汽油机怠速燃烧稳定性试验研究

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）

引言

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。

1 试验概况

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

2 凸轮轴选取

2.1 不同方案凸轮轴对比

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。

2.2 不同方案凸轮轴差异分析

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。

3 ECU 参数优化

3.1 喷油相位优化

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。

3.2 点火提前角优化

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。

4 结论

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。