進(jìn)氣道滾流比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)充氣模型精度影響的試驗(yàn)研究

鄭海亮 吳同 張蒙 郝偉

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司 研發(fā)總院，長(zhǎng)春130013）

主題詞：增壓直噴汽油機(jī) 充氣模型精度 進(jìn)氣道 滾流比

0 前言

隨著全球能源需求的日益增長(zhǎng)和環(huán)境的不斷惡化，各國(guó)相繼推出了更嚴(yán)格的乘用車(chē)排放法規(guī)和油耗法規(guī)。汽油缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection,GDI）技術(shù)能夠精確的控制燃油噴射量，從而實(shí)現(xiàn)精確的空燃比控制，燃油經(jīng)濟(jì)性比進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)更好[1,2]，而且能夠減少冷啟動(dòng)排放。高壓縮比、高充氣量燃燒系統(tǒng)能優(yōu)化燃燒過(guò)程，提高動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，也是當(dāng)今汽油機(jī)主流技術(shù)[3]。

滾流是在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程中形成的繞垂直于氣缸軸線有組織的空氣旋流。研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)對(duì)缸內(nèi)氣體滾流強(qiáng)度、氣道流量系數(shù)具有較為顯著的影響[4,5]。滾流比的改變直接影響進(jìn)入氣缸新鮮空氣流量的大小和缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱，從而影響缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)以及燃燒過(guò)程[6-8]。

在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的樣機(jī)缸蓋小批量生產(chǎn)階段，由于工程制造誤差不可避免地引起的進(jìn)氣道尺寸偏差，就會(huì)造成缸蓋滾流的變化。而滾流比偏差會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（Engine Management System,EMS）中的充氣模型產(chǎn)生偏差，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性受到影響。

本文結(jié)合一款增壓直噴直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)裝配不同滾流比的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋，對(duì)比分析發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)充氣量的變化，研究滾流比變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)充氣模型的影響。

1 充氣模型的基本理論

1.1 充氣模型

充量系數(shù)ηV，即充氣效率，是內(nèi)燃機(jī)每循環(huán)實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮充量m1與以進(jìn)氣環(huán)境狀態(tài)充滿氣缸工作容積的理論充量msh之比[9]。如公式1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)中相對(duì)充氣量的概念與充氣效率略有不同，是每循環(huán)實(shí)際條件下進(jìn)入氣缸的新鮮空氣質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下充滿氣缸空氣質(zhì)量的比值。對(duì)于一般自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，此值小于1(即小于100%)，而對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，由于增壓作用，此值會(huì)大于1（即大于100%）。

實(shí)際相對(duì)充氣量(rl)可以由實(shí)測(cè)進(jìn)氣流量計(jì)算得到，如圖1所示。

圖1 相對(duì)充氣量與進(jìn)氣流量的計(jì)算關(guān)系

計(jì)算公式如式(2)所示。

式中，nmot為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，mairflow為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量，Cyl.No為發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)，Vh為發(fā)動(dòng)機(jī)的排量。

Bosch發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的充氣模型是根據(jù)當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣歧管壓力、進(jìn)排氣門(mén)關(guān)閉角度、排氣背壓、進(jìn)氣溫度、排氣溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等參數(shù)，通過(guò)邏輯運(yùn)算得到相對(duì)充氣量。相對(duì)充氣量是點(diǎn)火控制、噴油控制、扭矩需求等關(guān)鍵控制模型的關(guān)鍵參數(shù)，所以相對(duì)充氣量的精確性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性都有重要影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架充氣模型標(biāo)定就是通過(guò)采集發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的壓力溫度參數(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（Electronic Control Unit,ECU）中的充氣模型參數(shù)，再通過(guò)軟件離線優(yōu)化ECU中的控制MAP參數(shù)，使得充氣模型計(jì)算的相對(duì)充氣量與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)相對(duì)充氣量盡可能相近或相等。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際進(jìn)氣流量可以通過(guò)外接質(zhì)量流量計(jì)或者根據(jù)燃油消耗通過(guò)排氣Lambda（過(guò)量空氣系數(shù)）值反算得到。

