是通過(guò)降低功率來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以獲得良好的低速行駛性能和快速響應(yīng)。對(duì)于柴油機(jī)而言，可通過(guò)機(jī)械增壓和變速器降速來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使燃油耗降低25%～50%[5]。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩對(duì)比

2 建模

首先，增加1臺(tái)機(jī)械驅(qū)動(dòng)羅茨式增壓器，并修正發(fā)動(dòng)機(jī)模型。選擇1臺(tái)傳動(dòng)比為3.63的Eaton TVS?R900增壓器。該增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速5500r/min時(shí)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)包括一系列特殊部件：機(jī)械增壓器、增壓器驅(qū)動(dòng)離合器總成、集成式水冷中冷器、再循環(huán)旁通閥和節(jié)氣門體法蘭等,這些部件都被布置在1個(gè)緊湊的裝置中(圖3)。該裝置可以安裝在搭載2.4L自然吸氣原型機(jī)的現(xiàn)有車輛上。在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)使增壓器的離合器分離，使發(fā)動(dòng)機(jī)接近零損耗。圖4為2.4L機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的GT-Power模型。

圖3 增壓器和進(jìn)氣系統(tǒng)布置

圖4 2.4L機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的GT-Power模型

其次，仿真一種新型進(jìn)氣凸輪軸。與2.4L原型機(jī)相比，升程降低而持續(xù)期延長(zhǎng)。將進(jìn)氣門關(guān)閉延遲到壓縮行程，降低氣缸內(nèi)未燃混合氣充量,這有利于在部分負(fù)荷工況下運(yùn)行，因?yàn)檫M(jìn)氣可以不節(jié)流，但最大扭矩和功率會(huì)降低。增加1臺(tái)機(jī)械增壓器能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量流率和輸出功率，這通常被稱為“米勒循環(huán)”。圖5對(duì)比了新機(jī)型與原機(jī)型的進(jìn)氣凸輪型線，而排氣凸輪型線不變。

圖5 新機(jī)型與原機(jī)型的進(jìn)氣凸輪型線比較

接著，提出若干高壓縮比方案，最后設(shè)計(jì)并試制了具有更高壓縮比的活塞。建立帶準(zhǔn)預(yù)測(cè)燃燒模型的GT-Power模型，并采用1個(gè)爆燃控制器設(shè)置Wiebe函數(shù)變量?；谵D(zhuǎn)速1500r/min全負(fù)荷時(shí)的爆燃極限，最后選定高壓縮比。因?yàn)閴嚎s壓力和溫度較高，作為折中，提高壓縮比時(shí)，必須推遲節(jié)氣門全開(kāi)的點(diǎn)火定時(shí)。圖6表明，壓縮比從9.0變到12.0時(shí)最高燃燒壓力(溫度)變化不大，但壓縮比為15.0時(shí)，上止點(diǎn)的最高燃燒壓力有明顯變化。50°CA ATDC的第2個(gè)壓力峰值是由很晚的點(diǎn)火定時(shí)造成的，后者是防止末端混合氣爆燃所必需的。爆燃模型大致按1臺(tái)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中的情況進(jìn)行標(biāo)定，并針對(duì)不同壓縮比進(jìn)行GT-Power仿真。

圖6 較高壓縮比對(duì)壓縮壓力及燃燒相位延遲的影響

用主動(dòng)爆燃控制器設(shè)置Wiebe燃燒相位,重新試驗(yàn)仿真模型，并設(shè)計(jì)1個(gè)正交試驗(yàn)，在3種轉(zhuǎn)速下，壓縮比從9.0到15.0(點(diǎn)間隔為0.5)。圖7的數(shù)據(jù)表明,節(jié)氣門全開(kāi)且壓縮比為10.0～10.5時(shí)，燃油耗最低。在發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行工況下，通過(guò)測(cè)試行駛循環(huán)下的燃油經(jīng)濟(jì)性發(fā)現(xiàn)，較高壓縮比能有效降低燃油耗,同時(shí)不會(huì)由于爆燃極限值而影響發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)的節(jié)氣門全開(kāi)性能。最后，選擇壓縮比12.0，因?yàn)檫@是在不影響節(jié)氣門全開(kāi)性能情況下的最高值。在部分負(fù)荷運(yùn)行工況下，壓縮比高于12.0可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，但由于超過(guò)爆燃極限，將限制節(jié)氣門全開(kāi)時(shí)的輸出扭矩。

