某发动机增压器匹配和配气系统优化

贺文江，吴小飞，罗宏博

(1.陇东学院机械工程学院,甘肃庆阳745000；2.泛亚汽车技术中心有限公司,上海浦东201201)

某发动机增压器匹配和配气系统优化

贺文江1，吴小飞2，罗宏博1

(1.陇东学院机械工程学院,甘肃庆阳745000；2.泛亚汽车技术中心有限公司,上海浦东201201)

当下，随着日益严格的油耗法规实施，越来越多的发动机采用涡轮增压、VVT、VVL技术。使用AVL boost软件，建立某增压汽油机热力学分析模型。进行以下分析：根据不同性能目标，选取不同增压器进行匹配计算；分析不同转速下进排气VVT相位移动对于发动机性能的影响；同时通过分别使用传统高升程进气型线和低升程进气VVL型线，分析进气型线改变对低速部分负荷油耗，泵气损失功以及缸内残余废气量的影响。结果表明：采用小的涡轮机和压气机，合理设置进排气VVT重叠角度，可有效提高中低速全负荷扭矩；在发动机低速小负荷区域，采用进气VVL技术，可以使低速小负荷油耗显著降低，同时可以降低发动机进气凸轮轴的摩擦功。

增压汽油机；增压器匹配；正时优化；进气VVL

随着国家对汽车燃油消耗限值和排放法规的升级，汽油机逐步向小排量、小型化和增压方向发展[1]，以降低发动机燃油消耗。发动机在开发初期，供应商会提供不同类型的增压器进行选择、匹配。根据发动机性能目标，通过计算压气机和涡轮机的实际运行工况，可以在开发早期提出符合性能要求的增压器组合，减少后期试验开发中的工作量。同时在匹配增压器的过程中，需要关注增压器以及进排气VVT相位移动对于低速全负荷性能影响[2]。

使用AVL boost分析软件，对某排量发动机建立一维热力学性能计算模型，并根据供应商提供的增压器MAP数据，结合发动机开发目标，分析不同增压器以及VVT移动对性能的影响。计算结果表明，采用小涡轮机和压气机有利于低速性能目标实现，同时配合进排气双VVT的移动，可以使低速区域容积效率增大，进而提高发动机低速扭矩。

同时根据发动机在整车NEDC循环工况油耗表现，降低发动机在低速中小负荷油耗，对提高整车燃油经济性有重要影响[3]。汽油机在部分负荷工作过程中，由于节气门开度很小，对进气过程有较强阻碍。增大部分负荷节气门开度，通过降低汽油机在进排气换气过程中的泵气损失功(PMEP)，可有效降低汽油机部分负荷油耗。

同时采用可变进气门升程技术(VVL)，在发动机低速小负荷时，采用小升程的进气凸轮轴，在高速大负荷时，采用传统高升程进气凸轮轴[4]。通过使用进气VVL技术，可以降低部分负荷工况下的泵气损失功，降低燃油消耗，同时兼顾发动机在中高转速的扭矩输出要求[5]。

1 发动机一维热力学计算分析模型建立

1.1 热力学分析模型说明

下图给出了某小排量直列3缸1.0L增压汽油机boost的计算分析模型：

图1 增压发动机boost计算分析模型

如上图1所示：该计算模型中主要包括增压器、中冷器模型，计算中涡轮机简单模型计算并采用废气旁通模式(waste gate calculation)，中冷器控制出口温度不超过目标限值。该发动机模型主要输入参数如下所示。

图2给出了增压器匹配计算中采用的进排气门升程曲线，该发动机在设计中采用进排气双VVT结构。

图2 进排气门升程曲线

该发动机进气门最大升程为10mm，排气门最大升程为8mm，初始位置时进气门最大升程对应的曲轴转角为486deg，排气门最大升程对应的曲轴转角为234deg，在计算分析中均按照该初始相位优化进排气VVT角度。

1.2 燃烧参数设置

热力学性能模拟计算中，采用韦伯函数(Vibe function)模拟缸内实际燃烧过程[2]。模拟分析中采用相近排量的增压发动机实测燃烧数据。以下公式给出了AVL boost中采用的燃烧参数的计算方法。在匹配过程中，需要将试验中测试的燃烧数据(CA10,CA50,CA90)参数通过图3所示公式，计算出boost需要输入的参数。

图3 boost中燃烧参数计算方法[6]

图4 模拟计算中燃烧参数设置

图4给出了在模拟计算中采用的外特性基本燃烧数据，可以看出增压汽油机在实际工作中，在低速大负荷区域(1400～2000rpm)由于存在爆震，从燃烧数据上看出：CA50角度有较大推迟，缸压计算结果会出现两个峰值，分别是压缩上止点压缩压力和峰值燃烧压力。

