1 轿车用机械增压式汽油发动机性能改进 邱宇 1, 许敏 1*, 王振侃 1, 陈龙华 1 1, 王森 1. 上海交通大学汽车工程研究院, 上海市 摘要本文通过实验和数值模拟两种方法对一款轿车用机械增压式汽油发动机的性能进行了优化工作 进气增压度由机械增压器旁通阀控制, 为了研究旁通阀开度对燃油经济性的影响, 设计了旁通阀手动控制装置, 将旁通阀由原机通过真空度自动调节改为手动控制 通过实验发现同一工况下增压器旁通阀开度的变化对发动机燃油消耗率有较大影响 通过优化旁通阀开度, 使实验发动机获得了更好的燃油经济性 同时利用 AVL-Boost 软件建立发动机热力学模型, 通过仿真计算分析研究了进排气歧管几何尺寸 配气正时和气门升程等参数对发动机动力性的影响, 进而提出改进建议 关键词 : 汽油机, 机械增压器, 旁通阀开度, 发动机性能优化, 发动机热力学模型 1 引言 机械增压是发动机增压方式的一种, 和另一种比较常见的发动机增压方式 废气涡轮增压相比, 其瞬时相应特性, 低速动力特性, 冷却条件, 润滑条件和废气排放等方面均有较大的优势 [1] 目前国内对机械增压发动机的研究并不是很多 [2] 本文将对安装有 Eaton M62 机械增压器的 GM LSJ 2.L 汽油发动机进行改进, 目的是通过机械增压器与发动机最优化提高该发动机的燃油经济性和动力性, 为其他同类型机械增压汽油机的优化提供参考 此款发动机的增压器带有旁通阀结构 新鲜空气通过节气门后, 一部分空气经过增压器增压后进入进气歧管, 另一部空气由旁通阀直接进入进气歧管 故旁通阀可以在部分负荷工况下使部分空气不经过增压器而直接进入进气歧管, 以减少增压器所造成的能量损失 机械增压器旁通阀在不同发动机运行工况下存在最佳开度, 因此需要研究旁通阀开度对发动机燃油经济性的影响 另外, 进气歧管 排气歧管 配气正时和气门升程等相关参数对发动机动力性有较大影响, 本文利用可以计算发动机热力循环和气体交换的 AVL Boost 软件建立了发动机热力学模型, 计算研究了上述各个参数对发动机动力性的影响, 进而提出综合改进方案 这样通过实验和仿真两种方法提出了对机械增压式汽油发动机燃油经济性和动力性的改进方法和建议 2.1 实验装置和台架实验方法 实验台架中, 测功机是洛阳南峰机电设备制造有限公司生产的 CW 型电涡流测功机, 测功系统为南峰 FST2C 系统 其他实验设备还包括储油箱 排气通风等发动机台架必需的设备 实验过程中, 首先需要进行原机的外特性及万有特性实验 原机旁通阀开度是由真空控制阀根据机械增压器进气口和进气歧管之间的压力差自动控制的 为了在实验中实现改变旁通阀的开度以达到优化燃油经济性的目的, 必须设计一种手动控制旁通阀开度的方法 控制端采用了一种油门驱动单元, 其基本原理就是根据电压值的不同, 可以操控油门执行器摇臂摆动不同的角度 旋动旋钮即可以实现电压值的改变, 旁通阀开度与电压值一一对应 整个控制途径如图 1 所示 实验过程中, 通过读出驱动单元指示表中的读数, 便可以得到旁通阀的开度 2 实验部分 本实验的主要目的是通过优化机械增压器旁通阀的开度来达到改善发动机燃油经济性的目的 图 1 旁通阀控制方法 * 许敏, 上海市闵行区东川路 8 号,,Email: mxu@sjtu.edu.cn
2.2 旁通阀开度对燃油消耗率的影响 发动机低负荷运行时, 并不要求高扭矩的输出, 而机械增压器工作要消耗部分发动机功率 此时如果将全部空气仍然通过机械增压器增压后再进入气缸, 将会使增压器在不需要工作时仍在消耗发动机的功率, 这会造成没有必要的功率损失 旁通阀可以很好地解决这个问题, 在低负荷不需要增压时, 旁通阀会全部或者部分开启, 使得全部或者部分进气通过旁通阀直接进入进气歧管而不经过增压器, 这样就可以减小增压器压缩空气的量甚至是不工作, 从而就会减少发动机的功率损失 在全负荷需要高扭矩输出的时候, 旁通阀全关, 进气全部流经增压器进行增压, 也不会影响增压器的正常工作 本文将通过一组实验说明旁通阀开度值对发动机燃油经济性的影响 该实验的主要思路是在转速一定和负荷一定时, 调节旁通阀的开度, 测量并记录发动机燃油消耗率的值, 从中找出燃油消耗率在不同的旁通阀开度时的变化规律 实验中以进气歧管绝对压力表示负荷大小 基于这个思路, 实验在进气歧管绝对压力为 1kPa 转速分别为 1rpm rpm 4rpm 和 时进行了 4 组实验, 实验结果如图 2(a)~(d) 所示 图中点划线表示原机旁通阀的开度 294 292 288 286 284 282 278 276 1rpm 1kPa 5 