自然吸氣發動機性能一致性影響因素分析

王 哲 李紅洲 翁中華 高正麗

（1-寧波吉利羅佑發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

產品的一致性是保證產品質量的重要手段，對于汽車來說更是如此。汽車產品的一致性直接影響汽車的安全性、動力性、經濟性和排放，與用戶的利益息息相關。為了提高汽車產品的一致性，保障用戶的利益，工業和信息化部頒布了《車輛生產企業及產品一致性監督管理辦法》。管理辦法中明確規定了車輛生產企業是生產一致性管理的責任主體，應當建立和完善生產一致性管理體系，保證車輛產品一致性，即保證實際生產銷售的車輛產品的有關技術參數、配置和性能指標，與《公告》批準的車輛產品、用于試驗的車輛樣品、產品《合格證》及出廠車輛上傳信息中的有關技術參數、配置和性能指標一致[1]。

對于傳統動力的汽車，其中的動力性、經濟性和排放的一致性直接取決于發動機的一致性，因此發動機產品的一致性是汽車一致性中最重要的一部分。為了保證發動機性能的一致性，我國在2001 年頒布的國標GB/T 18297—2001 中明確定義了量產發動機性能一致性的整體要求：標定功率不超過5%，最大轉矩不超過6%，外特性下的比油耗不超過4%[2]。為了應對環境保護的壓力，我國汽車的排放法規越來越嚴格，對排放的一致性要求也越來越高。我國在2016 年發布了國6 排放標準GB18352.6—2016，其中對一致性也做出了更嚴格的要求，國內汽車排放管理部門也加大了輕型汽車排放生產一致性檢查的管理，因此發動機產品的開發除了考慮型式核準要求以外，還要特別注意生產一致性檢查的要求[3]。

為此本文針對某款自然吸氣發動機性能一致性差的情況展開分析，首先通過理論分析找到影響性能一致性的可能因素。針對主要影響因素，在偏差范圍內挑選不同偏差的樣件，組裝不同的樣機進行臺架性能試驗。通過試驗分析不同偏差對發動機性能的影響程度，確定影響發動機性能一致性的主要因素。最后制定主要因素的控制措施和標準，提高發動機性能的一致性。

1 一致性影響因素分析

對于動力性，主要影響因素是發動機的進氣量、噴油量和點火提前角[4]。發動機進氣量的多少決定了做功工質的多少，也就決定了發動機做功能力的大小。在進氣量一定的時候，噴油量的多少決定了混合氣的濃度，直接影響缸內工質的多少和燃燒的快慢。點火時刻決定了燃燒時刻，直接影響燃燒做功的效率，在進氣量和噴油量一定的情況下決定了做功的多少。

影響經濟性的因素有很多，主要因素有燃燒、摩擦損失、壓縮比和傳熱損失[4]。燃燒包括燃燒時刻和燃燒速度，這2 者決定了燃燒效率，直接影響發動機的經濟性。摩擦損失主要由泵氣損失和機械損失組成，摩擦損失屬于無用功，越大發動機經濟性越差。壓縮比直接影響做功效率，在一定范圍內壓縮比越大效率越高，發動機經濟性越好，這也是目前發動機的壓縮比越來越高的原因。傳熱損失和摩擦損失一樣，傳熱損失越大發動機經濟性越差，并且還會導致發動機熱負荷增加，出現可靠性風險。

