改善机械增压2.4L直喷汽油机的燃油经济性及低速扭矩

【美】 A.Birckett N.Engineer P.Arlauskas M.Shirley P.Neuman



试验研究

改善机械增压2.4L直喷汽油机的燃油经济性及低速扭矩

【美】 A.Birckett N.Engineer P.Arlauskas M.Shirley P.Neuman

对1台具有进气门晚关米勒循环和高几何压缩比的机械增压2.4L直列4缸直喷汽油机进行仿真设计及测试，通过改动齿轮传动比降低发动机转速。选择1台3.3L自然吸气V6发动机作为参比机型。该机械增压直喷汽油机的目标用途是中型客车或中小型货车。采用计算机辅助工程软件GT-Power进行部件选取和进气道开发。利用动力总成仿真模型证实，相比V6参比机型，直列4缸机械增压汽油机的燃油经济性及性能都得到提高。机械增压器集成电磁离合器、中冷器及进气歧管。通过改进内部电路，将大量新软件集中于量产的发动机电控单元中。容积效率采用发动机自动图谱技术和软件进行标定。在数据处理时，将原始输出编辑为点-斜线格式。全因子试验设计为最有用的标定区生成模型。发动机测功机的试验结果表明，在模拟的联邦试验规范行驶循环下，有望大幅改善燃油经济性。现阶段正在进行增压器离合器控制技术的开发及车载测试。

机械增压 直喷汽油机 模型 标定

0 前言

降低燃油耗和排放，同时满足用户对车辆性能和噪声-振动-平顺性(NVH)的要求是巨大的工程挑战。按照目前的趋势，车辆平均尺寸和质量都在不断增加，这为动力系统工程师带来更多挑战。短期内必须有先进的动力系统，以保持并吸引越来越多的汽车消费者群体。增压技术和米勒循环发动机在改善燃油经济性、发动机响应效率和输出功率等方面显示出众多优越性[1-3]。

本文所述发动机设计及原型机制造由现代-起亚美国技术中心动力总成部发动机设计和试验团队完成。一系列得到验证的实用化技术已被用于新发动机，与同类的涡轮增压发动机相比，新机型不仅有较低的燃油耗，而且有较好的发动机性能，特别在低转速区域具有大扭矩输出，以及较快的瞬态响应。本文描述机械增压直喷汽油机从概念设计到初始测功机试验，以及获得试验结果的工程进展。图1为新机械增压2.4L直喷汽油机的外观。

图1 机械增压2.4L直喷汽油机(不带离合器)

1 仿真

采用Gamma技术公司的一维GT-Power及GT-Drive软件分别进行发动机和车辆燃油经济性的仿真[4]。以1台2.4L自然吸气发动机为原型机，其主要特征包括壁面导向缸内直接喷射、持续双可变气门正时，以及快速起燃的紧耦合催化转化器。GT-Power发动机模型用试验室测量标定，包括采用可测量缸内压力的Kistler 6041B压力传感器、AVL 735S/753C燃油质量流量计、温度调节装置、Horiba MEXA-7500 HEGR排放和空燃比分析仪，以及其他静压和热电偶测量设备。

以1台3.3L V6发动机作为发动机性能和燃油经济性的参比机型。图2示出了2.4L机械增压发动机、原型2.4L直列4缸直喷发动机，以及3.3L V6参比发动机的扭矩水平。这台机械增压发动机的最初设计意图是与V6发动机相比，在不牺牲车辆性能的前提下改善燃油经济性。其优势在于通过匹配变速器，而不是通过降低功率来降低发动机转速，以获得良好的低速行驶性能和快速响应。对于柴油机而言，可通过机械增压和变速器降速来降低发动机转速，使燃油耗降低25%～50%[5]。

图2 发动机的扭矩对比

2 建模

首先，增加1台机械驱动罗茨式增压器，并修正发动机模型。选择1台传动比为3.63的Eaton TVS®R900增压器。该增压器在发动机标定转速5500r/min时达到最高转速。进气歧管的设计包括一系列特殊部件：机械增压器、增压器驱动离合器总成、集成式水冷中冷器、再循环旁通阀和节气门体法兰等,这些部件都被布置在1个紧凑的装置中(图3)。该装置可以安装在搭载2.4L自然吸气原型机的现有车辆上。在发动机低转速时使增压器的离合器分离，使发动机接近零损耗。图4为2.4L机械增压发动机的GT-Power模型。

