某發(fā)動機增壓器匹配和配氣系統(tǒng)優(yōu)化

賀文江，吳小飛，羅宏博

(1.隴東學院機械工程學院,甘肅慶陽745000；2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海浦東201201)

某發(fā)動機增壓器匹配和配氣系統(tǒng)優(yōu)化

賀文江1，吳小飛2，羅宏博1

(1.隴東學院機械工程學院,甘肅慶陽745000；2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海浦東201201)

當下，隨著日益嚴格的油耗法規(guī)實施，越來越多的發(fā)動機采用渦輪增壓、VVT、VVL技術(shù)。使用AVL boost軟件，建立某增壓汽油機熱力學分析模型。進行以下分析：根據(jù)不同性能目標，選取不同增壓器進行匹配計算；分析不同轉(zhuǎn)速下進排氣VVT相位移動對于發(fā)動機性能的影響；同時通過分別使用傳統(tǒng)高升程進氣型線和低升程進氣VVL型線，分析進氣型線改變對低速部分負荷油耗，泵氣損失功以及缸內(nèi)殘余廢氣量的影響。結(jié)果表明：采用小的渦輪機和壓氣機，合理設(shè)置進排氣VVT重疊角度，可有效提高中低速全負荷扭矩；在發(fā)動機低速小負荷區(qū)域，采用進氣VVL技術(shù)，可以使低速小負荷油耗顯著降低，同時可以降低發(fā)動機進氣凸輪軸的摩擦功。

增壓汽油機；增壓器匹配；正時優(yōu)化；進氣VVL

隨著國家對汽車燃油消耗限值和排放法規(guī)的升級，汽油機逐步向小排量、小型化和增壓方向發(fā)展[1]，以降低發(fā)動機燃油消耗。發(fā)動機在開發(fā)初期，供應商會提供不同類型的增壓器進行選擇、匹配。根據(jù)發(fā)動機性能目標，通過計算壓氣機和渦輪機的實際運行工況，可以在開發(fā)早期提出符合性能要求的增壓器組合，減少后期試驗開發(fā)中的工作量。同時在匹配增壓器的過程中，需要關(guān)注增壓器以及進排氣VVT相位移動對于低速全負荷性能影響[2]。

使用AVL boost分析軟件，對某排量發(fā)動機建立一維熱力學性能計算模型，并根據(jù)供應商提供的增壓器MAP數(shù)據(jù)，結(jié)合發(fā)動機開發(fā)目標，分析不同增壓器以及VVT移動對性能的影響。計算結(jié)果表明，采用小渦輪機和壓氣機有利于低速性能目標實現(xiàn)，同時配合進排氣雙VVT的移動，可以使低速區(qū)域容積效率增大，進而提高發(fā)動機低速扭矩。

同時根據(jù)發(fā)動機在整車NEDC循環(huán)工況油耗表現(xiàn)，降低發(fā)動機在低速中小負荷油耗，對提高整車燃油經(jīng)濟性有重要影響[3]。汽油機在部分負荷工作過程中，由于節(jié)氣門開度很小，對進氣過程有較強阻礙。增大部分負荷節(jié)氣門開度，通過降低汽油機在進排氣換氣過程中的泵氣損失功(PMEP)，可有效降低汽油機部分負荷油耗。

同時采用可變進氣門升程技術(shù)(VVL)，在發(fā)動機低速小負荷時，采用小升程的進氣凸輪軸，在高速大負荷時，采用傳統(tǒng)高升程進氣凸輪軸[4]。通過使用進氣VVL技術(shù)，可以降低部分負荷工況下的泵氣損失功，降低燃油消耗，同時兼顧發(fā)動機在中高轉(zhuǎn)速的扭矩輸出要求[5]。

1 發(fā)動機一維熱力學計算分析模型建立

1.1 熱力學分析模型說明

下圖給出了某小排量直列3缸1.0L增壓汽油機boost的計算分析模型：

圖1 增壓發(fā)動機boost計算分析模型

如上圖1所示：該計算模型中主要包括增壓器、中冷器模型，計算中渦輪機簡單模型計算并采用廢氣旁通模式(waste gate calculation)，中冷器控制出口溫度不超過目標限值。該發(fā)動機模型主要輸入?yún)?shù)如下所示。

