高尚志 孫曉東 唐立超 尹建東 沈 源

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

發(fā)動機怠速工況是指發(fā)動機無負(fù)荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)，發(fā)動機的怠速性能對發(fā)動機油耗、排放以及NVH 都有較大影響[1]。因此，發(fā)動機的怠速性能是評價發(fā)動機性能的重要指標(biāo)。怠速的燃燒穩(wěn)定性對整車的性能有很大影響。怠速轉(zhuǎn)速、噴油時刻、噴油壓力、點火提前角等參數(shù)對發(fā)動機怠速控制有一定影響[2]。本文通過優(yōu)化發(fā)動機硬件以及ECU 電控參數(shù)、發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速，進(jìn)而降低發(fā)動機油耗和排放以及改善NVH 性能[3]。

本文選用一款小型增壓發(fā)動機，根據(jù)臺架試驗結(jié)果，對發(fā)動機凸輪軸進(jìn)行選型。在不同發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速下，通過控制發(fā)動機噴油相位以及點火提前角，使怠速穩(wěn)定性達(dá)到最佳。使用平均指示壓力標(biāo)準(zhǔn)差、平均指示壓力循環(huán)最小公稱值作為怠速穩(wěn)定性評價指標(biāo)。

1 試驗概況

試驗中，通過凸輪軸選型，優(yōu)化進(jìn)排氣以及缸內(nèi)燃燒過程，降低怠速工況油耗，增大發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)矩儲備[4]，提高怠速燃燒穩(wěn)定性。

試驗裝置包括一款3 缸增壓發(fā)動機、發(fā)動機所有附件、臺架試驗數(shù)據(jù)采集傳感器、AVL260 電力測功機、AVL 燃燒分析儀、KISTLER 火花塞式氣缸壓力傳感器等。

試驗用3 缸1.0 L 增壓發(fā)動機的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

2 凸輪軸選取

2.1 不同方案凸輪軸對比

發(fā)動機熱怠速穩(wěn)定性影響因素很多，其中發(fā)動機凸輪不同型線和包角影響進(jìn)氣門開啟時刻以及充氣效率[5]。本文選取4 款凸輪軸，凸輪型線分別為基礎(chǔ)方案和優(yōu)化方案A、B、C，圖1、圖2、圖3 分別為優(yōu)化方案A、B、C 與基礎(chǔ)方案凸輪型線對比圖。

圖1 優(yōu)化方案A 和基礎(chǔ)方案凸輪型線對比

由圖1～圖3 可知，方案A 的進(jìn)排氣凸輪型線包角比基礎(chǔ)方案大；方案B 的排氣凸輪型線與基礎(chǔ)方案相同，進(jìn)氣凸輪型線包角比基礎(chǔ)方案大；方案C 的進(jìn)氣凸輪型線包角及升程與基礎(chǔ)方案相同，進(jìn)氣門開啟時刻比基礎(chǔ)方案早，排氣凸輪型線包角比基礎(chǔ)方案大。

圖2 優(yōu)化方案B 和基礎(chǔ)方案凸輪型線對比

圖3 優(yōu)化方案C 和基礎(chǔ)方案凸輪型線對比

發(fā)動機選取不同凸輪軸后，怠速穩(wěn)定性的評價指標(biāo)為：平均指示壓力標(biāo)準(zhǔn)差I(lǐng)MEPstd≤0.1，平均指示壓力循環(huán)最小公稱值IMEPlnv≥75。

IMEPstd與IMEPlnv的計算公式分別為：

式中：Vd為氣缸工作容積，L；p 為氣缸壓力，kPa；IMEP 為平均指示壓力，kPa；IMEPi為第i 缸的平均指示壓力，kPa；IMEPavg為平均指示壓力的平均值，kPa；IMEPmin為最小平均指示壓力，kPa；N 為氣缸數(shù)。

圖4 為不同方案的平均指示壓力標(biāo)準(zhǔn)差，圖5為不同方案的平均指示壓力循環(huán)最小稱值。

圖4 不同方案的IMEPstd

圖5 不同方案的IMEPlnv

由圖4 和圖5 可知，使用方案B 凸輪軸，發(fā)動機在850 r/min 怠速運行，測試發(fā)動機200 循環(huán)各缸的燃燒數(shù)據(jù)：各缸IMEPstd均較小，IMEPlnv均較大，故選取方案B 凸輪軸為最優(yōu)方案凸輪軸。

