基于降油耗目的的凸輪軸方案研究

喬海波　張　鵬　樸鐘南　郄彥麗　薩如拉　石峻銘

（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）

基于降油耗目的的凸輪軸方案研究

喬海波1，2張鵬1，2樸鐘南1，2郄彥麗1，2薩如拉1，2石峻銘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）

基于目前國家的油耗法規要求，以一臺1.5L氣道噴射增壓汽油機為研究對象，制定兩個凸輪軸方案，通過小負荷減小氣門重疊角，提高燃燒穩定性；中等負荷適當增加氣門重疊角，提高內部EGR率，降低泵氣損失以及HC和NOx排放；低速高負荷增大氣門重疊角，提高低速扭矩；高速高負荷，減小氣門重疊角，保證額定點性能等措施，在保證動力性的同時，降低發動機油耗，綜合動力性、經濟性確定最優方案.

氣道噴射增壓汽油機凸輪軸油耗動力性

引言

隨著當今世界經濟飛速發展，能源和環境形勢日趨嚴峻，各國紛紛出臺嚴格的油耗和排放法規進行應對。我國在2020年企業平均燃料消耗量限值為5.0 L/100 km。

本文主要從改變凸輪型線的角度出發，結合標定數據進行試驗驗證，在保證發動機動力性的同時，提高燃燒穩定性，降低油耗和排放。

1　方案制定及仿真分析

1.1凸輪軸方案

本次研究對象包括三個凸輪軸方案，V0方案為初始方案，V1、V2方案分別就氣門升程、開啟關閉相位和持續期等進行了相應調整，具體參數見表1。

1.2仿真分析結果

1.2.1燃油經濟性分析

采用AVL boost分析軟件對典型工況點轉速為2 000 r/min、平均有效壓力為0.2 MPa時油耗及殘余廢氣系數進行分析，如圖1所示，在現有排氣凸輪軸初始安裝相位，并且滿足殘余廢氣系數小于20%的條件下，進氣凸輪在初始相位油耗達到最低；在385.7～391.3 g/（kW·h）范圍內，V1凸輪軸方案油耗在378.8～385.8 g/（kW·h）范圍內，V2凸輪軸方案油耗在378.9～385.4g/（kW·h）范圍內。從分析結果可知，兩個方案油耗降低幅度相當。

表1　凸輪軸參數表

1.2.2動力性分析

對V1、V2方案動力性進行分析，如圖2所示，低速1000r/min時，在排氣凸輪軸初始安裝相位條件下，V1方案在進氣VVT最大提前角（60°CA）扭矩達到103.4～115.5 N·m，是否能達到目標值110 N·m需進行試驗驗證。V2方案為120 N·m以上，滿足目標。高速5 600 r/min時，V1方案扭矩為163～182.7 N·m，V2方案為169.2～184.5 N·m，是否達到目標值175 N·m也需要進一步試驗驗證。

圖1　各方案2 000 r/min_0.2 MPa油耗和殘余廢氣系數分析結果

圖2　各方案性能分析結果

1.2.3干涉情況分析

為保證試驗驗證順利進行，利用AVL EXCITE TD軟件對V1、V2兩個新方案凸輪軸裝配后進排氣門之間、以及氣門與活塞之間在各運行工況下的間隙進行仿真分析，結果均大于1.2 mm的要求，不存在零部件干涉風險，滿足試驗需求。

2　試驗裝置及準備

2.1發動機

試驗發動機為1.5L氣道噴射增壓汽油發動機，參數如表2所示。

表2　發動機參數表

2.2測功機

試驗用測功機為電力測功機。包括冷卻液外循環裝置，風機以及溫度、壓力傳感器若干。

2.3輔助設備

用于測量HC、NOx排量的HORIBA排放分析儀，用于測量各缸燃燒狀況的AVL燃燒分析儀，及用于測量空燃比的ES630空燃比儀等。

3　試驗工況及方法

3.1試驗工況

3.1.1NEDC運行工況權重點

主要考察各工況點在不同凸輪軸方案和標定數據下的油耗和排放情況。

3.1.2外特性點

主要考察發動機動力性變化情況，以及油耗、排放情況。

3.2試驗方法及數據確定

首先進行VVT掃點試驗，在VVT允許的活動范圍內，以5°CA為步長，過量空氣系數在部分負荷控制為理論值1，大負荷以排氣溫度限值為邊界，點火提前角在部分負荷控制在AI50最佳范圍8～12°CA ATDC，大負荷調整為爆震邊界，依次采集數據。