表1 部分负荷计算燃烧和空燃比设置

表1显示发动机在2000rpm和2400rpm两个低速小负荷工况下的燃烧和空燃比数据[7]。在计算不同进排气VVT组合时，不考虑VVT相位变化对燃烧的参数的影响。

1.3 进气VVL曲线

图5给出了计算采用的进气高低两种升程的气门曲线，其中进气门最大升程为10mm，进气VVL曲线最大升程为4.5mm。

图5 进气高升程和VVL曲线对比

如图5所示：由于低升程的VVL凸轮和高升程凸轮均安装在一根进气凸轮轴上，根据结构设计要求，低升程的VVL气门升程曲线必须包罗在大升程气门曲线内部，这样可以保证在高低升程切换时，避免发生高低升程凸轮，同时与摇臂接触所造成的凸轮与摇臂之间产生冲击和噪音。

表2 进气门升程曲线参数

表2给出了进气高升程和VVL气门曲线的具体参数以及进气基准正时(进气最大升程位置对应曲轴转角)。根据表1参数可知：采用进气VVL升程曲线后，进气门最大升程有明显降低，同时VVL气门曲线的包角长度也随之缩短，说明进气VVL曲线适用于低速小负荷对进气流量需求较小负荷区域。同时在发动机低速小负荷区域，采用进气门提早开启和提早关闭技术，可以提高其进气充量。发动机扭矩输出增加需要及时切换到高升程曲线，以保证有足够的进气门开启时间，提高进气流量。

表2显示：在同一个进气凸轮轴上，进气VVL曲线的包角很短，低升程的进气VVL曲线基准相位更加提前，同时可以保证在进气相位最提前时，不会与活塞运动发生干涉。

在模拟分析中，主要分析采用进气VVL和传统高升程型线在2000rpm_BMEP=2bar和2400rpm_BMEP=4bar工况时的油耗影响。分析中，考虑进排气VVT相位改变对油耗以及泵气损失PMEP影响。

2 计算分析结果

2.1 发动机外特性计算结果

图6给出了在全负荷工况下，该增压发动机的扭矩计算结果，在分析中考虑了进排气VVT相位移动对于1800rpm以下中低转速扭矩影响。根据计算可知，在中低转速时，进排气门重叠角度增大，增强了该转速区域的扫气作用，有利于低速区域发动机的容积效率的提高和活塞温度的降低，在压气机压比保持不变条件下，使发动机在中低速区域(1000rpm～2000rpm)扭矩均得到提高，平均提高4Nm，在1400rpm～1500rpm区域，最大可提高10Nm。

图6 发动机全负荷性能计算对比

2.2 进排气VVT优化分析

图7给出了该发动机在模拟计算中，对于全负荷低速1500rpm、最大扭矩转速1800rpm以及额定功率5200rpm三个工况下进排气相位优化。计算中保持不同VVT角度下的压气机压比和燃烧参数不变，只考虑进排气VVT移动对于容积效率以及性能影响。

如下计算结果所示，在中低速大负荷条件下，进气相位提前会使低速扭矩有较大提高，在额定转速5200rpm时，进气相位则需要一定推迟，以充分利用高转速时进气流动惯性。

图7 不同转速下进排气VVT相位移动对性能影响

2.3 增压器匹配分析

图7和图8给出了该增压发动机在全负荷条件下，在供应商提供的两种不同型号压气机MAP图上的运行工况点。

图9 发动机外特性在B压气机MAP图上运行工况

根据图8压气机MAP匹配计算结果可知，该发动机在全负荷性能上的运行区域，在最大扭矩转速区域(1800rpm～4400rpm)都穿过了压气机效率较高区域，有利于压气机压比和压气机出口温度降低。

对于该增压发动机全负荷运行工况，A压气机具有较大流量区域，可以提供更好的中高转速和高原性能，B压气机的最大流量比A压气机略小，从匹配分析结果看，B压气机在发动机中低速大负荷条件下(1000rpm～1800rpm)，距离喘震线较远，而A压气机在低速大负荷区域则距离压气机喘震线很近，存在喘震风险。结合发动机性能目标，选取B压气机作为台架试验的首选方案，实现该发动机中低速性能。

2.4 发动机在2000rpm_BMEP=2bar和2400rpm_BMEP=4bar时的负荷分析

通过使用进气高升程型线和进气4.5mm_VVL型线，对2000rpm_BMEP=2bar小负荷小的进排气VVT进行扫描分析，图9～图11以及图12～图14分别使用高升程和进气VVL型线所给出油耗(BSFC)，PMEP以及缸内残余废气量影响。

