基于降油耗目的的凸輪軸方案研究

喬海波　張　鵬　樸鐘南　郄彥麗　薩如拉　石峻銘

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

基于降油耗目的的凸輪軸方案研究

喬海波1，2張鵬1，2樸鐘南1，2郄彥麗1，2薩如拉1，2石峻銘1，2

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

基于目前國家的油耗法規(guī)要求，以一臺(tái)1.5L氣道噴射增壓汽油機(jī)為研究對(duì)象，制定兩個(gè)凸輪軸方案，通過小負(fù)荷減小氣門重疊角，提高燃燒穩(wěn)定性；中等負(fù)荷適當(dāng)增加氣門重疊角，提高內(nèi)部EGR率，降低泵氣損失以及HC和NOx排放；低速高負(fù)荷增大氣門重疊角，提高低速扭矩；高速高負(fù)荷，減小氣門重疊角，保證額定點(diǎn)性能等措施，在保證動(dòng)力性的同時(shí)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，綜合動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性確定最優(yōu)方案.

氣道噴射增壓汽油機(jī)凸輪軸油耗動(dòng)力性

引言

隨著當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，能源和環(huán)境形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，各國紛紛出臺(tái)嚴(yán)格的油耗和排放法規(guī)進(jìn)行應(yīng)對(duì)。我國在2020年企業(yè)平均燃料消耗量限值為5.0 L/100 km。

本文主要從改變凸輪型線的角度出發(fā)，結(jié)合標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的同時(shí)，提高燃燒穩(wěn)定性，降低油耗和排放。

1　方案制定及仿真分析

1.1凸輪軸方案

本次研究對(duì)象包括三個(gè)凸輪軸方案，V0方案為初始方案，V1、V2方案分別就氣門升程、開啟關(guān)閉相位和持續(xù)期等進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，具體參數(shù)見表1。

1.2仿真分析結(jié)果

1.2.1燃油經(jīng)濟(jì)性分析

采用AVL boost分析軟件對(duì)典型工況點(diǎn)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、平均有效壓力為0.2 MPa時(shí)油耗及殘余廢氣系數(shù)進(jìn)行分析，如圖1所示，在現(xiàn)有排氣凸輪軸初始安裝相位，并且滿足殘余廢氣系數(shù)小于20%的條件下，進(jìn)氣凸輪在初始相位油耗達(dá)到最低；在385.7～391.3 g/（kW·h）范圍內(nèi)，V1凸輪軸方案油耗在378.8～385.8 g/（kW·h）范圍內(nèi)，V2凸輪軸方案油耗在378.9～385.4g/（kW·h）范圍內(nèi)。從分析結(jié)果可知，兩個(gè)方案油耗降低幅度相當(dāng)。

表1　凸輪軸參數(shù)表

1.2.2動(dòng)力性分析

對(duì)V1、V2方案動(dòng)力性進(jìn)行分析，如圖2所示，低速1000r/min時(shí)，在排氣凸輪軸初始安裝相位條件下，V1方案在進(jìn)氣VVT最大提前角（60°CA）扭矩達(dá)到103.4～115.5 N·m，是否能達(dá)到目標(biāo)值110 N·m需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。V2方案為120 N·m以上，滿足目標(biāo)。高速5 600 r/min時(shí)，V1方案扭矩為163～182.7 N·m，V2方案為169.2～184.5 N·m，是否達(dá)到目標(biāo)值175 N·m也需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1　各方案2 000 r/min_0.2 MPa油耗和殘余廢氣系數(shù)分析結(jié)果

圖2　各方案性能分析結(jié)果

1.2.3干涉情況分析

為保證試驗(yàn)驗(yàn)證順利進(jìn)行，利用AVL EXCITE TD軟件對(duì)V1、V2兩個(gè)新方案凸輪軸裝配后進(jìn)排氣門之間、以及氣門與活塞之間在各運(yùn)行工況下的間隙進(jìn)行仿真分析，結(jié)果均大于1.2 mm的要求，不存在零部件干涉風(fēng)險(xiǎn)，滿足試驗(yàn)需求。

2　試驗(yàn)裝置及準(zhǔn)備

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為1.5L氣道噴射增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，參數(shù)如表2所示。

表2　發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表

2.2測(cè)功機(jī)

試驗(yàn)用測(cè)功機(jī)為電力測(cè)功機(jī)。包括冷卻液外循環(huán)裝置，風(fēng)機(jī)以及溫度、壓力傳感器若干。

2.3輔助設(shè)備

用于測(cè)量HC、NOx排量的HORIBA排放分析儀，用于測(cè)量各缸燃燒狀況的AVL燃燒分析儀，及用于測(cè)量空燃比的ES630空燃比儀等。

3　試驗(yàn)工況及方法

3.1試驗(yàn)工況

3.1.1NEDC運(yùn)行工況權(quán)重點(diǎn)