1.2 充氣模型精度

充氣模型精度的定義為實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)充氣量與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU計(jì)算的相對(duì)充氣量的相對(duì)差值。計(jì)算公式如式（3）所示。

式中Error_rl為充氣模型精度，rlactual為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際相對(duì)充氣量，rlECU為ECU充氣模型計(jì)算的相對(duì)充氣量。

通常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定完成后，充氣模型精度的合格率要達(dá)到95%以上，即萬(wàn)有特性所有工況點(diǎn)中須有95%以上工況點(diǎn)的Error_rl值在±5%范圍以?xún)?nèi)。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

2.1 試驗(yàn)裝置

本文的試驗(yàn)設(shè)備主要包括電力測(cè)功機(jī)、瞬態(tài)油耗儀、排放分析儀、燃燒分析儀、空燃比計(jì)、增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)的電控系統(tǒng)等。試驗(yàn)裝置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗(yàn)過(guò)程中所使用的設(shè)備信息如表1所示。

圖2 試驗(yàn)裝置及系統(tǒng)

表1 試驗(yàn)設(shè)備

本文所涉及的試驗(yàn)采用了一款1.2 L DVVT增壓直噴四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方案

本文所述的試驗(yàn)方案為在同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上更換3種滾流比的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋，并保證發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部件不變。在試驗(yàn)過(guò)程中，ECU標(biāo)定數(shù)據(jù)保持不變。試驗(yàn)工況點(diǎn)設(shè)置如表3所示。

表3 試驗(yàn)工況點(diǎn)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)裝配有3種不同缸蓋的發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)表3所示的發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。

3.1 全負(fù)荷試驗(yàn)對(duì)比

裝配3種不同缸蓋的發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比如圖3-1、圖3-2、圖3-3所示。3組試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、進(jìn)氣歧管壓力、進(jìn)排氣VVT正時(shí)和當(dāng)量比Lambda均保持一致。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著滾流比逐漸增大，發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的全負(fù)荷工況點(diǎn)燃油消耗率逐漸降低。對(duì)于燃料燃燒累計(jì)放熱量50%所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角CA50（即燃燒重心）和燃燒持續(xù)期（這里用CA90～CA10表示），滾流比為2.7和2.9的燃燒過(guò)程比滾流比2.45的燃燒過(guò)程更快，燃燒持續(xù)期更短。為防止爆震損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)ECU控制邏輯會(huì)在檢測(cè)到爆震燃燒時(shí)自動(dòng)推遲點(diǎn)火角，從圖中結(jié)果可知，滾流比2.9工況所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火角比2.7的點(diǎn)火角更遲后，但兩者的CA50相近，所以可以推導(dǎo)得知，滾流比2.9的燃燒相位更加提前。

圖3-1 扭矩、燃油消耗率、進(jìn)氣歧管壓力對(duì)比

圖3-2 MFB50、MFB10～MFB90、點(diǎn)火提前角對(duì)比

圖3-3 進(jìn)、排氣門(mén)正時(shí)、Lambda對(duì)比

由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒重心CA50在8°CA ATDC～10°CA ATDC左右燃燒效率最高，在全負(fù)荷工況，為防止爆燃推遲點(diǎn)火角，在3組試驗(yàn)結(jié)果中，滾流比為2.9的CA50最接近8 °CA ATDC～10 °CA ATDC，所以該組的燃燒效率最高，燃油消耗率最低。

針對(duì)以上不同滾流比發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷的對(duì)比分析，可得出如下結(jié)論：在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況點(diǎn)，滾流比增大會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒相位提前，燃燒持續(xù)期更短。

3.2 滾流比對(duì)充氣模型精度的影響

在本部分中，將3組不同滾流比的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行充氣模型精度的對(duì)比。

3.2.1 全局工況充氣模型精度的對(duì)比

本文所應(yīng)用的ECU標(biāo)定數(shù)據(jù)是基于滾流比為2.7缸蓋發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架標(biāo)定的。

