田寧 劉明濤 陳濤 王江濤 肖文濤

（東風(fēng)汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，武漢 430058）

主題詞：發(fā)動(dòng)機(jī) 缸內(nèi)直噴 增壓匹配 整機(jī)開(kāi)發(fā)

1 前言

傳統(tǒng)汽油機(jī)動(dòng)力總成是乘用車(chē)的主要?jiǎng)恿?lái)源，而小排量增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為近階段滿足油耗法規(guī)的關(guān)鍵技術(shù)途徑之一，成為各主機(jī)廠的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方向。小排量增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性前提下，可使發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況區(qū)域更接近其最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)域，從而降低車(chē)輛工作時(shí)的燃油消耗，同時(shí)也具有相對(duì)良好的成本優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，汽油機(jī)增壓直噴技術(shù)發(fā)展非常迅速，使得小排量增壓直噴汽油機(jī)得到迅速普及[1-4]。目前，國(guó)內(nèi)外各大汽車(chē)公司正在開(kāi)展增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，部分機(jī)型（如大眾1.4 TSI、福特Ecoboost系列發(fā)動(dòng)機(jī)等）在市場(chǎng)上占有較大份額，東風(fēng)汽車(chē)公司結(jié)合自主乘用車(chē)發(fā)展需求，開(kāi)發(fā)了首款1.4 L增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)（下稱(chēng)14TD），本文將對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)特征及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

2 產(chǎn)品概述

14TD發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為直列4缸、四沖程、水冷、雙頂置凸輪軸、16氣門(mén)、正時(shí)鏈傳動(dòng)，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 14TD發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)

14TD發(fā)動(dòng)機(jī)采用了渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、進(jìn)排氣可變氣門(mén)正時(shí)、輕量化及降摩擦設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)，具有優(yōu)異的性能水平，與國(guó)外某1.4L增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比，該發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、NVH等性能指標(biāo)占據(jù)相當(dāng)優(yōu)勢(shì)，如表2所示。

3 燃燒系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

燃燒系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵是氣道、燃燒室、噴油器油束的合理設(shè)計(jì)匹配，為此采用了仿真與光學(xué)診斷相結(jié)合的方法進(jìn)行噴油器選型及燃燒開(kāi)發(fā)，獲得了穩(wěn)定、高效、清潔的燃燒效果。并通過(guò)三維CFD流動(dòng)仿真以及噴油器噴霧試驗(yàn)，對(duì)缸內(nèi)氣體流動(dòng)、混合氣形成和燃燒情況、噴油濕壁情況進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，達(dá)到油-氣-室的合理匹配。最后對(duì)14TD發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道及燃燒室進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高滾流比，使得缸內(nèi)油氣分布更均勻，湍動(dòng)能更高。圖1為燃燒室優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，通過(guò)優(yōu)化氣道及缸蓋燃燒室頂面，提高進(jìn)氣滾流比。圖2為進(jìn)行油束匹配設(shè)計(jì)校核。

表2 14TD發(fā)動(dòng)機(jī)與國(guó)外某1.4 L增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比

圖1 燃燒室優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程

圖2 油束匹配設(shè)計(jì)校核

圖3為燃燒系統(tǒng)仿真分析中，缸內(nèi)滾流比發(fā)展過(guò)程及點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍動(dòng)能分布情況。

圖3 燃燒系統(tǒng)仿真分析結(jié)果

通過(guò)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，對(duì)比不同噴油器方案的噴霧效果，以確定用于熱力學(xué)開(kāi)發(fā)的噴油器方案，圖4為光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及噴霧試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

4 增壓系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

4.1 增壓器選型

基于14TD發(fā)動(dòng)機(jī)性能目標(biāo)，結(jié)合一維熱力學(xué)性能仿真分析進(jìn)行增壓系統(tǒng)匹配優(yōu)化，包括不同增壓器性能計(jì)算對(duì)比、增壓器與配氣相位聯(lián)合優(yōu)化等，以對(duì)增壓系統(tǒng)選型方案進(jìn)行確定。圖5為不同增壓器匹配方案，可基于開(kāi)發(fā)目標(biāo)側(cè)重點(diǎn)不同（低速扭矩與額定功率）選定不同增壓器匹配方案。

