高尚志 孙晓东 唐立超 尹建东 沈 源
(1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利动力总成有限公司)
发动机怠速工况是指发动机无负荷运转状态,发动机的怠速性能对发动机油耗、排放以及NVH 都有较大影响[1]。因此,发动机的怠速性能是评价发动机性能的重要指标。怠速的燃烧稳定性对整车的性能有很大影响。怠速转速、喷油时刻、喷油压力、点火提前角等参数对发动机怠速控制有一定影响[2]。本文通过优化发动机硬件以及ECU 电控参数、发动机怠速转速,进而降低发动机油耗和排放以及改善NVH 性能[3]。
本文选用一款小型增压发动机,根据台架试验结果,对发动机凸轮轴进行选型。在不同发动机怠速转速下,通过控制发动机喷油相位以及点火提前角,使怠速稳定性达到最佳。使用平均指示压力标准差、平均指示压力循环最小公称值作为怠速稳定性评价指标。
试验中,通过凸轮轴选型,优化进排气以及缸内燃烧过程,降低怠速工况油耗,增大发动机怠速转矩储备[4],提高怠速燃烧稳定性。
试验装置包括一款3 缸增压发动机、发动机所有附件、台架试验数据采集传感器、AVL260 电力测功机、AVL 燃烧分析仪、KISTLER 火花塞式气缸压力传感器等。
试验用3 缸1.0 L 增压发动机的技术参数见表1。
表1 发动机技术参数
发动机热怠速稳定性影响因素很多,其中发动机凸轮不同型线和包角影响进气门开启时刻以及充气效率[5]。本文选取4 款凸轮轴,凸轮型线分别为基础方案和优化方案A、B、C,图1、图2、图3 分别为优化方案A、B、C 与基础方案凸轮型线对比图。
图1 优化方案A 和基础方案凸轮型线对比
由图1~图3 可知,方案A 的进排气凸轮型线包角比基础方案大;方案B 的排气凸轮型线与基础方案相同,进气凸轮型线包角比基础方案大;方案C 的进气凸轮型线包角及升程与基础方案相同,进气门开启时刻比基础方案早,排气凸轮型线包角比基础方案大。
图2 优化方案B 和基础方案凸轮型线对比
图3 优化方案C 和基础方案凸轮型线对比
发动机选取不同凸轮轴后,怠速稳定性的评价指标为:平均指示压力标准差IMEPstd≤0.1,平均指示压力循环最小公称值IMEPlnv≥75。
IMEPstd与IMEPlnv的计算公式分别为:
式中:Vd为气缸工作容积,L;p 为气缸压力,kPa;IMEP 为平均指示压力,kPa;IMEPi为第i 缸的平均指示压力,kPa;IMEPavg为平均指示压力的平均值,kPa;IMEPmin为最小平均指示压力,kPa;N 为气缸数。
图4 为不同方案的平均指示压力标准差,图5为不同方案的平均指示压力循环最小称值。
图4 不同方案的IMEPstd
图5 不同方案的IMEPlnv
由图4 和图5 可知,使用方案B 凸轮轴,发动机在850 r/min 怠速运行,测试发动机200 循环各缸的燃烧数据:各缸IMEPstd均较小,IMEPlnv均较大,故选取方案B 凸轮轴为最优方案凸轮轴。
图6 为优化方案B 和基础方案对比。
图6 优化方案B 和基础方案对比
从图6 可以看出,基础方案的排气凸轮轴型线与优化方案B 相同,但发动机进气门开启时刻更晚。在进气行程,活塞下行,进气门开启时刻过晚,会造成排气倒吸,在燃烧室存在部分残余废气,导致发动机燃烧不稳定,循环波动变大。
图7 为优化方案B 和优化方案A 对比。
图7 优化方案B 和优化方案A 对比
从图7 可以看出,相对于优化方案B,优化方案A 的进气门开启时刻更早,排气门关闭时刻更晚。更大的气门重叠角会形成内部EGR,发动机燃烧不稳定,IMEPstd变大,IMEPlnv变小。
图8 为优化方案B 和优化方案C 对比。
图8 优化方案B 和优化方案C 对比
从图8 可以看出,优化方案B 的排气凸轮轴和优化方案C 相同。而优化方案B 在进气门开启时,排气门约有0.5 mm 的开度,此时活塞下行,部分废气从排气道回流。因此,优化方案B 的怠速燃烧稳定性优于优化方案C。
固定发动机怠速转速、负荷、点火提前角。通过改变发动机喷油相位,测试发动机怠速稳定性。
图9 为不同喷油结束角度的IMEPstd,图10 为不同喷油结束角度的IMEPlnv。
图9 不同喷油结束角度的IMEPstd
图10 不同喷油结束角度的IMEPlnv
从图9 和图10 可以看出,保持其他参数不变,随着喷油结束角度增大,IMEPstd呈现先减小后增加的趋势,IMEPlnv呈现先增大后减小的趋势。喷油结束角度过小,会导致更多的燃油附着到歧管和气道,每循环进入燃烧室的燃油量有差异,燃烧循环波动增加。喷油结束角度过大,会造成混合气混合不充分,燃烧循环波动变大。喷油结束角度为300°CA BTDC时,IMEPstd最小,IMEPlnv最大。因此,选取300°CA BTDC为最佳喷油结束角度。
图11 为不同点火提前角的IMEPstd,图12 为不同点火提前角的IMEPlnv。
图11 不同点火提前角的IMEPstd
图12 不同点火提前角的IMEPlnv
从图11 和图12 可以看出,随着点火角的减小,缸内燃烧速度变慢,循环波动变大。IMEPstd随着点火提前角的减小而增大,IMEPlnv随着点火提前角的减小而减小。为了使发动机怠速转矩储备更大,选取点火提前角为-6°CA BTDC。通过对不同转速下的IMEPstd和IMEPlnv进行对比,考虑发动机怠速油耗,选取850 r/min 为最优怠速转速。
1)在进气上止点,进气门开启后,排气门尽量早关,防止废气回流导致怠速燃烧稳定性变差。
2)在进气上止点,排气门还未完全关闭,进气门适当早开,有利于怠速稳定性。但是进气门过早开启,会导致气门重叠角过大,增加了内部EGR,燃烧稳定性变差。
3)过小或者过大的喷油相位都会导致怠速燃烧稳定性变差,为了获得更大的转矩储备,保证燃烧稳定性在标准范围内的前提下,点火提前角要尽量减小。