主要考察各工況點(diǎn)在不同凸輪軸方案和標(biāo)定數(shù)據(jù)下的油耗和排放情況。

3.1.2外特性點(diǎn)

主要考察發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性變化情況，以及油耗、排放情況。

3.2試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)確定

首先進(jìn)行VVT掃點(diǎn)試驗(yàn)，在VVT允許的活動(dòng)范圍內(nèi)，以5°CA為步長，過量空氣系數(shù)在部分負(fù)荷控制為理論值1，大負(fù)荷以排氣溫度限值為邊界，點(diǎn)火提前角在部分負(fù)荷控制在AI50最佳范圍8～12°CA ATDC，大負(fù)荷調(diào)整為爆震邊界，依次采集數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的選擇，外特性以動(dòng)力性為首要目標(biāo)，同時(shí)兼顧油耗、排放和標(biāo)定數(shù)據(jù)的平順性。部分負(fù)荷以油耗為首要目標(biāo)，同時(shí)兼顧排放和標(biāo)定數(shù)據(jù)的平順性。

然后進(jìn)行噴油相位掃點(diǎn)試驗(yàn)，在上述VVT位置選定的基礎(chǔ)上，從上一循環(huán)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻開始，以30°CA為步長進(jìn)行噴油相位掃點(diǎn)試驗(yàn)，直至油耗或排放數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折或惡化時(shí)刻為止，過量空氣系數(shù)在部分負(fù)荷控制為理論值1，大負(fù)荷以排氣溫度限值為邊界，點(diǎn)火提前角在部分負(fù)荷控制在AI50最佳范圍8-12°CA ATDC，大負(fù)荷調(diào)整為爆震邊界，依次采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的選擇同VVT數(shù)據(jù)選擇。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

4.1動(dòng)力性

由圖3可見，V1方案在低速1 500 r/min以下扭矩略低于V0，原因是V1方案進(jìn)氣門開啟持續(xù)期較長，廢氣回流作用明顯，充氣效率［1］相對(duì)其他兩方案低，如圖5所示，進(jìn)氣量的不足，導(dǎo)致扭矩的差異。V2方案重疊角大于V1，如圖4所示，掃氣［2］作用強(qiáng)，且進(jìn)氣門開啟持續(xù)期較短，更多的新鮮空氣充量使充氣效率得以提高。在4 500 r/min以下性能與V0相當(dāng)，在4 500 r/min以上性能高于V0方案。

圖3　外特性扭矩

圖4　外特性氣門重疊角

三個(gè)方案中雖然V0的充氣效率最高，但與此同時(shí)高的進(jìn)氣壓力（圖6）使點(diǎn)火提前角受爆震影響無法提前，如圖7所示，點(diǎn)火提前角效率相對(duì)較低，如圖8所示，這些因素的疊加使低速扭矩與V2相當(dāng)。

圖5　外特性充氣效率

綜上，V2方案性能相對(duì)較好，中低轉(zhuǎn)速外特性氣門重疊角最大，增大了掃氣效應(yīng)，提高了充氣效率，提高了中低速扭矩。高速大負(fù)荷氣門重疊角相對(duì)減小，改善了進(jìn)氣響應(yīng)速度，提高了高速性能。

圖6　外特性進(jìn)氣歧管壓力

圖7　外特性點(diǎn)火提前角

圖8　外特性點(diǎn)火提前角效率

4.2經(jīng)濟(jì)性

外特性點(diǎn)油耗率如圖9所示，在5000r/min以前，V1方案最優(yōu)，NEDC常用工況均在此范圍內(nèi)。在2000r/ min以內(nèi)，主要由于V1方案相對(duì)較小的氣門重疊角使其燃燒穩(wěn)定性優(yōu)于V2，如圖10所示。在2 000 r/ min以后，由于V1方案相對(duì)較小的氣門升程，加強(qiáng)了進(jìn)入缸內(nèi)氣流的滾流作用［3］，油氣混合更充分，縮短了燃燒持續(xù)期，如圖11所示。

圖9　外特性油耗率

圖10　外特性燃燒穩(wěn)定性

圖11　外特性燃燒持續(xù)期

同樣可以看出，整個(gè)外特性區(qū)域V0方案燃燒穩(wěn)定性是最差的，因此油耗率是最高的，在低速段因持續(xù)期的加長表現(xiàn)得尤為明顯。

為便于對(duì)比，將V1、V2兩個(gè)凸輪軸方案測(cè)得的NEDC工況油耗數(shù)據(jù)與V0方案數(shù)據(jù)相減，對(duì)差值進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示，正值表示油耗率增加量，負(fù)值表示油耗率減少量。

由對(duì)比結(jié)果可見，V1、V2兩個(gè)凸輪軸方案在NEDC運(yùn)行工況點(diǎn)油耗率均有明顯降低，且V1方案降低幅度最大。究其原因，對(duì)10個(gè)NEDC工況點(diǎn)燃燒數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)整體運(yùn)行區(qū)域V1凸輪軸方案泵氣損失低于V0、V2方案，如圖13所示。