圖2給出了增壓器匹配計算中采用的進排氣門升程曲線，該發(fā)動機在設(shè)計中采用進排氣雙VVT結(jié)構(gòu)。

圖2 進排氣門升程曲線

該發(fā)動機進氣門最大升程為10mm，排氣門最大升程為8mm，初始位置時進氣門最大升程對應的曲軸轉(zhuǎn)角為486deg，排氣門最大升程對應的曲軸轉(zhuǎn)角為234deg，在計算分析中均按照該初始相位優(yōu)化進排氣VVT角度。

1.2 燃燒參數(shù)設(shè)置

熱力學性能模擬計算中，采用韋伯函數(shù)(Vibe function)模擬缸內(nèi)實際燃燒過程[2]。模擬分析中采用相近排量的增壓發(fā)動機實測燃燒數(shù)據(jù)。以下公式給出了AVL boost中采用的燃燒參數(shù)的計算方法。在匹配過程中，需要將試驗中測試的燃燒數(shù)據(jù)(CA10,CA50,CA90)參數(shù)通過圖3所示公式，計算出boost需要輸入的參數(shù)。

圖3 boost中燃燒參數(shù)計算方法[6]

圖4 模擬計算中燃燒參數(shù)設(shè)置

圖4給出了在模擬計算中采用的外特性基本燃燒數(shù)據(jù)，可以看出增壓汽油機在實際工作中，在低速大負荷區(qū)域(1400～2000rpm)由于存在爆震，從燃燒數(shù)據(jù)上看出：CA50角度有較大推遲，缸壓計算結(jié)果會出現(xiàn)兩個峰值，分別是壓縮上止點壓縮壓力和峰值燃燒壓力。

表1 部分負荷計算燃燒和空燃比設(shè)置

表1顯示發(fā)動機在2000rpm和2400rpm兩個低速小負荷工況下的燃燒和空燃比數(shù)據(jù)[7]。在計算不同進排氣VVT組合時，不考慮VVT相位變化對燃燒的參數(shù)的影響。

1.3 進氣VVL曲線

圖5給出了計算采用的進氣高低兩種升程的氣門曲線，其中進氣門最大升程為10mm，進氣VVL曲線最大升程為4.5mm。

圖5 進氣高升程和VVL曲線對比

如圖5所示：由于低升程的VVL凸輪和高升程凸輪均安裝在一根進氣凸輪軸上，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，低升程的VVL氣門升程曲線必須包羅在大升程氣門曲線內(nèi)部，這樣可以保證在高低升程切換時，避免發(fā)生高低升程凸輪，同時與搖臂接觸所造成的凸輪與搖臂之間產(chǎn)生沖擊和噪音。

表2 進氣門升程曲線參數(shù)

表2給出了進氣高升程和VVL氣門曲線的具體參數(shù)以及進氣基準正時(進氣最大升程位置對應曲軸轉(zhuǎn)角)。根據(jù)表1參數(shù)可知：采用進氣VVL升程曲線后，進氣門最大升程有明顯降低，同時VVL氣門曲線的包角長度也隨之縮短，說明進氣VVL曲線適用于低速小負荷對進氣流量需求較小負荷區(qū)域。同時在發(fā)動機低速小負荷區(qū)域，采用進氣門提早開啟和提早關(guān)閉技術(shù)，可以提高其進氣充量。發(fā)動機扭矩輸出增加需要及時切換到高升程曲線，以保證有足夠的進氣門開啟時間，提高進氣流量。

表2顯示：在同一個進氣凸輪軸上，進氣VVL曲線的包角很短，低升程的進氣VVL曲線基準相位更加提前，同時可以保證在進氣相位最提前時，不會與活塞運動發(fā)生干涉。

在模擬分析中，主要分析采用進氣VVL和傳統(tǒng)高升程型線在2000rpm_BMEP=2bar和2400rpm_BMEP=4bar工況時的油耗影響。分析中，考慮進排氣VVT相位改變對油耗以及泵氣損失PMEP影響。

2 計算分析結(jié)果

2.1 發(fā)動機外特性計算結(jié)果

圖6給出了在全負荷工況下，該增壓發(fā)動機的扭矩計算結(jié)果，在分析中考慮了進排氣VVT相位移動對于1800rpm以下中低轉(zhuǎn)速扭矩影響。根據(jù)計算可知，在中低轉(zhuǎn)速時，進排氣門重疊角度增大，增強了該轉(zhuǎn)速區(qū)域的掃氣作用，有利于低速區(qū)域發(fā)動機的容積效率的提高和活塞溫度的降低，在壓氣機壓比保持不變條件下，使發(fā)動機在中低速區(qū)域(1000rpm～2000rpm)扭矩均得到提高，平均提高4Nm，在1400rpm～1500rpm區(qū)域，最大可提高10Nm。