數據的選擇，外特性以動力性為首要目標，同時兼顧油耗、排放和標定數據的平順性。部分負荷以油耗為首要目標，同時兼顧排放和標定數據的平順性。

然后進行噴油相位掃點試驗，在上述VVT位置選定的基礎上，從上一循環進氣門關閉時刻開始，以30°CA為步長進行噴油相位掃點試驗，直至油耗或排放數據出現明顯轉折或惡化時刻為止，過量空氣系數在部分負荷控制為理論值1，大負荷以排氣溫度限值為邊界，點火提前角在部分負荷控制在AI50最佳范圍8-12°CA ATDC，大負荷調整為爆震邊界，依次采集數據。數據的選擇同VVT數據選擇。

4　試驗驗證及結果

4.1動力性

由圖3可見，V1方案在低速1 500 r/min以下扭矩略低于V0，原因是V1方案進氣門開啟持續期較長，廢氣回流作用明顯，充氣效率［1］相對其他兩方案低，如圖5所示，進氣量的不足，導致扭矩的差異。V2方案重疊角大于V1，如圖4所示，掃氣［2］作用強，且進氣門開啟持續期較短，更多的新鮮空氣充量使充氣效率得以提高。在4 500 r/min以下性能與V0相當，在4 500 r/min以上性能高于V0方案。

圖3　外特性扭矩

圖4　外特性氣門重疊角

三個方案中雖然V0的充氣效率最高，但與此同時高的進氣壓力（圖6）使點火提前角受爆震影響無法提前，如圖7所示，點火提前角效率相對較低，如圖8所示，這些因素的疊加使低速扭矩與V2相當。

圖5　外特性充氣效率

綜上，V2方案性能相對較好，中低轉速外特性氣門重疊角最大，增大了掃氣效應，提高了充氣效率，提高了中低速扭矩。高速大負荷氣門重疊角相對減小，改善了進氣響應速度，提高了高速性能。

圖6　外特性進氣歧管壓力

圖7　外特性點火提前角

圖8　外特性點火提前角效率

4.2經濟性

外特性點油耗率如圖9所示，在5000r/min以前，V1方案最優，NEDC常用工況均在此范圍內。在2000r/ min以內，主要由于V1方案相對較小的氣門重疊角使其燃燒穩定性優于V2，如圖10所示。在2 000 r/ min以后，由于V1方案相對較小的氣門升程，加強了進入缸內氣流的滾流作用［3］，油氣混合更充分，縮短了燃燒持續期，如圖11所示。

圖9　外特性油耗率

圖10　外特性燃燒穩定性

圖11　外特性燃燒持續期

同樣可以看出，整個外特性區域V0方案燃燒穩定性是最差的，因此油耗率是最高的，在低速段因持續期的加長表現得尤為明顯。

為便于對比，將V1、V2兩個凸輪軸方案測得的NEDC工況油耗數據與V0方案數據相減，對差值進行對比，如圖12所示，正值表示油耗率增加量，負值表示油耗率減少量。

由對比結果可見，V1、V2兩個凸輪軸方案在NEDC運行工況點油耗率均有明顯降低，且V1方案降低幅度最大。究其原因，對10個NEDC工況點燃燒數據進行比較，發現整體運行區域V1凸輪軸方案泵氣損失低于V0、V2方案，如圖13所示。

