增壓發動機凸輪優化設計方法的研究

喬佳偉　王義夫　裴俊楊　楊中華　馬少康　李炳男（1-長城汽車股份有限公司技術中心　河北　保定　071000　2-河北省汽車工程技術研究中心）

增壓發動機凸輪優化設計方法的研究

喬佳偉1，2王義夫1，2裴俊楊1，2楊中華1，2馬少康1，2李炳男1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

增壓發動機凸輪型線是影響發動機燃燒過程中油氣混合效果的主要因素之一，直接影響到發動機的動力性、經濟性表現，每款新開發的發動機項目須重點考慮如何匹配一套適合發動機運行的凸輪，以提高發動機的動力性、經濟性。試驗結果表明：加大進、排氣門重疊角可以提高發動機充氣效率，但是THC排放增加；進氣門升程加大，充氣效率降低，同時燃氣混合更均勻滾流效應增強，發動機燃燒變好。

凸輪燃燒重疊角充氣效率

引言

汽油發動機運行時，在有限的進氣時間內，要使排氣干凈，進氣充足是比較困難的，這就需要在發動機開發初期，設計一套較優的進、排氣凸輪，充分利用氣流的流動慣性以及減少換氣過程的損失，從而改善換氣過程，提高內燃機的性能，進、排氣門一般都是提前開啟，遲后關閉[1]，不受活塞行程的限制。進氣門關閉時刻對于充氣效率隨轉速的變化起著決定性的作用，進氣門早關，最大充氣效率出現在低速區，而進氣門遲閉則出現在高速區。

1　試驗裝置與試驗方法

1.1發動機

選取某硬件狀態良好的1.5 L增壓氣道噴射汽油發動機（如表1所示）。

1.2測功機

裝備完好的電力測功機，包括機油外循環冷卻裝置、冷卻液外循環裝置、風機以及溫度、壓力傳感器數支。

1.3輔助設備

測量HC、NOx的排放分析儀，測量各缸燃燒情況的燃燒分析儀，用于測量煙度的濾紙式煙度儀和不透光式煙度分析儀。

表1　汽油發動機參數

表2　氣門重疊角分布

2.2試驗方案

2.2.1優化氣門重疊角

加大發動機凸輪軸的氣門重疊角，可以在一定程度上提高發動機的充氣效率，如表3設置3種不同氣門重疊角的凸輪型線方案[3]。

凸輪型線具體信息如下：

方案一 V0初始氣門重疊角為-22°CA（VVT范圍40°CA）；

2　試驗方法

2.1相位分析

排氣門的延遲關閉和進氣門的提前打開，使得在上止點附進的曲軸轉角范圍內存在進、排氣門同時開啟的現象。氣門重疊角的存在，一方面利用進氣將缸內廢氣推入排氣管，幫助清除缸內廢氣，增加氣缸新鮮充量，另一方面還能冷卻高溫零件，降低排溫，特別是在部分負荷時，若氣門疊角過大，由于進氣管真空度高，廢氣可能直接從燃燒室流入進氣道或從排氣道流回燃燒室，再從燃燒室流入進氣道，這種內部廢氣再循環是不合適的，可能會引起回火[2]（表2為氣門重疊角分布）。