通過理論分析，找到影響自然吸氣發動機性能一致性的主要因素有以下幾點：

1）進氣的偏差，包括進氣量和進氣能量；

2）噴油量的偏差；

3）燃燒的偏差；

4）壓縮比的偏差；

5）摩擦損失的偏差；

6）傳熱損失的偏差。

對于自然吸氣發動機，影響進氣的主要因素有進氣管路、空氣濾清器、進氣歧管、進氣道和配氣相位，其中進氣管路、空氣濾清器和進氣歧管的制造偏差都很小，對一致性偏差影響很小，因此進氣偏差主要是由進氣道偏差和配氣相位偏差造成的。因為采用的是電子噴油器，噴油器的偏差比較小，并且大部分工況通過氧傳感器實現閉環控制，所以噴油量的偏差比較小。影響燃燒的因素有很多，進氣量的偏差、滾流比的偏差、壓縮比的偏差和點火的偏差是主要影響因素。因為機加工的精度高，造成的容積偏差很小，對壓縮比的影響也就很小。缸蓋底平面的燃燒室和活塞頂面燃燒室是鑄造生產的，燃燒室容積偏差較大，是造成壓縮比偏差的主要影響因素。對于摩擦損失，偏差主要是由摩擦副之間的間隙偏差造成的，比如配缸間隙和軸瓦間隙。傳熱損失的偏差取決于冷卻水流量的偏差和壁面換熱系數的偏差，主要是由水泵流量的偏差和水套鑄造的偏差造成的。

2 樣件檢測結果

圖1 是缸蓋進氣道測試數據統計結果，其中紅點是進氣道芯盒的數據，也就是進氣道設計的目標值。從氣道試驗數據統計結果來看，進氣道的滾流比和流量系數都有較大的偏差，滾流比的偏差更大一些。從這些缸蓋中挑選了一個接近目標值的高性能缸蓋和滾流比及流量系數都偏低的低性能缸蓋，通過3 維掃描得到缸蓋氣道和燃燒室的實際模型與3D 模型進行重合度比較，對比結果如圖2 所示，顏色越淺代表與3D 模型的重合度越高，偏差就越小，顏色越深代表與3D 模型的重合度越小，偏差也就越大。高性能缸蓋的實際模型與3D 模型的重合度很高，偏差??；而低性能缸蓋與3D 模型的重合度低，偏差較大。這也說明了影響氣道性能偏差的主要原因是鑄造砂型的位置偏差和形狀偏差。

圖3 是整機配氣相位測量結果，最大升程和設計值基本一樣，偏差很小，但進排氣相位和設計值有一定的偏差，在±5°CA 的偏差范圍內。

圖1 缸蓋進氣道測試數據統計

圖2 缸蓋實物掃描結果和3D 模型對比結果

圖3 實測配氣相位與目標值的對比結果

圖4 是壓縮比測量結果統計，偏差比較大，有的已經超過控制標準±0.2，壓縮比偏差大就造成了燃燒效率偏差大，是造成油耗偏差的主要原因。壓縮比往上偏時，在外特性工況點容易出現爆震，造成點火提前角退角偏大，造成動力性下降。

表1 是進氣歧管抽檢的試驗結果，從試驗結果來看，進氣管的均勻性比較好，偏差都在±3%以內，因此進氣歧管生產一致性控制得比較好。

3 臺架試驗結果

3.1 不同缸蓋對發動機性能的影響

圖4 壓縮比測量結果統計圖

為了研究缸蓋進氣道一致性對發動機性能一致性的影響，通過氣道試驗挑選了不同滾流比和流量系數的4 個缸蓋進行臺架性能試驗。對比試驗在同一臺發動機上進行，只更換缸蓋總成（缸蓋+進排氣氣門），其它部分保持不變。表2 是4 個缸蓋的進氣道試驗結果，其中1#和2#缸蓋的性能好一些，接近目標值。3#和4#缸蓋的性能差一些，特別是滾流比的偏差較大。

表1 進氣歧管流量系數抽檢結果

表2 不同缸蓋進氣道試驗結果

圖5 為不同缸蓋的外特性轉矩對比，從試驗結果來看，不同缸蓋對發動機的動力性影響比較大，流量系數對外特性的影響比較大，流量系數越高，節氣門全開的外特性工況進氣量越多，動力性也就越高。滾流比的偏差對發動機低速區域的動力性影響也比較大，這是因為滾流比越大缸內湍動能越高，燃燒速度越快，燃燒效率變高，動力性得到提升。同時低速區氣流速度慢，滾流比提升對湍動能提升的占比高，高速區本身氣流速度足夠快，湍動能比較高，滾流比帶來的湍動能提升效果不明顯，因此滾流比對低速區的動力性影響較大。