圖7 全負(fù)荷工況下壓縮比對(duì)燃油耗的影響

最后的發(fā)動(dòng)機(jī)硬件變化是增加1個(gè)低壓冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)。多項(xiàng)研究證明了冷卻EGR系統(tǒng)的好處，而它與應(yīng)用米勒循環(huán)的機(jī)械增壓系統(tǒng)配合良好,因?yàn)檎龎禾荻葘Ⅱ?qū)動(dòng)足夠多的EGR流量從排氣系統(tǒng)后的催化轉(zhuǎn)化器供給增壓器進(jìn)氣[6]。在GT-Power模型中，EGR對(duì)燃燒相位及燃燒持續(xù)期的影響是通過(guò)準(zhǔn)預(yù)測(cè)燃燒模型參數(shù)來(lái)考慮的，而模型參數(shù)的設(shè)定則基于帶外部冷卻EGR的基準(zhǔn)機(jī)型試驗(yàn)。

3 模型分析和燃油經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè)

發(fā)動(dòng)機(jī)模型的燃油耗脈譜圖可作為GT-Drive車輛模型的輸入。此外，為改善發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速扭矩(相比2.4L原型機(jī))及瞬態(tài)增壓響應(yīng)性，添加了1臺(tái)降速變速器,匹配整車質(zhì)量約為1500kg的中型乘用車。2013年下半年啟動(dòng)概念驗(yàn)證車輛構(gòu)建計(jì)劃，目前已完成6檔手動(dòng)變速車輛的建模工作。表1列出了各檔傳動(dòng)比。

表1 原型發(fā)動(dòng)機(jī)與降速增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的變速器傳動(dòng)比

與配裝2.4L自然吸氣汽油機(jī)的原型車相比，車輛仿真結(jié)果證實(shí),降低傳動(dòng)比不會(huì)影響車輛性能。相反，車輛性能與采用3.3L V6參比機(jī)型的車輛相當(dāng)，甚至在有些情況下還更好。圖8為3款發(fā)動(dòng)機(jī)的2項(xiàng)加速指標(biāo): (1) 城市路況下2檔 40～80km/h的加速時(shí)間；(2) 高速路況下6檔80～120km/h的加速時(shí)間。

圖8 車輛加速性能對(duì)比

采用發(fā)動(dòng)機(jī)模型預(yù)測(cè)聯(lián)邦試驗(yàn)規(guī)范(FTP)下城市和高速公路(未經(jīng)調(diào)整)工況的燃油經(jīng)濟(jì)性，并逐項(xiàng)評(píng)估各項(xiàng)技術(shù)。其中，降速變速器的引入對(duì)改善總?cè)加徒?jīng)濟(jì)性貢獻(xiàn)最大。采用機(jī)械增壓器是有可能在低速扭矩和瞬態(tài)響應(yīng)方面顯著改善性能的唯一可行辦法。如不加強(qiáng)低轉(zhuǎn)速扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)性能較差，就無(wú)法為用戶所接受。圖9示出了改善燃油經(jīng)濟(jì)性的步驟。

圖9 FTP城市和高速公路復(fù)合工況的燃油經(jīng)濟(jì)性

4 設(shè)計(jì)

在發(fā)動(dòng)機(jī)仿真的同時(shí)，一旦確定機(jī)械增壓器尺寸和帶輪升速比，就可以開(kāi)始發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)工作。采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行進(jìn)氣歧管的集成設(shè)計(jì)，包括增壓器安裝法蘭、懸置系統(tǒng)、增壓空氣中冷器，以及旁通閥。應(yīng)用鑄造技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使外部總體尺寸更加緊湊。

4.1 系統(tǒng)布置

機(jī)械增壓器的外形不能超出原2.4L發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的外部輪廓，以匹配預(yù)定的試驗(yàn)車輛。機(jī)械增壓器外殼安裝在進(jìn)氣歧管與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體之間的下部。增壓空氣向上流動(dòng)，經(jīng)過(guò)增壓室，再通過(guò)中冷器。而后，進(jìn)氣氣流通過(guò)氣道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，或者部分旁通回流至機(jī)械增壓器進(jìn)氣口。圖10為機(jī)械增壓器總成背視圖;圖11為機(jī)械增壓器總成正視圖。

