王占峰 尹伊郡 杜維明

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

隨著城市道路交通越來越擁擠，汽車的啟停也越來越頻繁，發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能直接影響汽車的起動(dòng)和加速性能。提升發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩的理論依據(jù)是加大發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)，扭矩儲(chǔ)備系數(shù)越大，扭矩增大的越快，發(fā)動(dòng)機(jī)克服短期超負(fù)荷的能力越強(qiáng)，自適應(yīng)能力越強(qiáng)[1]。對(duì)于自然吸氣汽油機(jī)，提高低轉(zhuǎn)速充氣效率、增強(qiáng)低轉(zhuǎn)速進(jìn)入缸內(nèi)氣體的滾流進(jìn)而改善低轉(zhuǎn)速的燃燒以及提高壓縮比等措施都可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速扭矩特性[2]。文章運(yùn)用一維熱力學(xué)分析軟件GT-Power優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)，提出提高發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩的策略。

表1 CA4GB發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)和性能目標(biāo)

1 汽油機(jī)主要參數(shù)

CA4GB發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)和性能目標(biāo)，如表1所示。

2 熱力學(xué)仿真模型

通過對(duì)原機(jī)的性能試驗(yàn)測(cè)取原機(jī)性能及標(biāo)定仿真模型所需要的氣缸內(nèi)壓力和進(jìn)排氣歧管壓力等數(shù)據(jù)，應(yīng)用GT-Power軟件建立并校核發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型。針對(duì)該汽油機(jī)的氣門型線、進(jìn)氣歧管參數(shù)、排氣歧管形式和參數(shù)以及進(jìn)排氣道結(jié)構(gòu)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，分析各種參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低速性能的影響，提出最終的優(yōu)化方案。圖1示出熱力學(xué)仿真模型示意圖。

圖1 CA4GB發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)仿真模型示意圖

3 提高低速扭矩策略

3.1 進(jìn)氣歧管參數(shù)

汽油機(jī)的進(jìn)氣歧管對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響是非常大的，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣是通過進(jìn)氣歧管內(nèi)的壓力波動(dòng)作用完成換氣[3]。改變歧管長度和直徑會(huì)使進(jìn)氣歧管內(nèi)壓力波動(dòng)，一般長度越長、直徑越小，發(fā)動(dòng)機(jī)的低速充氣效率會(huì)越高。但是同時(shí)，相應(yīng)的會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)中高轉(zhuǎn)速的充氣效率[4]，因此在優(yōu)化進(jìn)氣歧管參數(shù)，提高扭矩的同時(shí)需要兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)中高轉(zhuǎn)速的性能。

選擇低端轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速為3 800 r/min及功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速為5 500 r/min進(jìn)行長度和直徑2個(gè)變量的DOE優(yōu)化，并最終在保證額定功率和最大扭矩的同時(shí)選擇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速最有利的參數(shù)。綜合考慮額定點(diǎn)功率、最大扭矩和低端扭矩的性能確定進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖2示出進(jìn)氣歧管參數(shù)的DOE優(yōu)化結(jié)果，圖2中藍(lán)色虛線所圍成的區(qū)域?yàn)闈M足額定功率要求的參數(shù)范圍，紅色虛線所圍成的區(qū)域?yàn)闈M足最大扭矩要求的參數(shù)范圍，綠色實(shí)線所圍成的區(qū)域?yàn)榧葷M足額定功率要求又滿足最大扭矩要求的重疊區(qū)域。從1 000 r/min工況下歧管參數(shù)的DOE優(yōu)化看，隨著歧管長度的增加和歧管直徑的減小，低端的性能會(huì)略微有所提升，同時(shí)需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車空間的布置，最終選擇歧管長度為500 mm、歧管直徑為48 mm，而原機(jī)的進(jìn)氣歧管長度為480 mm、直徑為50 mm。

圖2 汽油機(jī)進(jìn)氣歧管參數(shù)的DOE優(yōu)化結(jié)果

圖3示出新的進(jìn)氣歧管參數(shù)與原進(jìn)氣歧管參數(shù)的外特性性能比較，從圖3可以看出，通過進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)氣歧管參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)低端扭矩有1～2 N·m的提高，對(duì)扭矩點(diǎn)的性能基本沒有影響，而額定功率僅僅損失0.3 kW，仍然滿足目標(biāo)要求。

圖3 汽油機(jī)進(jìn)氣歧管優(yōu)化前后外特性性能比較

3.2 排氣歧管形式

排氣歧管的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)，決定著各氣缸間排氣互相干擾的程度和排氣的流暢程度。排氣歧管設(shè)計(jì)得好，可以更加合理的利用發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣能量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的提升和經(jīng)濟(jì)性改善都有幫助。原機(jī)的排氣歧管方案中，長度比較短且1缸與2缸的歧管交匯、3缸與4缸的歧管交匯，都會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的排氣干擾，如圖4a所示。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合考慮汽車布置情況，改變排氣歧管的結(jié)構(gòu)形式為4個(gè)獨(dú)立的歧管，且長度較長，如圖4b所示。這樣可以減少各缸間的排氣干擾，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣能量。考慮到三元催化器的快速起燃，排氣歧管的長度也不宜過長。