方案二 V1初始氣門重疊角為‐2°CA；

方案三 V2初始氣門重疊角為8°CA。

如圖1所示，通過加大氣門重疊角可以有效地提高發動機運行過程中的充氣效率。氣門重疊角最大的V2方案，充氣效率最高，依次為V1以及V0。

圖1　充氣效率

動力性（如圖2所示）：三套凸輪均能滿足最大功率的開發目標，方案V0和V1凸輪在低速段性能低于V2方案；

經濟性（如圖3所示）：外特性油耗，在低速段V2凸輪明顯優于V0和V1凸輪，在高速段V1凸輪油耗率優于V0和V2凸輪；

排放（如圖4所示）：由于氣門重疊角的加大，V2的HC排放遠高于其它兩種方案，V0方案排放最優[4]。

圖2　扭矩對比

圖3　油耗率對比

圖4　 HC排放對比

綜上：加大氣門重疊角的V2凸輪在動力性方面具有優勢，V0凸輪THC排放方面優于其它兩種方案。

2.2.2優化氣門升程

在V0方案的基礎上加大進氣門升程，并增加進氣門早開角，從而增加發動機進氣持續期以及進氣流通面積，設計一套新的凸輪V10方案（如圖5所示）。

進氣門升程由7.7mm加大到8.5mm，進氣凸輪包角增大。

動力性方面兩套凸輪方案在2000 r/min以上高轉速區域表現基本一致，以下轉速略有差異，約為5 N·m（如圖6所示）。

加大氣門重疊角的V10方案在油耗表現方面有很大優勢，各轉速全負荷工況油耗相差約40 g·（kW·h）-1左右，如圖7所示。

圖6　扭矩對比

圖7　燃油消耗率

試驗過程中，各工況通過控制增壓器占空比，使得進氣歧管壓力盡量保持一致（如圖8所示）。

通過對試驗數據分析，V10的充氣效率遠低于V0方案，4000 r/min相差約5%。由圖9可知，進、排氣凸輪氣門升程的設計選擇直接關系到發動機充氣效率，單純加大氣門升程并不能提升發動機充氣效率[5]。

試驗過程中1500 r/min以上轉速，兩套凸輪的點或提前角基本一致，1500 r/min以下轉速略有差異，但差異均在3°以內（如圖10所示）。

AI50是指發動機運轉過程中氣缸內混合氣燃燒50%所對應的曲軸轉角，是評價發動機燃燒效果的重要指標，通常情況下全負荷工況AI50越小，燃料燃燒產生的有效功越大，由圖11可知，V10方案的燃燒效果明顯好于V0方案。

圖8　 歧管壓力

圖9　 充氣效率

圖10　點火角提前角

圖11 AI50對比

由圖12可知，V10方案的燃燒持續期小于V0方案，表明發動機使用進氣門升程較大的V10方案后，進入氣缸的混合氣混合效果相比原方案更為均勻，火焰傳播速度提高，燃料燃燒速度加快。

試驗過程中過量空氣系數按照排溫不超限值的原則進行控制，兩套凸輪的空燃比略有差異，為2%～5%[6]（如圖13所示）。

圖12　 燃燒持續期

圖13　過量空氣系數

3　試驗結論

1）氣門重疊角加大，有利于提升發動機的充氣效率，改善發動機的經濟性，但一定程度上會導致發動機THC排放增加。

2）進氣門升程加大，充氣效率降低，燃氣混合更均勻，滾流效應增強，運行過程中火焰傳播加快，可以有效地提高燃料的熱效率，提升發動機的經濟性表現，如文中提到的V10方案。

1周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，1999

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5程宏.汽車發動機原理[M].北京：清華大學出版社，1995

6胡順堂.可變進氣門升程對汽油機泵氣損失的控制及對燃燒過程的影響[J].燃燒科學與技術，2011（2）：29～34

The Study on Cam shaft Im provementDesign for Turbocharged Engine

Qiao Jiawei1，2，W ang Yifu1，2，Pei Junyang1，2，Yang Zhonghua1，2，M a Shaokang1，2，LiBingnan1，2
1-Technical Center，GreatWallMotor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Camshaft profile is one of themajor elements in the air/fuel blend process during combustion，which directly connect with the power and economy of engine.A suitable camshaft should be matched during a process to optimize the performance of engine.The results show that volumetric efficiency was improved and THCwas added with overlap increased.Volumetric efficiency was decreased with the valve liftenhanced.A bettermixturewasgotbecause of tumble.A bettercombustion wasgot.

Camshaft，Combustion，Overlap，Charging efficiency

TK413.4+1

A

2095-8234（2015）01-0009-04

喬佳偉（1985-），男，工程師，主要研究方向為發動機性能開發。

（2014-11-14）