圖6 發(fā)動機全負荷性能計算對比

2.2 進排氣VVT優(yōu)化分析

圖7給出了該發(fā)動機在模擬計算中，對于全負荷低速1500rpm、最大扭矩轉(zhuǎn)速1800rpm以及額定功率5200rpm三個工況下進排氣相位優(yōu)化。計算中保持不同VVT角度下的壓氣機壓比和燃燒參數(shù)不變，只考慮進排氣VVT移動對于容積效率以及性能影響。

如下計算結(jié)果所示，在中低速大負荷條件下，進氣相位提前會使低速扭矩有較大提高，在額定轉(zhuǎn)速5200rpm時，進氣相位則需要一定推遲，以充分利用高轉(zhuǎn)速時進氣流動慣性。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下進排氣VVT相位移動對性能影響

2.3 增壓器匹配分析

圖7和圖8給出了該增壓發(fā)動機在全負荷條件下，在供應商提供的兩種不同型號壓氣機MAP圖上的運行工況點。

圖9 發(fā)動機外特性在B壓氣機MAP圖上運行工況

根據(jù)圖8壓氣機MAP匹配計算結(jié)果可知，該發(fā)動機在全負荷性能上的運行區(qū)域，在最大扭矩轉(zhuǎn)速區(qū)域(1800rpm～4400rpm)都穿過了壓氣機效率較高區(qū)域，有利于壓氣機壓比和壓氣機出口溫度降低。

對于該增壓發(fā)動機全負荷運行工況，A壓氣機具有較大流量區(qū)域，可以提供更好的中高轉(zhuǎn)速和高原性能，B壓氣機的最大流量比A壓氣機略小，從匹配分析結(jié)果看，B壓氣機在發(fā)動機中低速大負荷條件下(1000rpm～1800rpm)，距離喘震線較遠，而A壓氣機在低速大負荷區(qū)域則距離壓氣機喘震線很近，存在喘震風險。結(jié)合發(fā)動機性能目標，選取B壓氣機作為臺架試驗的首選方案，實現(xiàn)該發(fā)動機中低速性能。

2.4 發(fā)動機在2000rpm_BMEP=2bar和2400rpm_BMEP=4bar時的負荷分析

通過使用進氣高升程型線和進氣4.5mm_VVL型線，對2000rpm_BMEP=2bar小負荷小的進排氣VVT進行掃描分析，圖9～圖11以及圖12～圖14分別使用高升程和進氣VVL型線所給出油耗(BSFC)，PMEP以及缸內(nèi)殘余廢氣量影響。

圖10 不同VVT下2000rpm_BMEP=2bar油耗(進氣最大升程10mm)

圖11 不同VVT下2000rpm_BMEP=2bar泵氣損失PMEP(進氣最大升程10mm)

如下圖顯示：2000rpm_BMEP=2bar時，不同進排氣VVT組合下的缸內(nèi)殘余廢氣量范圍為13%～33%，考慮到實際在小負荷下的燃燒穩(wěn)定性以及實際發(fā)動機臺架標定，控制該負荷下的缸內(nèi)殘余廢氣量不能超過20%，如果缸內(nèi)殘余廢氣量超過該限值，會出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定發(fā)動機運行抖動等問題。

圖12 不同VVT下2000rpm_BMEP=2bar缸內(nèi)殘余廢氣量[%](進氣最大升程10mm)

圖13 不同VVT下2000rpm_BMEP=2bar油耗(進氣VVL最大升程4.5mm)

圖15 不同VVT下2000rpm_BMEP=2bar缸內(nèi)殘余廢氣量[%](進氣VVL最大升程4.5mm)

表3給出了分別使用進氣高升程10mm和VVL低升程4.5mm進氣門型線，對2000rpm和2400rpm部分負荷條件下，油耗，泵氣損失以及缸內(nèi)殘余廢氣量的計算結(jié)果，以及進排氣VVT角度選取準則。在部分負荷油耗選點時，需要同時考慮不同VVT角度下的缸內(nèi)殘余廢氣量對PMEP和油耗影響[7]。

