V型六缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)發(fā)

王占峰，閆　濤，劉金玉

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林　長(zhǎng)春　130011）

Wang Zhanfeng，Yan Tao，Liu Jinyu

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V型六缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)發(fā)

王占峰，閆濤，劉金玉

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林長(zhǎng)春130011）

Wang Zhanfeng，Yan Tao，Liu Jinyu

摘要：應(yīng)用先進(jìn)科學(xué)的性能開(kāi)發(fā)方法自主開(kāi)發(fā)了一款V型六缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，主要包括動(dòng)力性能開(kāi)發(fā)、燃油經(jīng)濟(jì)性能開(kāi)發(fā)、怠速性能開(kāi)發(fā)和冷態(tài)啟動(dòng)開(kāi)發(fā)及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，為未來(lái)高端汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：V型六缸；發(fā)動(dòng)機(jī)；性能

1　概　要

為了滿足人們對(duì)高端乘用車的需求，全新開(kāi)發(fā)了一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。此發(fā)動(dòng)機(jī)為V型六缸汽油機(jī)，排量為2.5L。此款發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理念是希望具有澎湃動(dòng)力并節(jié)能環(huán)保，所以在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中從節(jié)能環(huán)保技術(shù)、輕量化設(shè)計(jì)、振動(dòng)噪聲水平和強(qiáng)勁的動(dòng)力4個(gè)方面進(jìn)行了重點(diǎn)關(guān)注，并最終實(shí)現(xiàn)4個(gè)方面的完美平衡。文中重點(diǎn)介紹V型六缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中科學(xué)的性能開(kāi)發(fā)流程及科學(xué)的試驗(yàn)分析方法。

2　性能開(kāi)發(fā)目標(biāo)

根據(jù)乘用車平臺(tái)的動(dòng)力匹配要求，考慮到環(huán)保與節(jié)能是當(dāng)今車用動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的2個(gè)主要著眼點(diǎn)，確定了滿足國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)具有國(guó)Ⅴ排放潛力的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率和扭矩指標(biāo)具有競(jìng)爭(zhēng)力，主要技術(shù)參數(shù)與開(kāi)發(fā)目標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　V型六缸發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)目標(biāo)

3　V型發(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)發(fā)流程

發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)要具有完備的開(kāi)發(fā)流程，對(duì)于性能開(kāi)發(fā)也是如此。圖1為V型六缸汽油機(jī)性能開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)易流程，性能開(kāi)發(fā)工作的各種開(kāi)發(fā)方案都來(lái)自于性能設(shè)計(jì)所推薦的各種方案。性能開(kāi)發(fā)一般以進(jìn)氣歧管開(kāi)發(fā)作為始點(diǎn)，在進(jìn)氣歧管開(kāi)發(fā)中包含外特性試驗(yàn)、怠速試驗(yàn)、冷態(tài)啟動(dòng)試驗(yàn)、評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，如果這些試驗(yàn)沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)要求，需要重新進(jìn)行進(jìn)氣歧管試驗(yàn)開(kāi)發(fā)。完成進(jìn)氣歧管開(kāi)發(fā)工作后，進(jìn)行凸輪軸的選型試驗(yàn)和壓縮比的選型試驗(yàn)，如果經(jīng)過(guò)這些試驗(yàn)之后仍然沒(méi)有達(dá)到要求，就需要重新進(jìn)行性能設(shè)計(jì)。

圖1　V型六缸發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)流程

4　性能開(kāi)發(fā)方案

4.1一維熱力學(xué)模擬計(jì)算

在V型發(fā)動(dòng)機(jī)概念設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用一維熱力學(xué)計(jì)算軟件GT-Power，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣管系、凸輪型線升程和相位運(yùn)用DOE（Design of Experiment，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）計(jì)算方法進(jìn)行綜合優(yōu)化，最終給出換氣過(guò)程的設(shè)計(jì)方案，圖2為模擬計(jì)算DOE，圖3為換氣過(guò)程給出的設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖2　DOE性能開(kāi)發(fā)示意圖