2.2 不同方案凸輪軸差異分析

圖6 為優(yōu)化方案B 和基礎(chǔ)方案對比。

圖6 優(yōu)化方案B 和基礎(chǔ)方案對比

從圖6 可以看出，基礎(chǔ)方案的排氣凸輪軸型線與優(yōu)化方案B 相同，但發(fā)動機進(jìn)氣門開啟時刻更晚。在進(jìn)氣行程，活塞下行，進(jìn)氣門開啟時刻過晚，會造成排氣倒吸，在燃燒室存在部分殘余廢氣，導(dǎo)致發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定，循環(huán)波動變大。

圖7 為優(yōu)化方案B 和優(yōu)化方案A 對比。

圖7 優(yōu)化方案B 和優(yōu)化方案A 對比

從圖7 可以看出，相對于優(yōu)化方案B，優(yōu)化方案A 的進(jìn)氣門開啟時刻更早，排氣門關(guān)閉時刻更晚。更大的氣門重疊角會形成內(nèi)部EGR，發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定，IMEPstd變大，IMEPlnv變小。

圖8 為優(yōu)化方案B 和優(yōu)化方案C 對比。

圖8 優(yōu)化方案B 和優(yōu)化方案C 對比

從圖8 可以看出，優(yōu)化方案B 的排氣凸輪軸和優(yōu)化方案C 相同。而優(yōu)化方案B 在進(jìn)氣門開啟時，排氣門約有0.5 mm 的開度，此時活塞下行，部分廢氣從排氣道回流。因此，優(yōu)化方案B 的怠速燃燒穩(wěn)定性優(yōu)于優(yōu)化方案C。

3 ECU 參數(shù)優(yōu)化

3.1 噴油相位優(yōu)化

固定發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、點火提前角。通過改變發(fā)動機噴油相位，測試發(fā)動機怠速穩(wěn)定性。

圖9 為不同噴油結(jié)束角度的IMEPstd，圖10 為不同噴油結(jié)束角度的IMEPlnv。

圖9 不同噴油結(jié)束角度的IMEPstd

圖10 不同噴油結(jié)束角度的IMEPlnv

從圖9 和圖10 可以看出，保持其他參數(shù)不變，隨著噴油結(jié)束角度增大，IMEPstd呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，IMEPlnv呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。噴油結(jié)束角度過小，會導(dǎo)致更多的燃油附著到歧管和氣道，每循環(huán)進(jìn)入燃燒室的燃油量有差異，燃燒循環(huán)波動增加。噴油結(jié)束角度過大，會造成混合氣混合不充分，燃燒循環(huán)波動變大。噴油結(jié)束角度為300°CA BTDC時，IMEPstd最小，IMEPlnv最大。因此，選取300°CA BTDC為最佳噴油結(jié)束角度。

3.2 點火提前角優(yōu)化

圖11 為不同點火提前角的IMEPstd，圖12 為不同點火提前角的IMEPlnv。

圖11 不同點火提前角的IMEPstd

圖12 不同點火提前角的IMEPlnv

從圖11 和圖12 可以看出，隨著點火角的減小，缸內(nèi)燃燒速度變慢，循環(huán)波動變大。IMEPstd隨著點火提前角的減小而增大，IMEPlnv隨著點火提前角的減小而減小。為了使發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)矩儲備更大，選取點火提前角為-6°CA BTDC。通過對不同轉(zhuǎn)速下的IMEPstd和IMEPlnv進(jìn)行對比，考慮發(fā)動機怠速油耗，選取850 r/min 為最優(yōu)怠速轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)論

1）在進(jìn)氣上止點，進(jìn)氣門開啟后，排氣門盡量早關(guān)，防止廢氣回流導(dǎo)致怠速燃燒穩(wěn)定性變差。

2）在進(jìn)氣上止點，排氣門還未完全關(guān)閉，進(jìn)氣門適當(dāng)早開，有利于怠速穩(wěn)定性。但是進(jìn)氣門過早開啟，會導(dǎo)致氣門重疊角過大，增加了內(nèi)部EGR，燃燒穩(wěn)定性變差。

3）過小或者過大的噴油相位都會導(dǎo)致怠速燃燒穩(wěn)定性變差，為了獲得更大的轉(zhuǎn)矩儲備，保證燃燒穩(wěn)定性在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的前提下，點火提前角要盡量減小。