王占峰，閆　濤，劉金玉

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林　長春　130011）

Wang Zhanfeng，Yan Tao，Liu Jinyu

?

V型六缸汽油發(fā)動機(jī)性能開發(fā)

王占峰，閆濤，劉金玉

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林長春130011）

Wang Zhanfeng，Yan Tao，Liu Jinyu

摘要：應(yīng)用先進(jìn)科學(xué)的性能開發(fā)方法自主開發(fā)了一款V型六缸汽油發(fā)動機(jī)，主要包括動力性能開發(fā)、燃油經(jīng)濟(jì)性能開發(fā)、怠速性能開發(fā)和冷態(tài)啟動開發(fā)及評價準(zhǔn)則，為未來高端汽油發(fā)動機(jī)的開發(fā)積累經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：V型六缸；發(fā)動機(jī)；性能

1　概　要

為了滿足人們對高端乘用車的需求，全新開發(fā)了一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端汽油發(fā)動機(jī)。此發(fā)動機(jī)為V型六缸汽油機(jī)，排量為2.5L。此款發(fā)動機(jī)設(shè)計理念是希望具有澎湃動力并節(jié)能環(huán)保，所以在設(shè)計開發(fā)過程中從節(jié)能環(huán)保技術(shù)、輕量化設(shè)計、振動噪聲水平和強(qiáng)勁的動力4個方面進(jìn)行了重點關(guān)注，并最終實現(xiàn)4個方面的完美平衡。文中重點介紹V型六缸汽油發(fā)動機(jī)性能開發(fā)過程中科學(xué)的性能開發(fā)流程及科學(xué)的試驗分析方法。

2　性能開發(fā)目標(biāo)

根據(jù)乘用車平臺的動力匹配要求，考慮到環(huán)保與節(jié)能是當(dāng)今車用動力技術(shù)發(fā)展的2個主要著眼點，確定了滿足國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)具有國Ⅴ排放潛力的汽油發(fā)動機(jī)，其功率和扭矩指標(biāo)具有競爭力，主要技術(shù)參數(shù)與開發(fā)目標(biāo)見表1。

表1　V型六缸發(fā)動機(jī)開發(fā)目標(biāo)

3　V型發(fā)動機(jī)性能開發(fā)流程

發(fā)動機(jī)開發(fā)要具有完備的開發(fā)流程，對于性能開發(fā)也是如此。圖1為V型六缸汽油機(jī)性能開發(fā)的簡易流程，性能開發(fā)工作的各種開發(fā)方案都來自于性能設(shè)計所推薦的各種方案。性能開發(fā)一般以進(jìn)氣歧管開發(fā)作為始點，在進(jìn)氣歧管開發(fā)中包含外特性試驗、怠速試驗、冷態(tài)啟動試驗、評價經(jīng)濟(jì)性試驗，如果這些試驗沒有達(dá)到目標(biāo)要求，需要重新進(jìn)行進(jìn)氣歧管試驗開發(fā)。完成進(jìn)氣歧管開發(fā)工作后，進(jìn)行凸輪軸的選型試驗和壓縮比的選型試驗，如果經(jīng)過這些試驗之后仍然沒有達(dá)到要求，就需要重新進(jìn)行性能設(shè)計。

圖1　V型六缸發(fā)動機(jī)開發(fā)流程

4　性能開發(fā)方案

4.1一維熱力學(xué)模擬計算

在V型發(fā)動機(jī)概念設(shè)計階段，運(yùn)用一維熱力學(xué)計算軟件GT-Power，對發(fā)動機(jī)的進(jìn)、排氣管系、凸輪型線升程和相位運(yùn)用DOE（Design of Experiment，實驗設(shè)計）計算方法進(jìn)行綜合優(yōu)化，最終給出換氣過程的設(shè)計方案，圖2為模擬計算DOE，圖3為換氣過程給出的設(shè)計結(jié)果。

圖2　DOE性能開發(fā)示意圖

通過熱力學(xué)模擬計算分析，確定進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)型式為可變?nèi)莘e腔式。通過改變進(jìn)氣歧管容積腔容積大小，可以改變進(jìn)氣腔內(nèi)的諧振效應(yīng)，從而改變壓力波曲線，明顯地提高發(fā)動機(jī)的充氣效率，提高發(fā)動機(jī)的性能。