圖10 機(jī)械增壓器總成背視圖

圖11 機(jī)械增壓器總成正視圖

4.2 機(jī)械增壓器

如上文所述，機(jī)械增壓器為Eaton TVS?系列R900羅茨容積式增壓器,采用第6代標(biāo)準(zhǔn)TVS系列轉(zhuǎn)子組，為扭轉(zhuǎn)160°的4齒設(shè)計(jì)。增壓器進(jìn)氣量為900mL/r。Eaton R系列增壓器更關(guān)注空氣流量,而非容積效率和等熵效率。本次設(shè)計(jì)項(xiàng)目中還包括向機(jī)械增壓器附加1個(gè)離合器，當(dāng)不需要增加進(jìn)氣空氣流時(shí)，能夠完全消除與轉(zhuǎn)子組和齒輪組相關(guān)的摩擦和驅(qū)動(dòng)扭矩。離合器采用+12V的電壓運(yùn)行，為避免不同的轉(zhuǎn)速變化率和扭矩沖擊，也可與脈沖調(diào)制相匹配。通過(guò)嚴(yán)格控制運(yùn)行速度、循環(huán)數(shù)和熱量積聚，耐久性可達(dá)到16萬(wàn)km。

4.3 進(jìn)氣歧管

考慮到機(jī)械增壓器質(zhì)量，進(jìn)氣歧管采用鋁合金砂鑄件。為減輕鑄件質(zhì)量，進(jìn)氣歧管壁厚為3mm。進(jìn)氣歧管中集成1個(gè)裝入中冷器內(nèi)的滑板，分別用法蘭安裝到氣缸蓋和增壓器上,旁通閥也用法蘭安裝。

4.4 增壓空氣中冷器

采用集成的水冷式增壓空氣中冷器減少節(jié)氣門體后的增壓空氣體積，縮短節(jié)氣門響應(yīng)時(shí)間。改進(jìn)空氣中冷器,以適應(yīng)空間環(huán)境。摒棄了傳統(tǒng)的安裝法蘭，進(jìn)氣口和排氣口直徑增加到19mm。核心容積約為1.1L，為兩通道設(shè)計(jì)。進(jìn)氣歧管帶有中冷器檢視孔蓋板，便于安裝和拆卸，采用發(fā)泡密封件阻止氣流圍繞在冷卻器芯周圍。

4.5 旁通閥

再循環(huán)旁通閥是1個(gè)直徑為50mm的蝶形閥。采用可變執(zhí)行器，調(diào)節(jié)范圍在0～90°之間，位置誤差不超過(guò)0.5°。執(zhí)行器響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)50ms。在離合器分離,所有空氣氣流都必須旁通增壓器(因?yàn)樵鰤浩鬓D(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)為無(wú)流動(dòng)狀態(tài))的條件下，大直徑旁通閥能夠?yàn)樵鰤浩魈峁┏渥愕目諝?。最初使用旁通閥是為了EGR系統(tǒng),其控制算法是現(xiàn)成的，具有很好的可靠性，適用于各種用途的控制。旁通閥的安裝位置也很重要，必須防止不必要的冷凝水積聚。

4.6 液體冷卻回路

水冷式中冷器液體冷卻回路包括1個(gè)永磁葉片式冷卻液泵和1臺(tái)安裝在車輛懸置架上的低溫散熱器。采用組合式鋁制冷卻液儲(chǔ)存箱作為回路系統(tǒng)的加注點(diǎn)。冷卻液儲(chǔ)存箱安裝在車輛左前角的前保險(xiǎn)杠后,冷卻液泵直接與冷卻液儲(chǔ)存箱相連,鋁制加注口連接承壓0.1MPa的冷卻液加注蓋。系統(tǒng)的回流點(diǎn)在加注口內(nèi)。1對(duì)冷卻液線路從冷卻液泵出口經(jīng)中冷器后到達(dá)低溫散熱器。冷卻液中水與乙二醇的比例為1∶1。

4.7 皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)

為縮小發(fā)動(dòng)機(jī)的額外軸向長(zhǎng)度，機(jī)械增壓器采用二級(jí)帶傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。為延長(zhǎng)保養(yǎng)周期，采用6峰或6筋剖面的蛇形帶。二級(jí)帶傳動(dòng)的曲軸力矢量與一級(jí)帶傳動(dòng)的相反。作用在1號(hào)曲軸主軸承上的力降低14%。圖12為帶傳動(dòng)系統(tǒng)布置。

