汽油機(jī)怠速燃燒穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

高尚志 孫曉東 唐立超 尹建東 沈 源

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動(dòng)力總成有限公司）

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況是指發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、排放以及NVH 都有較大影響[1]。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速性能是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)。怠速的燃燒穩(wěn)定性對(duì)整車(chē)的性能有很大影響。怠速轉(zhuǎn)速、噴油時(shí)刻、噴油壓力、點(diǎn)火提前角等參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制有一定影響[2]。本文通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)硬件以及ECU 電控參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速，進(jìn)而降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸進(jìn)行選型。在不同發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速下，通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴油相位以及點(diǎn)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(chēng)值作為怠速穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)中，通過(guò)凸輪軸選型，優(yōu)化進(jìn)排氣以及缸內(nèi)燃燒過(guò)程，降低怠速工況油耗，增大發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備[4]，提高怠速燃燒穩(wěn)定性。

試驗(yàn)裝置包括一款3 缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)所有附件、臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集傳感器、AVL260 電力測(cè)功機(jī)、AVL 燃燒分析儀、KISTLER 火花塞式氣缸壓力傳感器等。

試驗(yàn)用3 缸1.0 L 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 凸輪軸選取

2.1 不同方案凸輪軸對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)熱怠速穩(wěn)定性影響因素很多，其中發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪不同型線(xiàn)和包角影響進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻以及充氣效率[5]。本文選取4 款凸輪軸，凸輪型線(xiàn)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(xiàn)對(duì)比圖。

圖1 優(yōu)化方案A 和基礎(chǔ)方案凸輪型線(xiàn)對(duì)比

由圖1～圖3 可知，方案A 的進(jìn)排氣凸輪型線(xiàn)包角比基礎(chǔ)方案大；方案B 的排氣凸輪型線(xiàn)與基礎(chǔ)方案相同，進(jìn)氣凸輪型線(xiàn)包角比基礎(chǔ)方案大；方案C 的進(jìn)氣凸輪型線(xiàn)包角及升程與基礎(chǔ)方案相同，進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻比基礎(chǔ)方案早，排氣凸輪型線(xiàn)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(xiàn)對(duì)比

圖3 優(yōu)化方案C 和基礎(chǔ)方案凸輪型線(xiàn)對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)選取不同凸輪軸后，怠速穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)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(chēng)值IMEPlnv≥75。

IMEPstd與IMEPlnv的計(jì)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(chēng)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(dòng)機(jī)在850 r/min 怠速運(yùn)行，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)比。

圖6 優(yōu)化方案B 和基礎(chǔ)方案對(duì)比

從圖6 可以看出，基礎(chǔ)方案的排氣凸輪軸型線(xiàn)與優(yōu)化方案B 相同，但發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻更晚。在進(jìn)氣行程，活塞下行，進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻過(guò)晚，會(huì)造成排氣倒吸，在燃燒室存在部分殘余廢氣，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定，循環(huán)波動(dòng)變大。

圖7 為優(yōu)化方案B 和優(yōu)化方案A 對(duì)比。

圖7 優(yōu)化方案B 和優(yōu)化方案A 對(duì)比

從圖7 可以看出，相對(duì)于優(yōu)化方案B，優(yōu)化方案A 的進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻更早，排氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻更晚。更大的氣門(mén)重疊角會(huì)形成內(nèi)部EGR，發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)比。

圖8 優(yōu)化方案B 和優(yōu)化方案C 對(duì)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(mén)開(kāi)啟時(shí)，排氣門(mén)約有0.5 mm 的開(kāi)度，此時(shí)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?xún)?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(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、點(diǎn)火提前角。通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)噴油相位，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)，IMEPlnv呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。噴油結(jié)束角度過(guò)小，會(huì)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(dòng)增加。噴油結(jié)束角度過(guò)大，會(huì)造成混合氣混合不充分，燃燒循環(huán)波動(dòng)變大。噴油結(jié)束角度為300°CA BTDC時(shí)，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(diǎn)火提前角優(yōu)化

圖11 為不同點(diǎn)火提前角的IMEPstd，圖12 為不同點(diǎn)火提前角的IMEPlnv。

圖11 不同點(diǎn)火提前角的IMEPstd

圖12 不同點(diǎn)火提前角的IMEPlnv

從圖11 和圖12 可以看出，隨著點(diǎn)火角的減小，缸內(nèi)燃燒速度變慢，循環(huán)波動(dòng)變大。IMEPstd隨著點(diǎn)火提前角的減小而增大，IMEPlnv隨著點(diǎn)火提前角的減小而減小。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備更大，選取點(diǎn)火提前角為-6°CA BTDC。通過(guò)對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的IMEPstd和IMEPlnv進(jìn)行對(duì)比，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)，進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟后，排氣門(mén)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(diǎn)，排氣門(mén)還未完全關(guān)閉，進(jìn)氣門(mén)適當(dāng)早開(kāi)，有利于怠速穩(wěn)定性。但是進(jìn)氣門(mén)過(guò)早開(kāi)啟，會(huì)導(dǎo)致氣門(mén)重疊角過(guò)大，增加了內(nèi)部EGR，燃燒穩(wěn)定性變差。

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