通過(guò)熱力學(xué)模擬計(jì)算分析，確定進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)型式為可變?nèi)莘e腔式。通過(guò)改變進(jìn)氣歧管容積腔容積大小，可以改變進(jìn)氣腔內(nèi)的諧振效應(yīng)，從而改變壓力波曲線，明顯地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

圖3　性能設(shè)計(jì)推薦方案

4.2試驗(yàn)方案的確定

在性能開(kāi)發(fā)試驗(yàn)之前，進(jìn)行詳細(xì)的性能開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)，根據(jù)不同進(jìn)氣歧管、凸輪軸、排氣管、壓縮比方案依據(jù)性能開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行詳盡的開(kāi)發(fā)方案策劃，所有的性能開(kāi)發(fā)嚴(yán)格依據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行，圖4為性能開(kāi)發(fā)方案示意圖。

圖4　性能開(kāi)發(fā)方案

5　性能開(kāi)發(fā)試驗(yàn)臺(tái)架準(zhǔn)備

V型發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)嚴(yán)格按照依托整車、服務(wù)整車的理念進(jìn)行，所有的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)臺(tái)架布置形式按照整車要求進(jìn)行開(kāi)發(fā)，所有測(cè)量傳感器的布點(diǎn)嚴(yán)格按照?qǐng)D5進(jìn)行。

圖5　傳感器布點(diǎn)示意圖

圖6為性能開(kāi)發(fā)試驗(yàn)臺(tái)架，在整個(gè)性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了分析發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒情況，同時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震情況，為每一個(gè)氣缸安裝了缸內(nèi)壓力傳感器；為了精確分析換氣過(guò)程，對(duì)進(jìn)、排氣壓力波進(jìn)行測(cè)試分析，這為性能開(kāi)發(fā)及分析提供了詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖6　V型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

6　性能開(kāi)發(fā)及結(jié)果分析

由于此V型六缸汽油機(jī)是一款進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射、帶有進(jìn)、排氣VVT（Variable Valve Timing，可變氣門(mén)正時(shí)）并具有可變?nèi)莘e腔進(jìn)氣歧管的高端汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其開(kāi)發(fā)的控制變量比較多，所以科學(xué)、省時(shí)的試驗(yàn)方法是保證快速、準(zhǔn)確性能開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，因此性能試驗(yàn)開(kāi)發(fā)按照先進(jìn)的DOE試驗(yàn)方法進(jìn)行。

6.1外特性性能及結(jié)果分析

在性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要對(duì)空燃比、點(diǎn)火提前角、噴油時(shí)刻、VVT及可變?nèi)莘e腔進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。VVT優(yōu)化是參數(shù)優(yōu)化的重點(diǎn)，雙VVT調(diào)整對(duì)于性能影響非常大。由于此V型六缸發(fā)動(dòng)機(jī)使用進(jìn)、排氣VVT，為了保證試驗(yàn)科學(xué)、省時(shí)，運(yùn)用DOE試驗(yàn)方法進(jìn)行進(jìn)、排氣相位優(yōu)化試驗(yàn)。具體的DOE試驗(yàn)點(diǎn)布點(diǎn)采用正交因子試驗(yàn)方法，每個(gè)優(yōu)化的試驗(yàn)工作點(diǎn)都按照此試驗(yàn)方法進(jìn)行，如圖7所示。每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)利用采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可找到比較優(yōu)化的相位及性能，如圖8所示。

圖7　DOE試驗(yàn)點(diǎn)

利用DOE試驗(yàn)方法，優(yōu)化出最終的外特性性能，如圖9所示。圖中顯示的為最終外特性性能結(jié)果與其他對(duì)標(biāo)機(jī)型的對(duì)比，圖中三角標(biāo)記曲線為V型六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的最終外特性性能曲線，其余曲線為對(duì)標(biāo)機(jī)型的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，V型六缸發(fā)動(dòng)機(jī)不但滿足設(shè)定的性能目標(biāo)要求，而且在中、低速段扭矩比對(duì)標(biāo)機(jī)型高出很多。在高轉(zhuǎn)速范圍及額定功率點(diǎn)V型六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的性能突出，具有競(jìng)爭(zhēng)力。