1 15 2 25 285 284 283 282 281 279 278 277 276 275 271 (a) 4rpm 1kPa 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 34 (c) 275 271 269 268 267 266 264 263 262 261 335 334 333 332 331 33 329 328 327 326 325 324 323 322 321 32 rpm 1kPa 5 1 15 2 25 3 (b) 1kPa 3 32 34 36 38 4 42 44 46 48 5 52 (d) 图 2 旁通阀开度对燃油消耗率的影响 从图中可以看出, 在原机旁通阀开度的基础上, 减小开度, 燃油消耗率均呈上升趋势 ; 增大旁通阀开度, 则不论发动机处于何种运转速度下, 总存在一个开度值, 燃油消耗率在此开度值下降到最低 当旁通阀开度继续增大, 燃油消耗率又继续上升 2.3 燃油消耗率优化实验 燃油消耗率优化实验的目的是寻找在一定的转速和负荷下最低燃油消耗率 改变旁通阀开度会影响发动机燃油消耗率 以等分进气歧管绝对压力万有特性实验为基础, 以原机旁通阀开度为中心, 向增加开度和减小开度两个方向上分别调节旁通阀的开度, 测量并记录发动机的燃油消耗率 在同转速同负荷的情况下, 改变一组旁通阀开度值, 从中可找到一个燃油消耗率的最小值 该最小值所对应的旁通阀开度, 就是增压器旁通阀的最优开度 将在优化的旁通阀开度下所得到的燃油消耗率和原机燃油消耗率万有特性进行对比, 结果如图 3 所示 图中实线为原机等分进气歧管压力万有特性曲线, 虚线为在旁通阀优化开度下获得的万有特性曲线 由图可见, 优化旁通阀开度后, 低油耗区域面积大幅度增加 由此可以看出优化增压器旁通阀开度, 可以较大程度降低发动机的燃油消耗率, 提高经济性 Intake manifold absolute pressure (kpa) 13 11 9 7 79 88 287 32 5 1 4 5 6 Engine speed (RPM) 339 31 311 32 图 3 旁通阀开度对燃油消耗率万有特性的影响 3 仿真部分 Baseline Optimized 313 328 仿真部分的主要工作是通过建立发动机的热力 [3] 学模型并在该模型中改变发动机的部分参数来实现对发动机动力性的提高 389
3.1 发动机热力学模型的建立及验证 本文利用 AVL Boost 软件建立发动机热力学模型 该模型主要由进气系统 气缸和排气系统三大部分组成 进气系统主要包括节气门 机械增压器 中冷器 稳压腔 进气歧管和外接管等模块 排气系统主要有排气歧管 分支接头 总管和流动约束等组成 这些部分均可以在 Boost 中找到相应的模块来代表 该模型如图 4 所示 图 4 实验发动机热力学模型 将计算所得的扭矩特性 功率特性和燃油消耗率特性分别和实验发动机的扭矩 功率 燃油消耗率外特性曲线相比较, 结果如图 5 所示 1 Measured Calculated 41 39 37 35 33 1 35 4 45 5 55 6 65 图 5 发动机热力学模型验证 Measured Calculated 通过比较可以发现, 模型通过仿真计算所得到的扭矩 功率 燃油消耗率曲线很好地反映了实验发动机的外特性变化规律, 变化趋势完全相同 而且模型各转速点的扭矩 功率 燃油消耗率的值同实验所测得的值相差很小 因此可以认为该模型的准确度足以进行下一步的研究工作 3.2 不同参数对发动机动力性影响 发动机性能的控制参数还有很多, 如进排气系统 配气正时和气门升程等 基于不同的设计理念, 这些参数将有不同的搭配组合, 需在较大取值范围内对各参数进行优化分析, 无法完全依赖于实验开发 本文将利用上一节所建立的模型, 在充分宽广的实际可能范围内, 考察进排气歧管几何尺寸 配气正时和气门升程等参数对发动机动力性的影响 (1) 进气歧管本文主要研究了进气歧管的长度 直径对发动机动力性的影响 将发动机进气歧管长度由比原机短 5mm 变化到比原机长 8mm, 每 1mm 计算一次, 结果如图 6 所示 图中线为进气歧管长度缩短 5mm 时的扭矩曲线, 线为进气歧管长度延长 8mm 时的扭矩曲线 可以看出, 进气歧管长度增加对中间转速动力性提升较明显 Power(kW) 5 1 35 4 45 5 55 6 65 14 12 1 8 6 4 2 1 35 4 45 5 55 6 65 Measured Power(kW) Calculated Power(kW) 图 6 进气歧管长度对扭矩的影响 将发动机进气歧管直径由比原机小 1mm 变化到比原机大 1mm, 每 1mm 计算一次, 结果如图 7 所示 可以看出, 进气歧管直径减小则动力性有所提高, 但这种变化并不明显