图3 增压器和进气系统布置

图4 2.4L机械增压发动机的GT-Power模型

其次，仿真一种新型进气凸轮轴。与2.4L原型机相比，升程降低而持续期延长。将进气门关闭延迟到压缩行程，降低气缸内未燃混合气充量,这有利于在部分负荷工况下运行，因为进气可以不节流，但最大扭矩和功率会降低。增加1台机械增压器能够提高发动机的质量流率和输出功率，这通常被称为“米勒循环”。图5对比了新机型与原机型的进气凸轮型线，而排气凸轮型线不变。

图5 新机型与原机型的进气凸轮型线比较

接着，提出若干高压缩比方案，最后设计并试制了具有更高压缩比的活塞。建立带准预测燃烧模型的GT-Power模型，并采用1个爆燃控制器设置Wiebe函数变量。基于转速1500r/min全负荷时的爆燃极限，最后选定高压缩比。因为压缩压力和温度较高，作为折中，提高压缩比时，必须推迟节气门全开的点火定时。图6表明，压缩比从9.0变到12.0时最高燃烧压力(温度)变化不大，但压缩比为15.0时，上止点的最高燃烧压力有明显变化。50°CA ATDC的第2个压力峰值是由很晚的点火定时造成的，后者是防止末端混合气爆燃所必需的。爆燃模型大致按1台实际发动机在运行中的情况进行标定，并针对不同压缩比进行GT-Power仿真。

图6 较高压缩比对压缩压力及燃烧相位延迟的影响

用主动爆燃控制器设置Wiebe燃烧相位,重新试验仿真模型，并设计1个正交试验，在3种转速下，压缩比从9.0到15.0(点间隔为0.5)。图7的数据表明,节气门全开且压缩比为10.0～10.5时，燃油耗最低。在发动机部分负荷运行工况下，通过测试行驶循环下的燃油经济性发现，较高压缩比能有效降低燃油耗,同时不会由于爆燃极限值而影响发动机低转速时的节气门全开性能。最后，选择压缩比12.0，因为这是在不影响节气门全开性能情况下的最高值。在部分负荷运行工况下，压缩比高于12.0可以提高发动机效率，但由于超过爆燃极限，将限制节气门全开时的输出扭矩。

图7 全负荷工况下压缩比对燃油耗的影响

最后的发动机硬件变化是增加1个低压冷却废气再循环(EGR)系统。多项研究证明了冷却EGR系统的好处，而它与应用米勒循环的机械增压系统配合良好,因为正压梯度将驱动足够多的EGR流量从排气系统后的催化转化器供给增压器进气[6]。在GT-Power模型中，EGR对燃烧相位及燃烧持续期的影响是通过准预测燃烧模型参数来考虑的，而模型参数的设定则基于带外部冷却EGR的基准机型试验。

3 模型分析和燃油经济性预测

发动机模型的燃油耗脉谱图可作为GT-Drive车辆模型的输入。此外，为改善发动机低转速扭矩(相比2.4L原型机)及瞬态增压响应性，添加了1台降速变速器,匹配整车质量约为1500kg的中型乘用车。2013年下半年启动概念验证车辆构建计划，目前已完成6档手动变速车辆的建模工作。表1列出了各档传动比。

表1 原型发动机与降速增压发动机的变速器传动比

与配装2.4L自然吸气汽油机的原型车相比，车辆仿真结果证实,降低传动比不会影响车辆性能。相反，车辆性能与采用3.3L V6参比机型的车辆相当，甚至在有些情况下还更好。图8为3款发动机的2项加速指标: (1) 城市路况下2档 40～80km/h的加速时间；(2) 高速路况下6档80～120km/h的加速时间。

图8 车辆加速性能对比

采用发动机模型预测联邦试验规范(FTP)下城市和高速公路(未经调整)工况的燃油经济性，并逐项评估各项技术。其中，降速变速器的引入对改善总燃油经济性贡献最大。采用机械增压器是有可能在低速扭矩和瞬态响应方面显著改善性能的唯一可行办法。如不加强低转速扭矩，发动机性能较差，就无法为用户所接受。图9示出了改善燃油经济性的步骤。

图9 FTP城市和高速公路复合工况的燃油经济性

4 设计

在发动机仿真的同时，一旦确定机械增压器尺寸和带轮升速比，就可以开始发动机的设计工作。采用计算机辅助设计软件进行进气歧管的集成设计，包括增压器安装法兰、悬置系统、增压空气中冷器，以及旁通阀。应用铸造技术实现复杂的内部结构，使外部总体尺寸更加紧凑。