圖4 汽油機(jī)排氣歧管結(jié)構(gòu)形式示意圖

圖5示出改變排氣歧管形式后的外特性性能比較，從圖5可以看出，優(yōu)化后的排氣歧管對(duì)3000，3500r/min工況扭矩提升明顯，由于降低了各缸之間的排氣干擾，對(duì)整個(gè)外特性曲線都略有提升。3 000 r/min工況下的扭矩提升7.7 N·m，因此文章對(duì)3 000 r/min工況的壓力波變化進(jìn)行詳細(xì)地分析。

圖5 汽油機(jī)排氣歧管形式改變前后外特性性能比較

圖6示出2種排氣歧管3 000 r/min工況的壓力波曲線，從圖6可以看出，優(yōu)化后的排氣歧管，當(dāng)進(jìn)氣門開啟0～1 mm時(shí)，進(jìn)氣壓力大于缸內(nèi)壓力；當(dāng)進(jìn)氣門開啟2.5 mm時(shí)，進(jìn)氣壓力與缸壓差值較大，使進(jìn)氣順暢，充氣效率提高。另外，進(jìn)氣門開啟初期，優(yōu)化后排氣歧管的進(jìn)氣壓力大于排氣壓力，殘余廢氣少，利于燃燒穩(wěn)定。

圖6 汽油機(jī)進(jìn)排氣歧管壓力波曲線圖

3.3 氣門型線

因進(jìn)排氣門型線和相位影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率和泵氣損失，故它是提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能很重要的參數(shù)。減小包角和降低升程可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速工況的泵氣損失，但會(huì)降低高轉(zhuǎn)速工況的充氣效率。應(yīng)用熱力學(xué)軟件對(duì)氣門升程和氣門包角進(jìn)行DOE優(yōu)化，圖7示出優(yōu)化后的氣門型線與原型線的對(duì)比。

圖7 優(yōu)化前后的進(jìn)排氣門型線對(duì)比圖

圖8示出優(yōu)化后凸輪軸的性能對(duì)比，從圖8可以看出，優(yōu)化后的凸輪型線使得發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速工況扭矩提高3N·m左右，但同時(shí)高轉(zhuǎn)速工況的性能下降2N·m左右。

圖8 配置凸輪軸的發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化前后外特性性能對(duì)比圖

3.4 氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)

氣道的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率和缸內(nèi)燃燒有非常重要的影響。高流量的氣道能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，在發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速工況尤為明顯；高滾流的氣道能夠增強(qiáng)缸內(nèi)混合氣的流動(dòng)，改善燃燒，提高發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速工況的性能并改善部分負(fù)荷工況的燃油經(jīng)濟(jì)性。圖9示出優(yōu)化前后的氣道參數(shù)比較，為了使高轉(zhuǎn)速工況的動(dòng)力性能不降低過多，在保證氣道流量特性的前提下盡量提高氣道的滾流。優(yōu)化后的平均氣道流量系數(shù)降低0.01，而平均滾流比提高0.5。

圖9 優(yōu)化后氣道的性能對(duì)比圖

圖10示出優(yōu)化后氣道的性能對(duì)比圖，從圖10可以看出，優(yōu)化后的氣道除了高轉(zhuǎn)速性能略微下降外，其余工況的性能基本沒變化。

圖10 配置氣道的發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化前后外特性性能對(duì)比圖

4 最終性能及汽車仿真結(jié)果

將上述所有改進(jìn)低速扭矩的技術(shù)措施應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)后再進(jìn)行熱力學(xué)仿真。圖11示出最終優(yōu)化方案與原機(jī)的性能對(duì)比。

圖11 采用最終優(yōu)化方案配置的發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)的外特性性能比較

從圖11可以看出，通過優(yōu)化進(jìn)氣歧管、排氣歧管、進(jìn)排氣凸輪型線及氣道后，發(fā)動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速扭矩提升7%左右，高轉(zhuǎn)速工況性能基本沒有損失。

表2示出汽車的動(dòng)力性能模擬計(jì)算結(jié)果，從表2可以看出，汽車的最高車速基本保持一致，0～100 km/h加速時(shí)間及最高擋、次高擋加速時(shí)間均減少，最低擋的最大加速度增加0.11 m/s2。表明通過改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速扭矩可以明顯的提升汽車的動(dòng)力性能。

5 結(jié)論

經(jīng)過熱力學(xué)仿真分析，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)高速性能不損失的前提下，通過進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)氣歧管參數(shù)、改變排氣歧管形式、優(yōu)化進(jìn)排氣門型線以及氣道的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終將原有發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能由原機(jī)的114 N·m提高到120 N·m，提高了5%?；趦?yōu)化后的結(jié)果，進(jìn)行汽車動(dòng)力性能的仿真分析，使得汽車的0～100 km/h加速時(shí)間減少4.8%，最低擋最大加速度提高3.2%?；跓崃W(xué)分析結(jié)果，僅僅完成了針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩改善的方案設(shè)計(jì)與車輛仿真模擬，具體的改善效果還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。