圖5 不同增壓器匹配方案

4.2 增壓壓力控制

增壓器的匹配選型是熱力學(xué)性能開(kāi)發(fā)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其難點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩方面：一方面?zhèn)鹘y(tǒng)增壓器匹配僅能考慮增壓器的穩(wěn)態(tài)map，無(wú)法有效進(jìn)行相應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算，而目前瞬態(tài)響應(yīng)性已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)中的重要參考指標(biāo)；另一方面，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的模型協(xié)調(diào)控制更復(fù)雜，需要同時(shí)考慮排溫、爆震和BMEP的控制。因此前期增壓匹配主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性目標(biāo)，在后續(xù)性能開(kāi)發(fā)中需要對(duì)增壓壓力進(jìn)行有效控制，使增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)均能夠合理有效地工作[5]。

圖6為增壓壓力控制系統(tǒng)優(yōu)化案例，主要針對(duì)增壓汽油機(jī)增壓壓力調(diào)節(jié)控制過(guò)程中出現(xiàn)的壓力波動(dòng)和壓力不足等問(wèn)題，從增壓系統(tǒng)工作原理和增壓壓力控制方法等角度進(jìn)行分析，結(jié)合零部件驗(yàn)證試驗(yàn)確定了廢氣旁通閥彈簧剛度不足是引起上述問(wèn)題的主要原因，通過(guò)廢氣旁通閥改進(jìn)設(shè)計(jì)有效解決了上述問(wèn)題，使發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、功率等性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖6 增壓壓力控制系統(tǒng)優(yōu)化案例

在解決了增壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)和壓力不足等問(wèn)題的基礎(chǔ)上，基于增壓汽油機(jī)運(yùn)行工況分布特點(diǎn)，在保證動(dòng)力性的前提下，以燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，對(duì)增壓壓力全工況控制和調(diào)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)權(quán)衡發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷和部分負(fù)荷增壓壓力控制之間的關(guān)系，得出廢氣旁通閥最佳彈簧預(yù)緊力，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化壓力控制電磁閥（PWM閥）的控制策略，使增壓壓力在全工況范圍內(nèi)得到合理分配，如圖7所示。

圖7 全工況范圍內(nèi)（不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速）增壓壓力分布

5 NVH開(kāi)發(fā)

由于增壓直噴汽油機(jī)缸內(nèi)爆發(fā)壓力較大，而且集成了增壓系統(tǒng)、高壓噴油系統(tǒng)等，使得增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH性能成為開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。14TD發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)前期即同步開(kāi)展NVH開(kāi)發(fā)工作，首先定義發(fā)動(dòng)機(jī)NVH目標(biāo)，包括輻射噪聲目標(biāo)、振動(dòng)目標(biāo)、主要部件模態(tài)頻率等；在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)NVH仿真分析（包括模態(tài)分析、振動(dòng)、結(jié)構(gòu)與空氣噪聲分析）評(píng)估設(shè)計(jì)方案的NVH性能；同時(shí)針對(duì)問(wèn)題部件進(jìn)行NVH優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真分析驗(yàn)證；最后，通過(guò)NVH試驗(yàn)驗(yàn)證整機(jī)NVH性能[6]。增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)NVH開(kāi)發(fā)需要重點(diǎn)研究整機(jī)輻射噪聲、增壓系統(tǒng)噪聲優(yōu)化及直噴系統(tǒng)噪聲開(kāi)發(fā)等。

5.1 整機(jī)輻射噪聲控制

建立了基于多體動(dòng)力學(xué)和有限元相結(jié)合的整機(jī)振動(dòng)仿真模型，對(duì)14TD發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)進(jìn)行了仿真預(yù)測(cè)，分析方法及流程如圖8所示。通過(guò)對(duì)整機(jī)表面振動(dòng)計(jì)算結(jié)果的分析找出了該發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。運(yùn)用邊界元法對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化前、后整機(jī)輻射噪聲改善效果進(jìn)行了仿真預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，所提出的結(jié)構(gòu)改善措施能夠有效降低整機(jī)輻射噪聲，如圖9所示。

圖9 14TD發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)輻射噪聲優(yōu)化前、后對(duì)比

5.2 增壓器噪聲控制

針對(duì)由于葉輪轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下因自身不平衡產(chǎn)生的同步噪聲，以及由于渦輪轉(zhuǎn)子軸承油膜振蕩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)造成振動(dòng)激勵(lì)而產(chǎn)生的次同步噪聲，對(duì)增壓器轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡及轉(zhuǎn)子軸承間隙進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)噪聲頻譜圖如圖10所示，由圖10b可看出，改進(jìn)設(shè)計(jì)后渦輪增壓器同步噪聲和次同步噪聲已基本消除。