4.1 系统布置

机械增压器的外形不能超出原2.4L发动机进气歧管的外部轮廓，以匹配预定的试验车辆。机械增压器外壳安装在进气歧管与发动机机体之间的下部。增压空气向上流动，经过增压室，再通过中冷器。而后，进气气流通过气道进入发动机，或者部分旁通回流至机械增压器进气口。图10为机械增压器总成背视图;图11为机械增压器总成正视图。

图10 机械增压器总成背视图

图11 机械增压器总成正视图

4.2 机械增压器

如上文所述，机械增压器为Eaton TVS®系列R900罗茨容积式增压器,采用第6代标准TVS系列转子组，为扭转160°的4齿设计。增压器进气量为900mL/r。Eaton R系列增压器更关注空气流量,而非容积效率和等熵效率。本次设计项目中还包括向机械增压器附加1个离合器，当不需要增加进气空气流时，能够完全消除与转子组和齿轮组相关的摩擦和驱动扭矩。离合器采用+12V的电压运行，为避免不同的转速变化率和扭矩冲击，也可与脉冲调制相匹配。通过严格控制运行速度、循环数和热量积聚，耐久性可达到16万km。

4.3 进气歧管

考虑到机械增压器质量，进气歧管采用铝合金砂铸件。为减轻铸件质量，进气歧管壁厚为3mm。进气歧管中集成1个装入中冷器内的滑板，分别用法兰安装到气缸盖和增压器上,旁通阀也用法兰安装。

4.4 增压空气中冷器

采用集成的水冷式增压空气中冷器减少节气门体后的增压空气体积，缩短节气门响应时间。改进空气中冷器,以适应空间环境。摒弃了传统的安装法兰，进气口和排气口直径增加到19mm。核心容积约为1.1L，为两通道设计。进气歧管带有中冷器检视孔盖板，便于安装和拆卸，采用发泡密封件阻止气流围绕在冷却器芯周围。

4.5 旁通阀

再循环旁通阀是1个直径为50mm的蝶形阀。采用可变执行器，调节范围在0～90°之间，位置误差不超过0.5°。执行器响应时间不超过50ms。在离合器分离,所有空气气流都必须旁通增压器(因为增压器转子不转时为无流动状态)的条件下，大直径旁通阀能够为增压器提供充足的空气。最初使用旁通阀是为了EGR系统,其控制算法是现成的，具有很好的可靠性，适用于各种用途的控制。旁通阀的安装位置也很重要，必须防止不必要的冷凝水积聚。

4.6 液体冷却回路

水冷式中冷器液体冷却回路包括1个永磁叶片式冷却液泵和1台安装在车辆悬置架上的低温散热器。采用组合式铝制冷却液储存箱作为回路系统的加注点。冷却液储存箱安装在车辆左前角的前保险杠后,冷却液泵直接与冷却液储存箱相连,铝制加注口连接承压0.1MPa的冷却液加注盖。系统的回流点在加注口内。1对冷却液线路从冷却液泵出口经中冷器后到达低温散热器。冷却液中水与乙二醇的比例为1∶1。

4.7 皮带传动系统

为缩小发动机的额外轴向长度，机械增压器采用二级带传动系统驱动。为延长保养周期，采用6峰或6筋剖面的蛇形带。二级带传动的曲轴力矢量与一级带传动的相反。作用在1号曲轴主轴承上的力降低14%。图12为带传动系统布置。

图12 带传动系统布置和静态力矢量

为将上张紧轮悬置架、张紧轮臂和发动机悬置架安装在近似理想的位置，设计1个很大的桥式悬置系统。标准的发动机前盖没有这些安装点。二级带传动张紧轮为新设计的线性动态张紧轮。外张紧轮可适用不同的张紧力,而不必做太大变动。

上线性张紧轮悬置架连接1个偏心轮，通过在孔内旋转到末端安装位置,实现±6mm的变动。偏心轮和带长度变化相结合,能在任意负荷点获得要求的张紧力。

5 发动机试验

成功完成发动机的硬件设计和安装后，机械增压发动机被安装在发动机试验台架上。第1项测试针对带再循环阀的无离合器R900增压器。发动机压缩比不变，保持11.3。第2项测试升级到带离合器的R900增压器，采用压缩比12.0的活塞和米勒循环进气凸轮。图13为增压器带离合器的发动机。发动机测试使用研究法辛烷值为91的燃油，其乙醇含量达10%。