圖12 帶傳動(dòng)系統(tǒng)布置和靜態(tài)力矢量

為將上張緊輪懸置架、張緊輪臂和發(fā)動(dòng)機(jī)懸置架安裝在近似理想的位置，設(shè)計(jì)1個(gè)很大的橋式懸置系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)前蓋沒(méi)有這些安裝點(diǎn)。二級(jí)帶傳動(dòng)張緊輪為新設(shè)計(jì)的線性動(dòng)態(tài)張緊輪。外張緊輪可適用不同的張緊力,而不必做太大變動(dòng)。

上線性張緊輪懸置架連接1個(gè)偏心輪，通過(guò)在孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)到末端安裝位置,實(shí)現(xiàn)±6mm的變動(dòng)。偏心輪和帶長(zhǎng)度變化相結(jié)合,能在任意負(fù)荷點(diǎn)獲得要求的張緊力。

5 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

成功完成發(fā)動(dòng)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)和安裝后，機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)被安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上。第1項(xiàng)測(cè)試針對(duì)帶再循環(huán)閥的無(wú)離合器R900增壓器。發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比不變，保持11.3。第2項(xiàng)測(cè)試升級(jí)到帶離合器的R900增壓器，采用壓縮比12.0的活塞和米勒循環(huán)進(jìn)氣凸輪。圖13為增壓器帶離合器的發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試使用研究法辛烷值為91的燃油，其乙醇含量達(dá)10%。

圖13 安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上的發(fā)動(dòng)機(jī)

5.1 試驗(yàn)布置和軟件執(zhí)行

對(duì)1臺(tái)渦輪增壓直噴汽油機(jī)的控制單元進(jìn)行修改，以控制機(jī)械增壓器離合器和再循環(huán)旁通閥。發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元(ECU)控制渦輪廢氣旁通閥，以控制增壓壓力，相比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可通過(guò)再循環(huán)旁通閥更好地控制負(fù)荷水平。

5.2 發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定

利用A&D ORION自動(dòng)繪圖功能進(jìn)行虛擬環(huán)境標(biāo)定和所有基準(zhǔn)值的標(biāo)定。采用基于MatLab模型的正交試驗(yàn)響應(yīng)模型生成凸輪相位、點(diǎn)火定時(shí)旁通閥開(kāi)度設(shè)定，以及EGR率的最佳標(biāo)定。標(biāo)定的主要目標(biāo)是給定負(fù)荷下的燃油耗最小化。同時(shí)還進(jìn)行ETAS“ASCMO”試驗(yàn)設(shè)計(jì)和標(biāo)定生成。標(biāo)定過(guò)程如圖14所示。

圖14 ECU標(biāo)定過(guò)程

標(biāo)定工作完成后進(jìn)行瞬態(tài)增壓響應(yīng)試驗(yàn)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)上模擬0～97km/h車輛加速，還將在測(cè)功機(jī)上進(jìn)行瞬態(tài)行駛循環(huán)FTP試驗(yàn)，以驗(yàn)證標(biāo)定的適應(yīng)性，為車輛試驗(yàn)做準(zhǔn)備。5個(gè)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)的初步測(cè)試結(jié)果與GT-Power軟件的仿真結(jié)果基本一致。5個(gè)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)是具代表性的帶標(biāo)準(zhǔn)非降速變速器的中型客車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷點(diǎn)。試驗(yàn)中，離合器分離，增壓器旁通閥全開(kāi)，壓縮比提高到12.0(原壓縮比為11.3)。米勒循環(huán)進(jìn)氣門晚關(guān)時(shí)，5個(gè)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)的平均燃油耗降低5.4%。燃油經(jīng)濟(jì)性的大部分收益來(lái)自較長(zhǎng)的進(jìn)氣凸輪持續(xù)時(shí)間所降低的泵氣損失。部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)無(wú)需增壓壓力，增壓器離合器對(duì)降低附加損失起重要作用。圖15為離合器分離且旁通閥開(kāi)啟的發(fā)動(dòng)機(jī)與原型機(jī)的燃油耗對(duì)比。

圖15 2.4L機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)(帶米勒凸輪，壓縮比12.0)與2.4L直噴汽油機(jī)(原型)的比較