图10 不同VVT下2000rpm_BMEP=2bar油耗(进气最大升程10mm)

图11 不同VVT下2000rpm_BMEP=2bar泵气损失PMEP(进气最大升程10mm)

如下图显示：2000rpm_BMEP=2bar时，不同进排气VVT组合下的缸内残余废气量范围为13%～33%，考虑到实际在小负荷下的燃烧稳定性以及实际发动机台架标定，控制该负荷下的缸内残余废气量不能超过20%，如果缸内残余废气量超过该限值，会出现燃烧不稳定发动机运行抖动等问题。

图12 不同VVT下2000rpm_BMEP=2bar缸内残余废气量[%](进气最大升程10mm)

图13 不同VVT下2000rpm_BMEP=2bar油耗(进气VVL最大升程4.5mm)

图15 不同VVT下2000rpm_BMEP=2bar缸内残余废气量[%](进气VVL最大升程4.5mm)

表3给出了分别使用进气高升程10mm和VVL低升程4.5mm进气门型线，对2000rpm和2400rpm部分负荷条件下，油耗，泵气损失以及缸内残余废气量的计算结果，以及进排气VVT角度选取准则。在部分负荷油耗选点时，需要同时考虑不同VVT角度下的缸内残余废气量对PMEP和油耗影响[7]。

根据上述计算结果可知，采用进气VVL技术，在相同的发动机输出负荷条件下，可以增大节气门开度，提高进气歧管压力，显著降低部分负荷工况下的泵气损失PMEP，从而可以有效降低燃油消耗量BSFC。

在2000rpm_BMEP=2bar负荷下，采用进气VVL，相比于传统大升程进气门升程曲线，可以使该负荷下的油耗降低7.2%；随着转速和负荷增加，进气VVL对降低油耗的贡献量逐步减小。在2400rpm_BMEP=4bar负荷下，采用进气VVL，相比于传统大升程进气门升程曲线，可以使该负荷下的油耗降低3.5%。

表3 进气VVL部分负荷油耗以及PMEP计算结果

2.5 进气VVL对部分负荷缸压曲线影响

在低速部分负荷工况下，采用进气VVL技术，减小了进气门开启时间，整个进气持续时间缩短。图16显示使用VVL和传统高升程进气门曲线对2000rpm_BMEP=2bar缸压曲线影响：

图16 VVL和高升程进气门曲线对2000rpm/2bar缸压曲线影响

图16显示，使用进气VVL曲线后，由于进气门较早开启和关闭，活塞在下行过程时，气缸内不再进气，而只是发生缸内气体膨胀以及活塞转过下止点后，对缸内气体的再压缩，这个过程中，基本不存在泵气损失。从示功图中可以看出，采用进气VVL技术，可以使低速小负荷工况的泵气损失功有显著下降。

通过模拟计算可知，进气VVL随着发动机转速和负荷增加，对油耗降低作用逐步减小，下图给出了在该发动机上使用小升程进气VVL的工作区域：

图17 进气VVL工作转速和负荷区域

根据分析结果，在增压发动机上使用进气VVL(最大升程为4.5mm)，其主要的工作在3200rpm以下转速，负荷为BMEP=6.5bar及以下负荷工况点。如果采用更低升程的VVL，则相应的工作负荷和转速区域会进一步降低。

3 结果与讨论

3.1 进排气相位优化和增压器选型

进排气相位优化和增压器选型对于小排量增压发动机的计算分析和试验具有重要指导意义。通过选取增压发动机三个代表性工况点进行进排气VVT优化以及增压器的选型匹配，为后续发动机台架标定试验提供分析支持。

3.1.1 进排气VVT相位移动对于增压发动机中低速全负荷性能有显著影响，可以通过进排气相位调整在1500rpm、1800rpm工况点提升5～10Nm发动机扭矩。需要注意由于该发动机为气道喷射增压发动机，在台架试验中需要控制中低速时的扫气量，避免催化器温度过高。

3.1.2 在使用简单模型匹配增压器时，需要准确计算压气机的修正质量或者体积流量，同时在不同转速负荷下，需要精确插值压气机与涡轮机MAP图上的效率值，尤其在额定功率点时，压气机和涡轮机效率误差会使压气机出口温度和涡轮机入口压力变化较大，直接影响压气机出口温度限值以及涡轮机大小的选取。

3.1.3 在中低速全负荷性能计算时，需要监控涡轮机入口温度，在该运行区域废气能量不是很大，排气温度是否合理，进而通过控制涡轮机废气旁通阀开度及时调整。

3.2 进气VVL可有效降低中低速小负荷时发动机的燃油消耗

在增压发动机上，采用进气VVL技术对减小发动机在中低速小负荷燃油消耗量有积极意义。通过分析计算得出了在小负荷工况点，分别采用小升程进气VVL与传统大升程进气型线时的燃油消耗率，对比不同转速符合区间的燃油消耗率可得出以下结论：