图13 安装在试验台架上的发动机

5.1 试验布置和软件执行

对1台涡轮增压直喷汽油机的控制单元进行修改，以控制机械增压器离合器和再循环旁通阀。发动机电控单元(ECU)控制涡轮废气旁通阀，以控制增压压力，相比自然吸气发动机，机械增压发动机可通过再循环旁通阀更好地控制负荷水平。

5.2 发动机标定

利用A&D ORION自动绘图功能进行虚拟环境标定和所有基准值的标定。采用基于MatLab模型的正交试验响应模型生成凸轮相位、点火定时旁通阀开度设定，以及EGR率的最佳标定。标定的主要目标是给定负荷下的燃油耗最小化。同时还进行ETAS“ASCMO”试验设计和标定生成。标定过程如图14所示。

图14 ECU标定过程

标定工作完成后进行瞬态增压响应试验，并在发动机测功机上模拟0～97km/h车辆加速，还将在测功机上进行瞬态行驶循环FTP试验，以验证标定的适应性，为车辆试验做准备。5个稳态点的初步测试结果与GT-Power软件的仿真结果基本一致。5个稳态点是具代表性的带标准非降速变速器的中型客车发动机的转速和负荷点。试验中，离合器分离，增压器旁通阀全开，压缩比提高到12.0(原压缩比为11.3)。米勒循环进气门晚关时，5个稳态点的平均燃油耗降低5.4%。燃油经济性的大部分收益来自较长的进气凸轮持续时间所降低的泵气损失。部分负荷运行时无需增压压力，增压器离合器对降低附加损失起重要作用。图15为离合器分离且旁通阀开启的发动机与原型机的燃油耗对比。

图15 2.4L机械增压发动机(带米勒凸轮，压缩比12.0)与2.4L直喷汽油机(原型)的比较

带机械增压器、无离合器，以及旁通阀全开的发动机总摩擦损失(包括泵气损失)与2.4L原型发动机的大体一致(图16)。较低的拖动摩擦值归功于进气门晚关，以及米勒循环凸轮减少了泵气损失。

图16 机油温度90℃时的拖动总摩擦

6 试验设计

基于MatLab软件，自动统计标定建模工具ETAS “ASCMO”被用于生成全因子试验设计(图17)。该软件只需较少的数据点，就可以生成标定用的低误差模型。试验设计只需要2组数据，每组250个数据点，总共不超过500个数据点。随机设定试验的附加因素，包括不同增压水平下的进排气凸轮中心线、空燃比和增压器旁通设定点， 以改变转速和负荷。点火提前角达到最大扭矩的最小提前角(MBT)或爆燃极限。MBT常见指标选择已燃质量百分数(MFB)50和8°CA ATDC。利用AVL公司的Indiset软件进行燃烧分析。

图17 标定模型生成的运行范围和数据点的三维效果图

发动机自动绘图软件ORION控制试验室环境，标定工具快速分配500个数据点，并行控制7个输入变量。由热电偶、压力传感器，以及发动机爆燃及早燃的Indiset燃烧数据和ECU数据创建基本试验室条件,其安全性可使发动机24h无人运行成为可能。

7 建立响应模型

对测量数据进行处理,并用标定工具中的统计算法建模,快速识别并清除异常数据。必须注意不能过度预测各模型的响应情况。图18为扭矩和燃油耗数据生成的响应模型。无论是扭矩,还是燃油耗，低误差(RMSE)和R2值接近1在统计学上都是理想的。

图18 用扭矩和燃油耗生成的响应模型

8 标定生成

从燃油耗和扭矩模型中提取进排气凸轮中心线、增压器旁通(进气歧管绝对压力设定点)，以及点火提前角的标定。利用类似于MatLab标定生成的标定软件CAGE，尽可能优化标定，使燃油耗最小化，并获得最大扭矩。通过一种“平顺”工具进一步改进标定，然后将其直接输入INCA模型,以评估发动机。进气凸轮标定的实例如图19所示。曲面图稳定,以及平滑和精确的标定有利于车辆加速过程中的工况过渡。

图19 进气凸轮标定实例

9 结语

为满足未来的排放和燃油耗目标,必须通过先进的动力总成技术进一步改善发动机效率。汽油直喷和增压缩缸强化技术具有良好的发展前景。采用降速变速器和增压装置提供额外的低速扭矩，以获得降速优势。利用机械增压实现低速扭矩的提升。通过降速和缩缸强化改善燃油经济性，本研究在提高发动机效率方面具有积极意义。

本文详细展示了研究方法，从一维发动机仿真到设计、开发和发动机试验，直至基于模型的标定和优化。未来的研究将利用冷却外部EGR来提高效率收益，并拓展该方法。

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