根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，滾流比為2.7的試驗(yàn)結(jié)果中充氣模型精度的合格率為100%，Error_rl值均在±5%以?xún)?nèi)。滾流比為2.9的模型精度的合格率為86.9%，滾流比為2.45的模型精度合格率為92.9%，3組試驗(yàn)的模型精度對(duì)比結(jié)果如表4所示。

從充氣模型精度的萬(wàn)有特性等高線圖中，可以發(fā)現(xiàn)滾流比2.9和2.45的偏差區(qū)域不同；滾流比2.9的偏差工況點(diǎn)主要分布在4 500 r/min轉(zhuǎn)速以下的小負(fù)荷工況區(qū)域，滾流比2.45的偏差工況點(diǎn)主要分布在4 000 r/min轉(zhuǎn)速以上的小負(fù)荷工況區(qū)域，偏差都為正偏差，即發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際相對(duì)充氣量大于模型相對(duì)充氣量，萬(wàn)有特性充氣模型精度試驗(yàn)結(jié)果如圖4-1、4-2、4-3所示。

3.2.2 特定轉(zhuǎn)速相對(duì)充氣量及燃燒狀態(tài)的對(duì)比

為深入分析進(jìn)氣道滾流比變化對(duì)充氣模型偏差的影響原因，從以上萬(wàn)有特性數(shù)據(jù)中挑選3個(gè)充氣模型精度偏差較為明顯的特定工況，并將3組滾流比試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4-1 充氣模型精度的萬(wàn)有特性等高線（滾流比為2.9）

圖4-2 充氣模型精度的萬(wàn)有特性等高線（滾流比為2.7）

圖4-3 充氣模型精度的萬(wàn)有特性等高線（滾流比為2.45）

表4 模型精度合格率對(duì)比結(jié)果

圖5-1為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min工況下，不同進(jìn)氣歧管壓力的3組滾流比試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。從圖中觀察可知，滾流比2.9試驗(yàn)測(cè)得的CA50值是3組滾流比中最提前的，平均值約為4°CA ATDC，已經(jīng)明顯小于8°CA ATDC，過(guò)于提前的燃燒相位降低了燃燒效率，因?yàn)镋CU中是根據(jù)扭矩模型計(jì)算節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的，所以需要加大節(jié)氣門(mén)開(kāi)度以保證相同的扭矩輸出。從圖中也可以看到，滾流比2.9的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度也較另兩組更大。更大的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度使相對(duì)充氣量的數(shù)值上升。所以，最終導(dǎo)致滾流比2.9的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，ECU所測(cè)的相同進(jìn)氣歧管壓力（即相同的ECU所計(jì)算得出的相對(duì)充氣量）工況下，節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度更大，實(shí)際進(jìn)氣量更多，從而導(dǎo)致充氣模型出現(xiàn)正偏差。

圖5-1 轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5-2 轉(zhuǎn)速為5 500 r/min時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5-3 轉(zhuǎn)速為4 200 r/min時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5-2為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速5 500 r/min工況下，不同進(jìn)氣歧管壓力的3組滾流比試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。從圖中觀察可知，3組滾流比試驗(yàn)的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度均無(wú)明顯差別。對(duì)于滾流比2.45試驗(yàn)結(jié)果中充氣模型偏差較大的工況區(qū)域（進(jìn)氣歧管壓力小于60 kPa），在相同節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的情況下，滾流比2.45試驗(yàn)組的實(shí)際進(jìn)氣量卻更大，這是因?yàn)榈蜐L流比進(jìn)氣道的流量系數(shù)更高[5]，并在高轉(zhuǎn)速工況下起主要作用。所以造成同節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下，滾流比2.45的實(shí)際進(jìn)氣量更多。另外，從圖中可知，滾流比2.45的燃燒相位略微提前，這也是因?yàn)榱髁肯禂?shù)提高，新鮮空氣在缸內(nèi)混合氣中占比更大，從而促進(jìn)了燃燒過(guò)程的進(jìn)行。