1 35 4 45 5 55 6 65 图 7 进气歧管直径对扭矩的影响 -1mm +1mm (2) 排气歧管本文主要研究了排气歧管的长度 直径对发动机性能的影响 将发动机排气歧管长度由比原机短 1mm 变化到比原机长 1mm, 每 1mm 计算一次, 结果如图 8 所示 图中线为排气歧管长度缩短 1mm 时的扭矩曲线, 线为排气歧管长度延长 1mm 时的扭矩曲线 可以看出, 排气歧管长度增加对中低转速动力性有所提升, 但提升程度不大 1 35 4 45 5 55 6 65 图 8 排气歧管长度对扭矩的影响 -1mm +1mm 将发动机排气歧管直径由比原机小 1mm 变化到比原机大 1mm, 每 1mm 计算一次, 结果如图 9 所示 图中线为排气歧管直径减小 1mm 时的扭矩曲线, 线为排气歧管直径减小 5mm 时的扭矩曲线, 线为排气歧管直径增加 1mm 时的扭矩曲线 可见排气歧管直径增大则会降低动力性, 高转速尤为明显 ; 排气歧管直径减小, 则会提高发动机动力性 293 288 283 278 268 263 258 25 195 185 175-1 -5 5 1 Variation of Exhaust Manifold Diameter(mm) 255 215 25 图 9 排气歧管直径对扭矩的影响 (3) 配气正时原机气门升程和配气正时如图 1 所示 排气门开启角度为 148 o CA(CA 表示曲轴转角, 下同 ), 凸轮工作角度为 212 o CA, 最大升程 9.4695mm; 进气门开启角度为 352 o CA, 凸轮工作角度为 216 o CA, 最大升程 9.3275mm 进气提前角为 8 o CA, 进气迟后角为 28 o CA; 排气提前角为 32 o CA, 排气迟后角为 o CA 本文对配气正时的优化分析包括进气正时优化分析和排气正时优化分析 Lift(mm) TDC BDC TDC rpm 1rpm Crank Angle(deg) BDC 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 4 5 6 7 图 1 发动机原气门升程和配气正时 TDC 将进气正时从比原机提前 1 o CA 变化到比原机滞后 1 o CA, 每 1 o CA 计算一次, 结果如图 11 所示 图中线为进气正时比原机提前 1 o CA 时的扭矩曲线, 线为进气正时比原机滞后 1 o CA 时的扭矩曲线 可见进气正时提前可以提高中低转速动力性, 进气正时滞后可以提高高转速的动力性 -1mm -5mm +1mm 1 35 4 45 5 55 6 65
268 266 264 262 194 192 188 186 184 182-1 -5 5 1 图 11 进气正时对扭矩的影响 排气正时对发动机动力性的影响如图 12 所示 可以看出排气正时滞后会使动力性在全转速范围内得到提升 1 35 4 45 5 55 6 65 279 276 267 264 261 258 198 195 192 189 186 183 rpm 1rpm rpm 1rpm -1-5 5 1 图 12 排气正时对扭矩的影响 252 248 246 244 242 232 228 226 224 222 218 254 251 248 242 239 236 234 231 228 222 219 216 213-1 -5 +1 (4) 气门升程通过改变进气门升程和持续角进行计算, 比较发动机动力性的变化 可以发现气门升程和持续角大则可以提高高转速动力性 对不同的气门升程配合适当的进气正时, 可以达到更好的效果, 比如提前进气正时, 则可以提升中低转速动力性, 结果如图 13 所示, 线表示原机在该转速下的扭矩值 排气门升程和持续角改变也会提高不同转速的动力性, 结果如图 14 所示 14 12 1 35 4 45 5 55 6 65 14-2 -15-1 -5 5 1 15 2 图 13 进气门升程对扭矩影响 -2 +2 original 12 1 35 4 45 5 55 6 65 255 195 185 175 rpm 1rpm rpm 1rpm -2-15 -1-5 5 1 15 2 图 14 排气门升程对扭矩影响 -2 +2 original 255 215 25