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，采用進氣VVL技術(shù)，在相同的發(fā)動機輸出負荷條件下，可以增大節(jié)氣門開度，提高進氣歧管壓力，顯著降低部分負荷工況下的泵氣損失PMEP，從而可以有效降低燃油消耗量BSFC。

在2000rpm_BMEP=2bar負荷下，采用進氣VVL，相比于傳統(tǒng)大升程進氣門升程曲線，可以使該負荷下的油耗降低7.2%；隨著轉(zhuǎn)速和負荷增加，進氣VVL對降低油耗的貢獻量逐步減小。在2400rpm_BMEP=4bar負荷下，采用進氣VVL，相比于傳統(tǒng)大升程進氣門升程曲線，可以使該負荷下的油耗降低3.5%。

表3 進氣VVL部分負荷油耗以及PMEP計算結(jié)果

2.5 進氣VVL對部分負荷缸壓曲線影響

在低速部分負荷工況下，采用進氣VVL技術(shù)，減小了進氣門開啟時間，整個進氣持續(xù)時間縮短。圖16顯示使用VVL和傳統(tǒng)高升程進氣門曲線對2000rpm_BMEP=2bar缸壓曲線影響：

圖16 VVL和高升程進氣門曲線對2000rpm/2bar缸壓曲線影響

圖16顯示，使用進氣VVL曲線后，由于進氣門較早開啟和關(guān)閉，活塞在下行過程時，氣缸內(nèi)不再進氣，而只是發(fā)生缸內(nèi)氣體膨脹以及活塞轉(zhuǎn)過下止點后，對缸內(nèi)氣體的再壓縮，這個過程中，基本不存在泵氣損失。從示功圖中可以看出，采用進氣VVL技術(shù)，可以使低速小負荷工況的泵氣損失功有顯著下降。

通過模擬計算可知，進氣VVL隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷增加，對油耗降低作用逐步減小，下圖給出了在該發(fā)動機上使用小升程進氣VVL的工作區(qū)域：

圖17 進氣VVL工作轉(zhuǎn)速和負荷區(qū)域

根據(jù)分析結(jié)果，在增壓發(fā)動機上使用進氣VVL(最大升程為4.5mm)，其主要的工作在3200rpm以下轉(zhuǎn)速，負荷為BMEP=6.5bar及以下負荷工況點。如果采用更低升程的VVL，則相應的工作負荷和轉(zhuǎn)速區(qū)域會進一步降低。

3 結(jié)果與討論

3.1 進排氣相位優(yōu)化和增壓器選型

進排氣相位優(yōu)化和增壓器選型對于小排量增壓發(fā)動機的計算分析和試驗具有重要指導意義。通過選取增壓發(fā)動機三個代表性工況點進行進排氣VVT優(yōu)化以及增壓器的選型匹配，為后續(xù)發(fā)動機臺架標定試驗提供分析支持。

3.1.1 進排氣VVT相位移動對于增壓發(fā)動機中低速全負荷性能有顯著影響，可以通過進排氣相位調(diào)整在1500rpm、1800rpm工況點提升5～10Nm發(fā)動機扭矩。需要注意由于該發(fā)動機為氣道噴射增壓發(fā)動機，在臺架試驗中需要控制中低速時的掃氣量，避免催化器溫度過高。

3.1.2 在使用簡單模型匹配增壓器時，需要準確計算壓氣機的修正質(zhì)量或者體積流量，同時在不同轉(zhuǎn)速負荷下，需要精確插值壓氣機與渦輪機MAP圖上的效率值，尤其在額定功率點時，壓氣機和渦輪機效率誤差會使壓氣機出口溫度和渦輪機入口壓力變化較大，直接影響壓氣機出口溫度限值以及渦輪機大小的選取。

3.1.3 在中低速全負荷性能計算時，需要監(jiān)控渦輪機入口溫度，在該運行區(qū)域廢氣能量不是很大，排氣溫度是否合理，進而通過控制渦輪機廢氣旁通閥開度及時調(diào)整。

3.2 進氣VVL可有效降低中低速小負荷時發(fā)動機的燃油消耗

在增壓發(fā)動機上，采用進氣VVL技術(shù)對減小發(fā)動機在中低速小負荷燃油消耗量有積極意義。通過分析計算得出了在小負荷工況點，分別采用小升程進氣VVL與傳統(tǒng)大升程進氣型線時的燃油消耗率，對比不同轉(zhuǎn)速符合區(qū)間的燃油消耗率可得出以下結(jié)論：