圖8　各個(gè)轉(zhuǎn)速優(yōu)化結(jié)果圖

圖9　外特性試驗(yàn)結(jié)果

6.2燃油經(jīng)濟(jì)性能開(kāi)發(fā)及結(jié)果分析

隨著國(guó)家法規(guī)對(duì)乘用車油耗的限制越來(lái)越嚴(yán)格，在性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中要充分考慮燃油經(jīng)濟(jì)性能。本次性能開(kāi)發(fā)工作嚴(yán)格按照依托整車、服務(wù)整車的理念進(jìn)行，因此發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工況點(diǎn)主要通過(guò)整車部門(mén)根據(jù)NEDC（New European Driving Cycle）循環(huán)工況的計(jì)算結(jié)果確認(rèn)。圖10為整車NEDC循環(huán)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的計(jì)算結(jié)果，圖中圓圈為發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工況點(diǎn)位置，圓圈的大小為這個(gè)工況點(diǎn)出現(xiàn)的概率大小，圓圈越大，說(shuō)明這個(gè)工況點(diǎn)出現(xiàn)的概率越大，反之越小。部分負(fù)荷主要的優(yōu)化過(guò)程同樣采用DOE試驗(yàn)方法，在進(jìn)行這些點(diǎn)的優(yōu)化時(shí)，主要控制發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力的波動(dòng)率小于某個(gè)數(shù)值。這里主要介紹部分負(fù)荷中2000r/min、200kPa的試驗(yàn)結(jié)果。

圖10　NEDC循環(huán)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況

圖11為發(fā)動(dòng)機(jī)在2000r/min、200kPa下的試驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗隨著進(jìn)、排氣重疊角的加大而減少，主要是由于隨著氣門(mén)重疊角的加大發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失減少。但是更大的氣門(mén)重疊角會(huì)增加缸內(nèi)的殘余廢氣量，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性。從圖中可以看出此V型六缸汽油機(jī)在2000r/min、200kPa下的最低比油耗為376g/(kW×h)。

圖11　2000r/min、200kPa試驗(yàn)結(jié)果

圖12為此V型六缸發(fā)動(dòng)機(jī)2000r/min、200kPa的比油耗在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中的位置，從圖中可以看出，此V型六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗處于很低的水平。

圖12　2000r/min、200kPa對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)

6.3怠速性能開(kāi)發(fā)及結(jié)果分析

對(duì)于一款高端汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速的穩(wěn)定性能尤為重要。完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況的開(kāi)發(fā)工作后，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速工況進(jìn)行試驗(yàn)開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)。圖13為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速性能試驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看出，平均指示壓力的波動(dòng)率非常小，這表明發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的燃燒狀態(tài)，沒(méi)有部分燃燒或者失火；由于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火通常是在上止點(diǎn)前10～20°CA范圍內(nèi)，在這個(gè)點(diǎn)火角范圍內(nèi)，平均指示壓力的波動(dòng)率很小，此V型六缸汽油機(jī)具備很好的怠速性能。

圖13　怠速試驗(yàn)結(jié)果

6.4冷態(tài)啟動(dòng)性能開(kāi)發(fā)及結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的冷態(tài)啟動(dòng)性能影響著整車排放水平，所以在性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)狀態(tài)對(duì)排放的影響。圖14為V型六缸汽油機(jī)冷啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，從結(jié)果中看，此V型六缸汽油機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程HC排放物處于比較高的水平，需要在進(jìn)一步的性能開(kāi)發(fā)試驗(yàn)中解決，而排氣能量處于中等水平，這對(duì)于冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中催化器快速起燃非常有利。

圖14　冷啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

7　性能開(kāi)發(fā)結(jié)論

V型六缸汽油機(jī)與其他汽油機(jī)相比，外特性性能能夠達(dá)到目標(biāo)要求，且與對(duì)標(biāo)機(jī)型相比具有競(jìng)爭(zhēng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)的部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性能與對(duì)標(biāo)機(jī)型相比同樣具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)怠速性能好。此發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)HC排放水平較高，需要在進(jìn)一步的性能開(kāi)發(fā)中解決，其排氣能量處于中等水平。

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收稿日期：2015-11-18

文章編號(hào)：1002-4581（2016）02-0012-06

中圖分類號(hào)：U464.171

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.004