東風(fēng)1.4 L增壓直噴高性能汽油機開發(fā)

田寧 劉明濤 陳濤 王江濤 肖文濤

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

主題詞：發(fā)動機 缸內(nèi)直噴 增壓匹配 整機開發(fā)

1 前言

傳統(tǒng)汽油機動力總成是乘用車的主要動力來源，而小排量增壓直噴發(fā)動機作為近階段滿足油耗法規(guī)的關(guān)鍵技術(shù)途徑之一，成為各主機廠的產(chǎn)品開發(fā)方向。小排量增壓直噴發(fā)動機在保證發(fā)動機動力性前提下，可使發(fā)動機常用工況區(qū)域更接近其最佳經(jīng)濟區(qū)域，從而降低車輛工作時的燃油消耗，同時也具有相對良好的成本優(yōu)勢。近年來，汽油機增壓直噴技術(shù)發(fā)展非常迅速，使得小排量增壓直噴汽油機得到迅速普及[1-4]。目前，國內(nèi)外各大汽車公司正在開展增壓直噴發(fā)動機的開發(fā)和生產(chǎn)，部分機型（如大眾1.4 TSI、福特Ecoboost系列發(fā)動機等）在市場上占有較大份額，東風(fēng)汽車公司結(jié)合自主乘用車發(fā)展需求，開發(fā)了首款1.4 L增壓直噴發(fā)動機（下稱14TD），本文將對該發(fā)動機的主要技術(shù)特征及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

2 產(chǎn)品概述

14TD發(fā)動機結(jié)構(gòu)特點為直列4缸、四沖程、水冷、雙頂置凸輪軸、16氣門、正時鏈傳動，其主要性能參數(shù)見表1。

表1 14TD發(fā)動機主要性能參數(shù)

14TD發(fā)動機采用了渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、進(jìn)排氣可變氣門正時、輕量化及降摩擦設(shè)計等先進(jìn)技術(shù)，具有優(yōu)異的性能水平，與國外某1.4L增壓直噴發(fā)動機相比，該發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、NVH等性能指標(biāo)占據(jù)相當(dāng)優(yōu)勢，如表2所示。

3 燃燒系統(tǒng)開發(fā)

燃燒系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵是氣道、燃燒室、噴油器油束的合理設(shè)計匹配，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發(fā)，獲得了穩(wěn)定、高效、清潔的燃燒效果。并通過三維CFD流動仿真以及噴油器噴霧試驗，對缸內(nèi)氣體流動、混合氣形成和燃燒情況、噴油濕壁情況進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化，達(dá)到油-氣-室的合理匹配。最后對14TD發(fā)動機的進(jìn)氣道及燃燒室進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化，實現(xiàn)了高滾流比，使得缸內(nèi)油氣分布更均勻，湍動能更高。圖1為燃燒室優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，通過優(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)計校核。

表2 14TD發(fā)動機與國外某1.4 L增壓直噴發(fā)動機性能對比

圖1 燃燒室優(yōu)化設(shè)計過程

圖2 油束匹配設(shè)計校核

圖3為燃燒系統(tǒng)仿真分析中，缸內(nèi)滾流比發(fā)展過程及點火時刻缸內(nèi)湍動能分布情況。

圖3 燃燒系統(tǒng)仿真分析結(jié)果

通過光學(xué)發(fā)動機試驗，對比不同噴油器方案的噴霧效果，以確定用于熱力學(xué)開發(fā)的噴油器方案，圖4為光學(xué)發(fā)動機臺架及噴霧試驗結(jié)果。

圖4 光學(xué)發(fā)動機試驗

4 增壓系統(tǒng)開發(fā)

4.1 增壓器選型

基于14TD發(fā)動機性能目標(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算對比、增壓器與配氣相位聯(lián)合優(yōu)化等，以對增壓系統(tǒng)選型方案進(jìn)行確定。圖5為不同增壓器匹配方案，可基于開發(fā)目標(biāo)側(cè)重點不同（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)性能開發(fā)中的重點和難點，其難點主要表現(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，無法有效進(jìn)行相應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng)計算，而目前瞬態(tài)響應(yīng)性已經(jīng)成為開發(fā)中的重要參考指標(biāo)；另一方面，增壓發(fā)動機比自然吸氣發(fā)動機的模型協(xié)調(diào)控制更復(fù)雜，需要同時考慮排溫、爆震和BMEP的控制。因此前期增壓匹配主要針對發(fā)動機外特性目標(biāo)，在后續(xù)性能開發(fā)中需要對增壓壓力進(jìn)行有效控制，使增壓器在發(fā)動機全工況范圍內(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，主要針對增壓汽油機增壓壓力調(diào)節(jié)控制過程中出現(xiàn)的壓力波動和壓力不足等問題，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)合零部件驗證試驗確定了廢氣旁通閥彈簧剛度不足是引起上述問題的主要原因，通過廢氣旁通閥改進(jìn)設(shè)計有效解決了上述問題，使發(fā)動機扭矩、功率等性能達(dá)到了設(shè)計指標(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)壓力波動和壓力不足等問題的基礎(chǔ)上，基于增壓汽油機運行工況分布特點，在保證動力性的前提下，以燃油經(jīng)濟性為目標(biāo)，對增壓壓力全工況控制和調(diào)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。通過權(quán)衡發(fā)動機在全負(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，同時通過優(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)動機轉(zhuǎn)速）增壓壓力分布