圖5-3為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速4 200 r/min工況下，不同進(jìn)氣歧管壓力的3組滾流比試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。由充氣模型精度的萬(wàn)有特性圖可知在4 200 r/min，BMEP=20 kPa左右的工況區(qū)域，滾流比2.45和2.9的充氣模型偏差均較大且為正值。由圖5-3觀察可知在此進(jìn)氣歧管壓力范圍內(nèi)滾流比2.45和2.9兩組數(shù)據(jù)中的相對(duì)充氣量的實(shí)測(cè)值比滾流比2.7的更高。其中，滾流比2.9的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度比另外兩組數(shù)據(jù)更高。

滾流比2.45的實(shí)際相對(duì)充氣量相比滾流比2.7的實(shí)際相對(duì)充氣量更高是因?yàn)榈蜐L流比進(jìn)氣道的流量系數(shù)更高，導(dǎo)致相同節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下實(shí)際進(jìn)氣量更多。

對(duì)于滾流比為2.9的情況，由圖中觀察可知，其CA50更為提前且早于8°CA ATDC。這會(huì)造成燃燒效率的下降，為了保證相同的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出，需要增大發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，使實(shí)際的進(jìn)氣量更高。最終使相同ECU所測(cè)的進(jìn)氣歧管壓力情況下，滾流比2.9的實(shí)際相對(duì)充氣量更高。

3.2.3 滾流比合理區(qū)間選擇

滾流比增大，可增強(qiáng)缸內(nèi)的氣體流動(dòng)，增加火焰的傳播速率，使燃燒相位提前，但是更高的進(jìn)氣道滾流比會(huì)造成進(jìn)氣系統(tǒng)的流量系數(shù)降低，這些特性在小負(fù)荷工況的影響較為明顯。

滾流比應(yīng)該控制在一個(gè)合理的區(qū)間內(nèi)，既能改善進(jìn)入缸內(nèi)氣體流動(dòng)狀態(tài)，優(yōu)化燃燒過(guò)程，又盡可能減小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)充氣模型的影響。針對(duì)本臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，利用Excel模擬模型精度與滾流比的關(guān)系曲線，為了使模型精度達(dá)到95%以上，滾流比至少需控制在2.5與2.8之間，如圖6所示。

圖6 滾流比合理區(qū)間

4 結(jié)論

本文針對(duì)換裝進(jìn)氣道滾流比為2.9、2.7和2.45的同一臺(tái)增壓直噴汽油機(jī)，在相同邊界條件下進(jìn)行了外特性試驗(yàn)和萬(wàn)有特性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，滾流比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程有顯著的影響，會(huì)造成充氣模型產(chǎn)生偏差。結(jié)論總結(jié)如下：

（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況點(diǎn)，滾流比增大會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒相位提前，燃燒持續(xù)期更短；

（2）進(jìn)氣道滾流比偏離設(shè)計(jì)值較多的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷工況區(qū)域?qū)嶋H相對(duì)充氣量變小，充氣模型會(huì)產(chǎn)生正偏差；

（3）針對(duì)本文提到的滾流比設(shè)計(jì)值為2.7的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣道滾流比應(yīng)控制在2.5～2.8之間，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)充氣模型精度合格率高于95%。所以應(yīng)當(dāng)在此區(qū)間內(nèi)，選擇一個(gè)合適的滾流比，達(dá)到改善發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的氣體流動(dòng)，優(yōu)化燃燒過(guò)程的目的；

（4）滾流比和流量系數(shù)是評(píng)價(jià)缸蓋進(jìn)氣狀態(tài)的兩個(gè)基本參數(shù)。試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)過(guò)滾流比和流量系數(shù)差異較小的情況下，燃燒狀態(tài)和充氣模型精度出現(xiàn)差異的現(xiàn)象，所以應(yīng)當(dāng)探索提出更多的缸蓋進(jìn)氣控制參數(shù)，更詳細(xì)的對(duì)比評(píng)估缸蓋進(jìn)氣狀態(tài)，達(dá)到更精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)的目的。