圖10 改進(jìn)設(shè)計(jì)前、后增壓器噪聲

5.3 直噴系統(tǒng)NVH開(kāi)發(fā)

在進(jìn)行直噴系統(tǒng)NVH開(kāi)發(fā)時(shí)，首先通過(guò)主動(dòng)降噪，即通過(guò)優(yōu)化高壓油泵柱塞的開(kāi)啟關(guān)閉控制策略降低系統(tǒng)內(nèi)壓力波動(dòng)，從而以減小激勵(lì)的方式實(shí)現(xiàn)降噪；其次采用被動(dòng)降噪措施，通過(guò)增加油泵、油軌隔聲罩減少輻射噪聲，同時(shí)在高壓噴油系統(tǒng)和缸蓋接觸處采取隔振措施，減小振動(dòng)激勵(lì)向缸蓋的傳遞。圖11為直噴系統(tǒng)噪聲傳遞路徑分析結(jié)果，通過(guò)聲源識(shí)別可制定噪聲控制策略。

圖11 直噴系統(tǒng)噪聲傳遞路徑分析結(jié)果

圖12為直噴系統(tǒng)NVH改善前、后發(fā)動(dòng)機(jī)頂端近場(chǎng)噪聲對(duì)比，通過(guò)實(shí)施上述改善措施，14TD發(fā)動(dòng)機(jī)頂部近場(chǎng)噪聲在高頻段有3～5 dB(A)的改善效果。

圖12 直噴系統(tǒng)NVH改善前、后發(fā)動(dòng)機(jī)頂部近場(chǎng)噪聲對(duì)比

通過(guò)以上NVH開(kāi)發(fā)，14TD發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平（AVL數(shù)據(jù)帶下沿），圖13為NVH改進(jìn)前、后14TD發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲試驗(yàn)結(jié)果。

圖13 NVH改進(jìn)前、后14TD發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲對(duì)比結(jié)果

6 標(biāo)定開(kāi)發(fā)

相比進(jìn)氣道噴射，缸內(nèi)直噴易造成缸內(nèi)混合氣局部過(guò)濃和燃油濕壁問(wèn)題，增加顆粒物形成幾率[7]，顆粒物排放呈倍數(shù)增加。為進(jìn)一步提升燃油經(jīng)濟(jì)性及降低顆粒物排放，需對(duì)直噴系統(tǒng)多次噴射進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化，通過(guò)標(biāo)定優(yōu)化選擇合適的噴油壓力、噴射分配系數(shù)及噴油時(shí)刻。

以三次噴射研究為例，適當(dāng)降低第一次噴射比例能促進(jìn)第二、三次噴霧的蒸發(fā)與混合，進(jìn)而降低第二、三次噴射油氣混合的難度，有利于減少缸內(nèi)噴霧濕壁，且在降低顆粒物排放的同時(shí)減小機(jī)油稀釋風(fēng)險(xiǎn)，如圖14和圖15所示。由表3可看出，通過(guò)合理選擇多次噴射次數(shù)，可以大幅降低顆粒物排放量。

圖14 二次噴射與單次噴射顆粒物排放量對(duì)比

圖15 三次噴射與二次噴射顆粒物排放量對(duì)比

表3 多次噴射對(duì)顆粒物排放量影響分析

另外，通過(guò)對(duì)多次噴射控制策略優(yōu)化，擴(kuò)大了理論空燃比下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況區(qū)域，有效解決了該發(fā)動(dòng)機(jī)搭載高質(zhì)量整車(chē)在WLTC循環(huán)工況空燃比進(jìn)入加濃區(qū)域的問(wèn)題，如圖16所示。

圖16 多次噴射對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用領(lǐng)域影響分析

7 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)而言，燃燒系統(tǒng)及增壓系統(tǒng)開(kāi)發(fā)尤為關(guān)鍵，同時(shí)NVH開(kāi)發(fā)及標(biāo)定控制同樣需要重點(diǎn)關(guān)注。本文針對(duì)增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)特有的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究，通過(guò)設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)相結(jié)合的開(kāi)發(fā)方式，解決了增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)特有的燃油濕壁、噴油系統(tǒng)噪聲、顆粒物排放超標(biāo)等重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，最終達(dá)到了14TD發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。