5 NVH開發(fā)

由于增壓直噴汽油機缸內(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)動機的NVH性能成為開發(fā)過程中的關(guān)鍵問題之一。14TD發(fā)動機開發(fā)前期即同步開展NVH開發(fā)工作，首先定義發(fā)動機NVH目標(biāo)，包括輻射噪聲目標(biāo)、振動目標(biāo)、主要部件模態(tài)頻率等；在發(fā)動機設(shè)計階段，通過NVH仿真分析（包括模態(tài)分析、振動、結(jié)構(gòu)與空氣噪聲分析）評估設(shè)計方案的NVH性能；同時針對問題部件進(jìn)行NVH優(yōu)化設(shè)計與仿真分析驗證；最后，通過NVH試驗驗證整機NVH性能[6]。增壓直噴發(fā)動機NVH開發(fā)需要重點研究整機輻射噪聲、增壓系統(tǒng)噪聲優(yōu)化及直噴系統(tǒng)噪聲開發(fā)等。

5.1 整機輻射噪聲控制

建立了基于多體動力學(xué)和有限元相結(jié)合的整機振動仿真模型，對14TD發(fā)動機整機振動進(jìn)行了仿真預(yù)測，分析方法及流程如圖8所示。通過對整機表面振動計算結(jié)果的分析找出了該發(fā)動機的結(jié)構(gòu)弱點，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。運用邊界元法對該發(fā)動機優(yōu)化前、后整機輻射噪聲改善效果進(jìn)行了仿真預(yù)測，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輻射噪聲，如圖9所示。

圖9 14TD發(fā)動機整機輻射噪聲優(yōu)化前、后對比

5.2 增壓器噪聲控制

針對由于葉輪轉(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)動造成振動激勵而產(chǎn)生的次同步噪聲，對增壓器轉(zhuǎn)子的動平衡及轉(zhuǎn)子軸承間隙進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。改進(jìn)后發(fā)動機排氣側(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)計前、后增壓器噪聲

5.3 直噴系統(tǒng)NVH開發(fā)

在進(jìn)行直噴系統(tǒng)NVH開發(fā)時，首先通過主動降噪，即通過優(yōu)化高壓油泵柱塞的開啟關(guān)閉控制策略降低系統(tǒng)內(nèi)壓力波動，從而以減小激勵的方式實現(xiàn)降噪；其次采用被動降噪措施，通過增加油泵、油軌隔聲罩減少輻射噪聲，同時在高壓噴油系統(tǒng)和缸蓋接觸處采取隔振措施，減小振動激勵向缸蓋的傳遞。圖11為直噴系統(tǒng)噪聲傳遞路徑分析結(jié)果，通過聲源識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)動機頂端近場噪聲對比，通過實施上述改善措施，14TD發(fā)動機頂部近場噪聲在高頻段有3～5 dB(A)的改善效果。

圖12 直噴系統(tǒng)NVH改善前、后發(fā)動機頂部近場噪聲對比

通過以上NVH開發(fā)，14TD發(fā)動機NVH性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平（AVL數(shù)據(jù)帶下沿），圖13為NVH改進(jìn)前、后14TD發(fā)動機輻射噪聲試驗結(jié)果。

圖13 NVH改進(jìn)前、后14TD發(fā)動機輻射噪聲對比結(jié)果

6 標(biāo)定開發(fā)

相比進(jìn)氣道噴射，缸內(nèi)直噴易造成缸內(nèi)混合氣局部過濃和燃油濕壁問題，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)濟性及降低顆粒物排放，需對直噴系統(tǒng)多次噴射進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化，通過標(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減小機油稀釋風(fēng)險，如圖14和圖15所示。由表3可看出，通過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比

圖15 三次噴射與二次噴射顆粒物排放量對比

表3 多次噴射對顆粒物排放量影響分析

另外，通過對多次噴射控制策略優(yōu)化，擴大了理論空燃比下發(fā)動機運行工況區(qū)域，有效解決了該發(fā)動機搭載高質(zhì)量整車在WLTC循環(huán)工況空燃比進(jìn)入加濃區(qū)域的問題，如圖16所示。

圖16 多次噴射對發(fā)動機使用領(lǐng)域影響分析

7 結(jié)束語

對于增壓直噴發(fā)動機開發(fā)而言，燃燒系統(tǒng)及增壓系統(tǒng)開發(fā)尤為關(guān)鍵，同時NVH開發(fā)及標(biāo)定控制同樣需要重點關(guān)注。本文針對增壓直噴發(fā)動機特有的幾項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究，通過設(shè)計、仿真、試驗相結(jié)合的開發(fā)方式，解決了增壓直噴發(fā)動機特有的燃油濕壁、噴油系統(tǒng)噪聲、顆粒物排放超標(biāo)等重點難點問題，最終達(dá)到了14TD發(fā)動機的設(shè)計目標(biāo)。