3.2.1 采用进气VVL低升程进气型线后，相比于大升程进气型线，在低速小负荷时使进气相位提前，增大进排气门重叠角度，可以使缸内残余废气量保持在较低水平上，保证低速小负荷时的燃烧稳定性；而采用传统大包角和大升程进气型线，在低速小负荷时则需要控制气门重叠角度，避免因重叠角度过大，导致缸内残余废气量升高而引起燃烧不稳定。

3.2.2 使用进气VVL，使低速小负荷的缸压曲线比传统大升程有较大改变，主要由于VVL可使进气VVT大幅度提前，使节气门开度和进气歧管压力增大，较大幅度减小泵气损失(PMEP)功[8]。

3.2.3 采用VVL技术，根据小升程气门高度和包角范围，VVL可使用的转速和负荷范围也在变化。VVL的升程和包角越小，其允许使用的转速和负荷区域越窄，对部分油耗的改善区域会减小，方案中4.5mm的小升程VVL使用转速区间为1000～3200rpm，最大负荷限制在BMEP=6.5bar。在相同转速时，随着BMEP的增大，VVL对油耗改善作用逐渐降低；

3.2.4 此次分析中，没有考虑进气门升程降低对凸轮轴驱动扭矩以及摩擦功的影响。在实际发动机工作时，采用低升程的进气VVL，相比于10mm的大升程进气型线，进气凸轮轴驱动扭矩预计降低40%[9]，由于进气凸轮轴摩擦功的降低，可使小升程进气VVL进一步改善低速小负荷油耗[10]。

4 结论

4.1 进排气VVT优化可显著提高增压发动机中低速扭矩

进排气相位优化调整后，在1500rpm工况点扭矩提升10Nm，在1800rpm工况点扭矩提升5Nm，提升比例达7.1%和3.3%。发动机中低速扭矩的提高可有效改善匹配车辆的起步加速性能。

4.2 进气VVL优化可有效降低增压发动机中低速油耗

进气VVL技术应用后，在2400rpm工况点油耗降低10g/kwh，在2000rpm工况点油耗降低27g/kwh，降低比例为3.4%和7.1%。NECD市区循环中最大车速50km/h，发动机处于中低转速运行状态，因此，进气VVL可有效降低市区行驶整车油耗。

[1]周龙保.内燃机学[M].第2版.机械工业出版社，2005:29-35.

[2]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].机械工业出版社，1992:379-435.

[3]胡孝明，常红梅，汤鸿明.可变气门正时对低速发动机动力性能的影响[J].装备制造技术，2015(11):21-23.

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[9]Rudolf Flierl and Daniel Gollasch,Andreas Knecht,Wilhelm Hannibal. Improvements to a Four Cylinder Gasoline Engine Through the Fully Variable Valve Lift and Timing System UniValve[C],SAE 2006(1):2.

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【责任编辑 答会明】

Turbocharger Matching and Optimization of Gas Distribution System of a Gasoline Engine

HE Wen-jiang1，WU Xiao-fei2，LUO Hong-bo1

(1.CollegeofMechanicalEngineering,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu; 2.PanAsiaTechnicalAutomotiveCenterCo.Ltd.,PudongNewArea,Pudong201201,Shanghai)

With the implementation of increasingly stringent fuel consumption regulations,more and more engines are applying turbo charger,VVT and VVL technologies. The thermodynamic model is built for small displacement turbocharger gasoline engine using AVL BOOST software. According to the performance target,different types of turbocharger have been matched and intake & exhaust VVT timing are optimized for the engine performance. Influence to the part load fuel consumption,PMEP and residual exhaust gas ratio by using intake VVL (variable valve lift) and conventional high intake valve lift is analyzed. Simulation results show that: small turbine and compressor are useful for the low end torque of WOT condition;the overlap of intake & exhaust valve timing plays important role on the low end torque,and the base valve timing should be properly defined;the fuel consumption in the low speed and low load area has decreased by using intake VVL and optimizing the intake and exhaust VVT phase;furthermore,the friction torque driving the intake cam lobe decreases for the use of intake VVL.

turbocharged gasoline engine;turbocharger matching;valve timing optimize;intake VVL

1674-1730(2017)03-0036-07

2016-06-01

贺文江(1980—),男,甘肃庆阳人,工程师,硕士,主要从事汽车发动机、新能源汽车研究。

TK412+.2

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