圖3　性能設(shè)計推薦方案

4.2試驗方案的確定

在性能開發(fā)試驗之前，進(jìn)行詳細(xì)的性能開發(fā)方案設(shè)計，根據(jù)不同進(jìn)氣歧管、凸輪軸、排氣管、壓縮比方案依據(jù)性能開發(fā)流程進(jìn)行詳盡的開發(fā)方案策劃，所有的性能開發(fā)嚴(yán)格依據(jù)試驗方案進(jìn)行，圖4為性能開發(fā)方案示意圖。

圖4　性能開發(fā)方案

5　性能開發(fā)試驗臺架準(zhǔn)備

V型發(fā)動機(jī)的開發(fā)嚴(yán)格按照依托整車、服務(wù)整車的理念進(jìn)行，所有的發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)臺架布置形式按照整車要求進(jìn)行開發(fā)，所有測量傳感器的布點嚴(yán)格按照圖5進(jìn)行。

圖5　傳感器布點示意圖

圖6為性能開發(fā)試驗臺架，在整個性能開發(fā)過程中，為了分析發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒情況，同時監(jiān)測發(fā)動機(jī)爆震情況，為每一個氣缸安裝了缸內(nèi)壓力傳感器；為了精確分析換氣過程，對進(jìn)、排氣壓力波進(jìn)行測試分析，這為性能開發(fā)及分析提供了詳細(xì)的試驗數(shù)據(jù)。

圖6　V型發(fā)動機(jī)試驗臺架

6　性能開發(fā)及結(jié)果分析

由于此V型六缸汽油機(jī)是一款進(jìn)氣道多點噴射、帶有進(jìn)、排氣VVT（Variable Valve Timing，可變氣門正時）并具有可變?nèi)莘e腔進(jìn)氣歧管的高端汽油發(fā)動機(jī)，其開發(fā)的控制變量比較多，所以科學(xué)、省時的試驗方法是保證快速、準(zhǔn)確性能開發(fā)的關(guān)鍵，因此性能試驗開發(fā)按照先進(jìn)的DOE試驗方法進(jìn)行。

6.1外特性性能及結(jié)果分析

在性能開發(fā)過程中，需要對空燃比、點火提前角、噴油時刻、VVT及可變?nèi)莘e腔進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。VVT優(yōu)化是參數(shù)優(yōu)化的重點，雙VVT調(diào)整對于性能影響非常大。由于此V型六缸發(fā)動機(jī)使用進(jìn)、排氣VVT，為了保證試驗科學(xué)、省時，運(yùn)用DOE試驗方法進(jìn)行進(jìn)、排氣相位優(yōu)化試驗。具體的DOE試驗點布點采用正交因子試驗方法，每個優(yōu)化的試驗工作點都按照此試驗方法進(jìn)行，如圖7所示。每個轉(zhuǎn)速點利用采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可找到比較優(yōu)化的相位及性能，如圖8所示。

圖7　DOE試驗點

利用DOE試驗方法，優(yōu)化出最終的外特性性能，如圖9所示。圖中顯示的為最終外特性性能結(jié)果與其他對標(biāo)機(jī)型的對比，圖中三角標(biāo)記曲線為V型六缸發(fā)動機(jī)的最終外特性性能曲線，其余曲線為對標(biāo)機(jī)型的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，V型六缸發(fā)動機(jī)不但滿足設(shè)定的性能目標(biāo)要求，而且在中、低速段扭矩比對標(biāo)機(jī)型高出很多。在高轉(zhuǎn)速范圍及額定功率點V型六缸發(fā)動機(jī)的性能突出，具有競爭力。