圖12　NEDC運行工況點油耗率

圖13　NEDC工況點泵氣損失

將上述油耗數據輸入AVL Cruise軟件，擬合計算出NEDC工況100 km綜合油耗：V0方案為8.08 L/ 100 km，V1方案為7.82 L/100 km，降低3.22%，V2方案為7.87 L/100 km，降低2.60%。

綜上，在外特性工況和NEDC運行工況，V1、V2方案油耗均表現出了較為明顯的優勢，V1方案尤為突出。就單一零部件對整機油耗的貢獻來說，是相當可觀的。

4.3排放性能

外特性點THC排放由低到高依次為V1＜V2＜V0，V1最優。NEDC工況點排放情況不盡相同，但整體V1、V2方案優于V0方案，V1方案降低幅度最大，如圖14，圖15所示，這與其燃燒質量是相對應的。

圖14　外特性THC排放

外特性點NOx排放，V1方案低速段高于其他兩方案，整體差異不大。NEDC工況點整體NOx排放V1方案最低，如圖16，圖17所示。

圖15　NEDC工況點THC排放

圖16　外特性NOx排放

圖17　NEDC工況點NOx排放

綜上，整體而言，V1、V2兩方案排放都有明顯降低。V1方案大的進氣開啟持續期，增加了廢氣回流效應，使未燃氣體再燃燒，降低了HC排放，同時降低了缸內溫度，減少了NOx的生成，降低幅度相對較大。

5　結論

1）進氣門開啟持續期加長，可增加低速中小負荷的內部EGR效應，降低排放。同時減少泵氣損失，降低發動機油耗。但不利于高速時進氣量的提高，對大負荷性能造成損失。

2）進氣門開啟升程的大小，影響到缸內氣流的混合形態，進而影響燃燒速率。氣門升程的適當減小可以提高混合氣滾流比，但不利于額定功率的提高。

3）進排氣門重疊角的增加，可以降低泵氣損失，降低燃油消耗率，同時增加稀釋效應，減少排放，但不恰當的重疊角同樣可能造成燃油通過掃氣作用進入排氣系統，造成油耗惡化，或者影響額定點性能的進一步提高。

4）本文中提及的V1、V2兩個方案，在油耗上都已達到了最初設定的降低2.5%的目標值，美中不足的是油耗降幅較大的V1方案低速性能上的差距。任何一個方案的應用都需要針對特定的發動機狀態經過充分的標定和驗證，如針對本文中兩個方案，V1方案如減小進氣門開啟持續期，降低進氣稀釋效應，會使低速性能有進一步的提高；V2方案如將進氣相位推遲5～10°CA，減少燃油進入排氣系統的可能，對油耗也會有進一步的改善。

1周龍保.內燃機學［M］.北京：機械工業出版社，1999

2倪計民.汽車內燃機原理［M］.上海：同濟大學出版社，1998

3吳兆漢.內燃機設計［M］.北京：北京理工大學出版社，1990

A Study on Camshaft Optimization based on Reducing Fuel Consumption Object

Qiao Haibo1，2，Zhang Peng1，2，Park Jongnam1，2，Xi Yanli1，2，Sa Rula1，2，Shi Junming1，2
1-R&D Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，He Bei，071000，China）2-Automobile Engineering Technical Center of Hebei Province

Based on the fuel consumption regulations of our country，selecting a PFI turbo charged gasoline engine as the research object，we designed two new camshafts.In order to improve the combustion stability，the valve overlap at low load is reduced.The valve overlap at medium load increases to increase the EGR rate and pump loss and exhaust emission.At low speed high load，valve overlap increases to increase torque，and the overlap at high speed high load is reduced to ensure that the rated performance is enough. To determine the best plan，we need to take all these factors into consideration.

PFI，Turbo charge，Gasoline engine，Camshaft，Fuel consumption，Dynamic property

TK413.4+1

A

2095-8234（2016）03-0063-06

喬海波（1987-），男，助理工程師，主要研究方向為汽車發動機燃燒系統零部件設計研究及整機性能開發。

2016-03-15）