圖5 不同缸蓋的外特性扭矩對比

圖6 為不同缸蓋部分負荷油耗對比結果，試驗結果表明，不同缸蓋對發動機的經濟性影響比較大，特別是小負荷區域，氣道滾流比對缸內湍動能的影響比較大，從而對燃燒過程有很大的影響。滾流比越高，缸內混合氣的湍動能越大，混合氣燃燒速度越快，發動機經濟性越好。

3.2 不同配氣相位對發動機性能的影響

為了研究配氣相位偏差對發動機性能一致性的影響，做了一個相位偏差+5°CA 的凸輪軸。試驗在同一臺樣機上進行，只更換凸輪軸進行對比試驗。圖7和圖8 是對比試驗結果，從結果來看，相位偏差對發動機性能有明顯的影響，特別是動力性。相位的偏差直接影響發動機的進氣量和缸內殘余廢氣系數，因為是量產發動機，標定數據是凍結的，其它控制參數保持不變的條件下對發動機的性能影響較大。

圖6 不同缸蓋部分負荷比油耗對比

圖7 配氣相位偏差對動力性的影響

圖8 配氣相位偏差對經濟性的影響

3.3 不同壓縮比對發動機性能的影響

為了研究壓縮比偏差對發動機性能一致性的影響，通過調整活塞頂面燃燒室容積和缸墊的厚度實現了從小到大的4 種壓縮比方案，其它零部件保持不變。圖9 表示壓縮比偏差對動力性的影響，壓縮比小于目標值時，動力性沒有下降，壓縮比高于目標值時，動力性下降，壓縮比越大下降得越多。這是因為壓縮比增加，燃燒效率變高，出現了爆震，為了保護發動機不被破壞，控制系統推遲了點火提前角，如圖10 所示，造成動力性下降。壓縮比偏差對經濟性的影響如圖11 所示，隨著壓縮比的增加，經濟性變好。

圖9 壓縮比偏差對動力性的影響

圖10 壓縮比偏差對爆震退角的影響

圖11 壓縮比偏差對經濟性的影響

3.4 不同摩擦損失對發動機性能的影響

摩擦損失的偏差對動力性影響比較小，但對小負荷的油耗影響比較大，摩擦損失越大，油耗越高。如圖12 所示，004S 樣機的倒拖摩擦功比標定機大，2 000 r/m 時004S 樣機的倒拖轉矩為13.9 N·m，標定機為12.5 N·m，004S 樣機比標定高了1.4 N·m。從臺架性能試驗結果來看，2 000 r/m@0.2 MPa 004S 的油耗達到了387 g/（kW·h），比標定機的368 g/（kW·h）高了19 g/（kW·h），油耗偏差達到了5.2%，不滿足一致性要求。

圖12 倒拖摩擦功對比

4 提升一致性的控制措施

通過前面的理論分析和試驗驗證，確定了影響自然吸氣發動機性能一致性的主要因素有以下4 個方面：

1）缸蓋進氣道性能；

2）實際配氣相位；

3）壓縮比；

4）摩擦損失。

根據排查結果，兼顧措施可實施性和成本，制定了提高發動機性能一致性控制措施，主要控制內容和目標如表3 所示。

通過上面的控制標準組裝了3 臺樣機，動力性結果如圖13 所示，偏差都控制在標準范圍之內，并且動力性都向增大偏移，這說明控制措施是有效的。

5 結論

1）影響自然吸氣發動機性能一致性的主要因素有：缸蓋進氣道性能偏差、壓縮比偏差、配氣相位偏差和倒拖摩擦功偏差。這些因素中缸蓋進氣道性能偏差和壓縮比的偏差比較大，對性能的影響也是最大的。

表3 提高性能一致性的控制措施

圖13 按控制標準組裝樣機的動力性結果

2）目前機加工的精度比較高，影響氣道性能偏差的主要原因是鑄造砂型的位置偏差和形狀偏差。缸蓋底平面的燃燒室和活塞頂面燃燒室是鑄造產生的，燃燒室容積偏差較大，這是造成壓縮比偏差的主要影響因素。

3）根據排查結果，制定了提高發動機性能一致性的控制措施，按照控制措施組裝樣機的性能偏差滿足控制標準，證明一致性控制措施是有效的。