圖8　各個轉(zhuǎn)速優(yōu)化結(jié)果圖

圖9　外特性試驗結(jié)果

6.2燃油經(jīng)濟(jì)性能開發(fā)及結(jié)果分析

隨著國家法規(guī)對乘用車油耗的限制越來越嚴(yán)格，在性能開發(fā)過程中要充分考慮燃油經(jīng)濟(jì)性能。本次性能開發(fā)工作嚴(yán)格按照依托整車、服務(wù)整車的理念進(jìn)行，因此發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷工況點主要通過整車部門根據(jù)NEDC（New European Driving Cycle）循環(huán)工況的計算結(jié)果確認(rèn)。圖10為整車NEDC循環(huán)工況下發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況的計算結(jié)果，圖中圓圈為發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷工況點位置，圓圈的大小為這個工況點出現(xiàn)的概率大小，圓圈越大，說明這個工況點出現(xiàn)的概率越大，反之越小。部分負(fù)荷主要的優(yōu)化過程同樣采用DOE試驗方法，在進(jìn)行這些點的優(yōu)化時，主要控制發(fā)動機(jī)平均有效壓力的波動率小于某個數(shù)值。這里主要介紹部分負(fù)荷中2000r/min、200kPa的試驗結(jié)果。

圖10　NEDC循環(huán)工況下發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況

圖11為發(fā)動機(jī)在2000r/min、200kPa下的試驗結(jié)果，從圖中可以看出，發(fā)動機(jī)的比油耗隨著進(jìn)、排氣重疊角的加大而減少，主要是由于隨著氣門重疊角的加大發(fā)動機(jī)的泵氣損失減少。但是更大的氣門重疊角會增加缸內(nèi)的殘余廢氣量，影響發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性。從圖中可以看出此V型六缸汽油機(jī)在2000r/min、200kPa下的最低比油耗為376g/(kW×h)。

圖11　2000r/min、200kPa試驗結(jié)果

圖12為此V型六缸發(fā)動機(jī)2000r/min、200kPa的比油耗在汽油發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)庫中的位置，從圖中可以看出，此V型六缸發(fā)動機(jī)的比油耗處于很低的水平。

圖12　2000r/min、200kPa對標(biāo)數(shù)據(jù)

6.3怠速性能開發(fā)及結(jié)果分析

對于一款高端汽油發(fā)動機(jī)，怠速的穩(wěn)定性能尤為重要。完成對發(fā)動機(jī)常用工況的開發(fā)工作后，需要對發(fā)動機(jī)的怠速工況進(jìn)行試驗開發(fā)評價。圖13為發(fā)動機(jī)怠速性能試驗結(jié)果，從圖中可以看出，平均指示壓力的波動率非常小，這表明發(fā)動機(jī)具有良好的燃燒狀態(tài)，沒有部分燃燒或者失火；由于發(fā)動機(jī)點火通常是在上止點前10～20°CA范圍內(nèi)，在這個點火角范圍內(nèi)，平均指示壓力的波動率很小，此V型六缸汽油機(jī)具備很好的怠速性能。

圖13　怠速試驗結(jié)果

6.4冷態(tài)啟動性能開發(fā)及結(jié)果分析

發(fā)動機(jī)的冷態(tài)啟動性能影響著整車排放水平，所以在性能開發(fā)過程中，充分考慮發(fā)動機(jī)冷啟動狀態(tài)對排放的影響。圖14為V型六缸汽油機(jī)冷啟動試驗結(jié)果，從結(jié)果中看，此V型六缸汽油機(jī)冷態(tài)啟動過程HC排放物處于比較高的水平，需要在進(jìn)一步的性能開發(fā)試驗中解決，而排氣能量處于中等水平，這對于冷態(tài)啟動過程中催化器快速起燃非常有利。

圖14　冷啟動試驗結(jié)果

7　性能開發(fā)結(jié)論

V型六缸汽油機(jī)與其他汽油機(jī)相比，外特性性能能夠達(dá)到目標(biāo)要求，且與對標(biāo)機(jī)型相比具有競爭力，發(fā)動機(jī)的部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性能與對標(biāo)機(jī)型相比同樣具有競爭優(yōu)勢，同時怠速性能好。此發(fā)動機(jī)冷態(tài)啟動HC排放水平較高，需要在進(jìn)一步的性能開發(fā)中解決，其排氣能量處于中等水平。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣德明.內(nèi)燃機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]陳貴堂.工程熱力學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1997.

[3]Gamma公司GT-Suit工程手冊[Z].2006.

收稿日期：2015-11-18

文章編號：1002-4581（2016）02-0012-06

中圖分類號：U464.171

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.004