3.3 综合优化方案 通过上述各个方面对发动机性能的影响分析可知, 几乎没有单一的因素可以改善整个转速范围内的发动机性能, 而且单个因素对发动机性能的影响也是有限的 但是, 通过分析, 可以总结出所研究的这些因素对发动机性能的影响趋势 进气歧管长度的增加可以改善发动机中间转速的动力性, 对中低转速动力性影响不大 ; 进气歧管直径对发动机性能没有显著的影响 排气歧管长度也对本发动机性能没有太大影响 ; 而排气歧管直径则对性能影响显著, 增大排气歧管直径可以提高发动机的动力性, 尤其在高转速范围内, 这种效果更明显 配气正时的影响比较复杂 进气正时提前可以改善中低转速动力性, 但却会恶化高转速动力性 ; 相反, 进气正时滞后则会提高高转速范围内的动力性, 降低中低转速动力性 排气正时提前会使发动机动力性下降 ; 而排气正时滞后则会提高动力性, 尤其是高转速范围内的动力性 采用较小的进气门升程可以提高中低转速动力性, 而采用较大的进气门升程则会提高高转速范围的动力性 采用较小的排气门升程会使动力性和经济性都下降 ; 采用较大的排气门升程会提高高转速范围内的动力性, 却会使中低转速范围内的动力性下降 同时不同的气门升程还要配上合适的配气正时才可以更好的改善发动机的性能 综合上述各个因素对发动机性能的影响, 基于本文的研究内容, 可以提出表 1 所示的动力性综合优化方案 在 Boost 软件所建模型中按照上述方案更改相应参数, 进行仿真计算, 得到发动机在改进方案后的性能曲线 和原机性能曲线进行比较, 如图 15 图 16 所示 可见经过改进后, 在全转速范围内发动机动力性均有提升, 尤其在高转速范围内, 动力性的提升更加明显 扭矩最大提升了 27.6Nm, 功率最大提升了 18.5kW 4 结论 本文通过实验和仿真两种方法对机械增压式汽油发动机性能进行改进 实验主要是通过优化机械增压器旁通阀开度来改善发动机燃油经济性 ; 仿真主要是通过建立发动机热力学模型, 在该模型中改变相关参数来提升发动机动力性 通过本文的研究, 结论如下 : (1) 实验研究证明, 旁通阀开度对发动机燃油经济性有较大影响 在优化旁通阀开度后, 最低燃油消耗率比原机有所下降, 且低油耗区域要比原机明显扩大 (2) 仿真计算结果表明, 优化进气歧管长度 排气歧管直径 进排气正时和凸轮型线可以提高发动机动力性和经济性 采用了优化方案后, 扭矩最大提升了 27.6Nm, 功率最大提升了 18.5kW (3) 本文对机械增压汽油机动力性和经济性的提升作了详细研究, 得到较好的结果, 对同类型发动机性能的提升和改善具有借鉴作用 进气歧管 排气歧管 阀系 Power(kW) 表 1. 综合优化方案 项目变化变化量 进气侧 排气侧 长度增加 8mm 直径不变 - 长度不变 - 直径增加 1mm 气门升程 正时 气门升程 气门升程和持续角都比原机大 可变配气正时 气门升程比原机大, 持续角和原机保持一致 1-34rpm 提前 15 o CA; 36- 提前 1 o CA; 46-54rpm 保持原机进气正时 ; 56-64rpm 滞后 5 o CA 正时滞后 5 o CA 1 4 5 6 Speed(rpm) 14 12 1 8 6 4 2 图 15 改进后发动机扭矩曲线 - - Optimized Optimized 1 4 5 6 Speed(rpm) 图 16 改进后发动机功率曲线
致谢 感谢 Eaton 公司胡浩然博士对于本项目的悉心指导, 对 Eaton 公司在本项目中所提供的技术支持表示衷心的感谢! 参考文献 [1] Loren H.Uthoff, John W.Yakimow., 车用涡轮增压器与机械增压器的比较, 宋进桂译, 车用发动机, 1989(5):34-38 [2] 柯亚士, 德国车用发动机机械增压的发展现状, 车用发动机,1994(5):1-5 [3] 解茂昭著, 内燃机计算燃烧学, 大连理工大学出版社, 大连,5 [4] AVL Boost. Version 5.1.1-Users Guide. AVL. Graz June.8 [5] 周龙保主编, 内燃机学, 机械工业出版社, 北京, 1998 [6] 陈家瑞主编, 汽车构造, 人民交通出版社, 北京, 1 [7] Michael J. Bonello, David M. Caldwell, Jeffrey A. Pigott, Gregory P. Prior and Timothy M. Schag. The Supercharged Northstar DOHC 4.4L V8 Engine for Cadillac, SAE 5-1-1854