帶機(jī)械增壓器、無(wú)離合器，以及旁通閥全開(kāi)的發(fā)動(dòng)機(jī)總摩擦損失(包括泵氣損失)與2.4L原型發(fā)動(dòng)機(jī)的大體一致(圖16)。較低的拖動(dòng)摩擦值歸功于進(jìn)氣門晚關(guān)，以及米勒循環(huán)凸輪減少了泵氣損失。

圖16 機(jī)油溫度90℃時(shí)的拖動(dòng)總摩擦

6 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于MatLab軟件，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)標(biāo)定建模工具ETAS “ASCMO”被用于生成全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)(圖17)。該軟件只需較少的數(shù)據(jù)點(diǎn)，就可以生成標(biāo)定用的低誤差模型。試驗(yàn)設(shè)計(jì)只需要2組數(shù)據(jù)，每組250個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，總共不超過(guò)500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。隨機(jī)設(shè)定試驗(yàn)的附加因素，包括不同增壓水平下的進(jìn)排氣凸輪中心線、空燃比和增壓器旁通設(shè)定點(diǎn)， 以改變轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。點(diǎn)火提前角達(dá)到最大扭矩的最小提前角(MBT)或爆燃極限。MBT常見(jiàn)指標(biāo)選擇已燃質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(MFB)50和8°CA ATDC。利用AVL公司的Indiset軟件進(jìn)行燃燒分析。

圖17 標(biāo)定模型生成的運(yùn)行范圍和數(shù)據(jù)點(diǎn)的三維效果圖

發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)繪圖軟件ORION控制試驗(yàn)室環(huán)境，標(biāo)定工具快速分配500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并行控制7個(gè)輸入變量。由熱電偶、壓力傳感器，以及發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃及早燃的Indiset燃燒數(shù)據(jù)和ECU數(shù)據(jù)創(chuàng)建基本試驗(yàn)室條件,其安全性可使發(fā)動(dòng)機(jī)24h無(wú)人運(yùn)行成為可能。

7 建立響應(yīng)模型

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并用標(biāo)定工具中的統(tǒng)計(jì)算法建模,快速識(shí)別并清除異常數(shù)據(jù)。必須注意不能過(guò)度預(yù)測(cè)各模型的響應(yīng)情況。圖18為扭矩和燃油耗數(shù)據(jù)生成的響應(yīng)模型。無(wú)論是扭矩,還是燃油耗，低誤差(RMSE)和R2值接近1在統(tǒng)計(jì)學(xué)上都是理想的。

圖18 用扭矩和燃油耗生成的響應(yīng)模型

8 標(biāo)定生成

從燃油耗和扭矩模型中提取進(jìn)排氣凸輪中心線、增壓器旁通(進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力設(shè)定點(diǎn))，以及點(diǎn)火提前角的標(biāo)定。利用類似于MatLab標(biāo)定生成的標(biāo)定軟件CAGE，盡可能優(yōu)化標(biāo)定，使燃油耗最小化，并獲得最大扭矩。通過(guò)一種“平順”工具進(jìn)一步改進(jìn)標(biāo)定，然后將其直接輸入INCA模型,以評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)。進(jìn)氣凸輪標(biāo)定的實(shí)例如圖19所示。曲面圖穩(wěn)定,以及平滑和精確的標(biāo)定有利于車輛加速過(guò)程中的工況過(guò)渡。

圖19 進(jìn)氣凸輪標(biāo)定實(shí)例

9 結(jié)語(yǔ)

為滿足未來(lái)的排放和燃油耗目標(biāo),必須通過(guò)先進(jìn)的動(dòng)力總成技術(shù)進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)效率。汽油直噴和增壓縮缸強(qiáng)化技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。采用降速變速器和增壓裝置提供額外的低速扭矩，以獲得降速優(yōu)勢(shì)。利用機(jī)械增壓實(shí)現(xiàn)低速扭矩的提升。通過(guò)降速和縮缸強(qiáng)化改善燃油經(jīng)濟(jì)性，本研究在提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率方面具有積極意義。

本文詳細(xì)展示了研究方法，從一維發(fā)動(dòng)機(jī)仿真到設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，直至基于模型的標(biāo)定和優(yōu)化。未來(lái)的研究將利用冷卻外部EGR來(lái)提高效率收益，并拓展該方法。

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