圖12　NEDC運(yùn)行工況點(diǎn)油耗率

圖13　NEDC工況點(diǎn)泵氣損失

將上述油耗數(shù)據(jù)輸入AVL Cruise軟件，擬合計(jì)算出NEDC工況100 km綜合油耗：V0方案為8.08 L/ 100 km，V1方案為7.82 L/100 km，降低3.22%，V2方案為7.87 L/100 km，降低2.60%。

綜上，在外特性工況和NEDC運(yùn)行工況，V1、V2方案油耗均表現(xiàn)出了較為明顯的優(yōu)勢(shì)，V1方案尤為突出。就單一零部件對(duì)整機(jī)油耗的貢獻(xiàn)來說，是相當(dāng)可觀的。

4.3排放性能

外特性點(diǎn)THC排放由低到高依次為V1＜V2＜V0，V1最優(yōu)。NEDC工況點(diǎn)排放情況不盡相同，但整體V1、V2方案優(yōu)于V0方案，V1方案降低幅度最大，如圖14，圖15所示，這與其燃燒質(zhì)量是相對(duì)應(yīng)的。

圖14　外特性THC排放

外特性點(diǎn)NOx排放，V1方案低速段高于其他兩方案，整體差異不大。NEDC工況點(diǎn)整體NOx排放V1方案最低，如圖16，圖17所示。

圖15　NEDC工況點(diǎn)THC排放

圖16　外特性NOx排放

圖17　NEDC工況點(diǎn)NOx排放

綜上，整體而言，V1、V2兩方案排放都有明顯降低。V1方案大的進(jìn)氣開啟持續(xù)期，增加了廢氣回流效應(yīng)，使未燃?xì)怏w再燃燒，降低了HC排放，同時(shí)降低了缸內(nèi)溫度，減少了NOx的生成，降低幅度相對(duì)較大。

5　結(jié)論

1）進(jìn)氣門開啟持續(xù)期加長，可增加低速中小負(fù)荷的內(nèi)部EGR效應(yīng)，降低排放。同時(shí)減少泵氣損失，降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。但不利于高速時(shí)進(jìn)氣量的提高，對(duì)大負(fù)荷性能造成損失。

2）進(jìn)氣門開啟升程的大小，影響到缸內(nèi)氣流的混合形態(tài)，進(jìn)而影響燃燒速率。氣門升程的適當(dāng)減小可以提高混合氣滾流比，但不利于額定功率的提高。

3）進(jìn)排氣門重疊角的增加，可以降低泵氣損失，降低燃油消耗率，同時(shí)增加稀釋效應(yīng)，減少排放，但不恰當(dāng)?shù)闹丿B角同樣可能造成燃油通過掃氣作用進(jìn)入排氣系統(tǒng)，造成油耗惡化，或者影響額定點(diǎn)性能的進(jìn)一步提高。

4）本文中提及的V1、V2兩個(gè)方案，在油耗上都已達(dá)到了最初設(shè)定的降低2.5%的目標(biāo)值，美中不足的是油耗降幅較大的V1方案低速性能上的差距。任何一個(gè)方案的應(yīng)用都需要針對(duì)特定的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)經(jīng)過充分的標(biāo)定和驗(yàn)證，如針對(duì)本文中兩個(gè)方案，V1方案如減小進(jìn)氣門開啟持續(xù)期，降低進(jìn)氣稀釋效應(yīng)，會(huì)使低速性能有進(jìn)一步的提高；V2方案如將進(jìn)氣相位推遲5～10°CA，減少燃油進(jìn)入排氣系統(tǒng)的可能，對(duì)油耗也會(huì)有進(jìn)一步的改善。

1周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999

2倪計(jì)民.汽車內(nèi)燃機(jī)原理［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1998

3吳兆漢.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1990

A Study on Camshaft Optimization based on Reducing Fuel Consumption Object

Qiao Haibo1，2，Zhang Peng1，2，Park Jongnam1，2，Xi Yanli1，2，Sa Rula1，2，Shi Junming1，2
1-R&D Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，He Bei，071000，China）2-Automobile Engineering Technical Center of Hebei Province

Based on the fuel consumption regulations of our country，selecting a PFI turbo charged gasoline engine as the research object，we designed two new camshafts.In order to improve the combustion stability，the valve overlap at low load is reduced.The valve overlap at medium load increases to increase the EGR rate and pump loss and exhaust emission.At low speed high load，valve overlap increases to increase torque，and the overlap at high speed high load is reduced to ensure that the rated performance is enough. To determine the best plan，we need to take all these factors into consideration.

PFI，Turbo charge，Gasoline engine，Camshaft，F(xiàn)uel consumption，Dynamic property

TK413.4+1

A

2095-8234（2016）03-0063-06

喬海波（1987-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)研究及整機(jī)性能開發(fā)。

2016-03-15）