3.2.1 采用進氣VVL低升程進氣型線后，相比于大升程進氣型線，在低速小負荷時使進氣相位提前，增大進排氣門重疊角度，可以使缸內(nèi)殘余廢氣量保持在較低水平上，保證低速小負荷時的燃燒穩(wěn)定性；而采用傳統(tǒng)大包角和大升程進氣型線，在低速小負荷時則需要控制氣門重疊角度，避免因重疊角度過大，導致缸內(nèi)殘余廢氣量升高而引起燃燒不穩(wěn)定。

3.2.2 使用進氣VVL，使低速小負荷的缸壓曲線比傳統(tǒng)大升程有較大改變，主要由于VVL可使進氣VVT大幅度提前，使節(jié)氣門開度和進氣歧管壓力增大，較大幅度減小泵氣損失(PMEP)功[8]。

3.2.3 采用VVL技術(shù)，根據(jù)小升程氣門高度和包角范圍，VVL可使用的轉(zhuǎn)速和負荷范圍也在變化。VVL的升程和包角越小，其允許使用的轉(zhuǎn)速和負荷區(qū)域越窄，對部分油耗的改善區(qū)域會減小，方案中4.5mm的小升程VVL使用轉(zhuǎn)速區(qū)間為1000～3200rpm，最大負荷限制在BMEP=6.5bar。在相同轉(zhuǎn)速時，隨著BMEP的增大，VVL對油耗改善作用逐漸降低；

3.2.4 此次分析中，沒有考慮進氣門升程降低對凸輪軸驅(qū)動扭矩以及摩擦功的影響。在實際發(fā)動機工作時，采用低升程的進氣VVL，相比于10mm的大升程進氣型線，進氣凸輪軸驅(qū)動扭矩預計降低40%[9]，由于進氣凸輪軸摩擦功的降低，可使小升程進氣VVL進一步改善低速小負荷油耗[10]。

4 結(jié)論

4.1 進排氣VVT優(yōu)化可顯著提高增壓發(fā)動機中低速扭矩

進排氣相位優(yōu)化調(diào)整后，在1500rpm工況點扭矩提升10Nm，在1800rpm工況點扭矩提升5Nm，提升比例達7.1%和3.3%。發(fā)動機中低速扭矩的提高可有效改善匹配車輛的起步加速性能。

4.2 進氣VVL優(yōu)化可有效降低增壓發(fā)動機中低速油耗

進氣VVL技術(shù)應用后，在2400rpm工況點油耗降低10g/kwh，在2000rpm工況點油耗降低27g/kwh，降低比例為3.4%和7.1%。NECD市區(qū)循環(huán)中最大車速50km/h，發(fā)動機處于中低轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)，因此，進氣VVL可有效降低市區(qū)行駛整車油耗。

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【責任編輯 答會明】

Turbocharger Matching and Optimization of Gas Distribution System of a Gasoline Engine

HE Wen-jiang1，WU Xiao-fei2，LUO Hong-bo1

(1.CollegeofMechanicalEngineering,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu; 2.PanAsiaTechnicalAutomotiveCenterCo.Ltd.,PudongNewArea,Pudong201201,Shanghai)

With the implementation of increasingly stringent fuel consumption regulations,more and more engines are applying turbo charger,VVT and VVL technologies. The thermodynamic model is built for small displacement turbocharger gasoline engine using AVL BOOST software. According to the performance target,different types of turbocharger have been matched and intake & exhaust VVT timing are optimized for the engine performance. Influence to the part load fuel consumption,PMEP and residual exhaust gas ratio by using intake VVL (variable valve lift) and conventional high intake valve lift is analyzed. Simulation results show that: small turbine and compressor are useful for the low end torque of WOT condition;the overlap of intake & exhaust valve timing plays important role on the low end torque,and the base valve timing should be properly defined;the fuel consumption in the low speed and low load area has decreased by using intake VVL and optimizing the intake and exhaust VVT phase;furthermore,the friction torque driving the intake cam lobe decreases for the use of intake VVL.

turbocharged gasoline engine;turbocharger matching;valve timing optimize;intake VVL

1674-1730(2017)03-0036-07

2016-06-01

賀文江(1980—),男,甘肅慶陽人,工程師,碩士,主要從事汽車發(fā)動機、新能源汽車研究。

TK412+.2

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