滿興家,周正群,梁源飛,葉年業(yè)
(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545007)
目前,油耗及排放法規(guī)要求越來越嚴(yán)格,混合動(dòng)力已成為汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的主要技術(shù)之一[1]。采用米勒循環(huán)+冷卻EGR技術(shù)是當(dāng)前提高混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的主要技術(shù)路線之一[2],通過優(yōu)化氣流組織、油氣混合和燃燒,還可進(jìn)一步提升熱效率[3-4]。米勒循環(huán)[5-7]主要采用進(jìn)氣門早關(guān)或晚關(guān)技術(shù):一方面實(shí)現(xiàn)膨脹比與壓縮比的解耦,使得膨脹比大于有效壓縮比,實(shí)現(xiàn)做功行程大于壓縮行程,提升熱效率;另一方面實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷更大的節(jié)氣門開度和進(jìn)氣壓力,減小泵氣損失,改善燃油經(jīng)濟(jì)性[8]。
雖然米勒循環(huán)有上述的技術(shù)優(yōu)點(diǎn),但是也有一些關(guān)鍵技術(shù)弊端:米勒循環(huán)的進(jìn)氣型線跨度和最大升程都會(huì)較奧托循環(huán)型線有所下降[9],這將導(dǎo)致進(jìn)氣過程的充氣效率有所下降,在高負(fù)荷區(qū)域會(huì)顯著降低缸內(nèi)滾流和壓縮終了時(shí)的湍動(dòng)能,缸內(nèi)氣流組織惡化,油氣混合質(zhì)量變差,缸內(nèi)燃燒變慢,在低速高負(fù)荷工況易產(chǎn)生早燃爆震現(xiàn)象[10-12]。目前國內(nèi)外對(duì)米勒循環(huán)的研究已經(jīng)比較充分,但是對(duì)于當(dāng)前以提高熱效率為主的混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī),采用米勒循環(huán)+冷卻EGR技術(shù)還需進(jìn)一步研究,這對(duì)未來的高熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)很有意義。
采用進(jìn)氣門早關(guān)米勒循環(huán)技術(shù),將某款增壓PFI直驅(qū)氣門汽油機(jī)改造為混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)。為了全面系統(tǒng)了解米勒循環(huán)技術(shù),對(duì)奧托循環(huán)、米勒循環(huán)和米勒循環(huán)+進(jìn)氣遮蔽 (Masking)三種方案(見圖1和圖2)搭建完整的仿真模型,選取1 600 r/min@1.4 MPa和2 000 r/min@0.2 MPa兩個(gè)工況進(jìn)行對(duì)比分析。
圖1 奧托循環(huán)和米勒循環(huán)進(jìn)氣型線對(duì)比
圖2 奧托循環(huán)氣道和進(jìn)氣遮蔽氣道方案對(duì)比
對(duì)奧托循環(huán)方案和Masking方案進(jìn)行了試驗(yàn)研究,發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)見表1。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)
米勒循環(huán)進(jìn)氣型線的升程和跨度較奧托循環(huán)會(huì)有較大差異,米勒循環(huán)的進(jìn)氣門升程由原來的8.0 mm下降至5.0 mm,原奧托氣道在5.0 mm氣門升程下的滾流比均在1.5以下,在5 mm以上才會(huì)有較大的滾流比,因此設(shè)計(jì)了Masking結(jié)構(gòu)(見圖3),目的在于提升進(jìn)氣道的滾流比,尤其是中低氣門升程下的滾流比。Masking設(shè)計(jì)原理是:在進(jìn)氣門剛開啟的過程中與進(jìn)氣門配合,對(duì)進(jìn)氣門一側(cè)的氣體形成遮蔽,使得絕大部分氣體從氣門靠近燃燒室頂部進(jìn)入氣缸,形成正向滾流運(yùn)動(dòng)。本研究通過對(duì)不同遮蔽間隙的氣道Masking結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)氣道流場(chǎng)計(jì)算,獲取不同進(jìn)氣升程下的流量系數(shù)和滾流比參數(shù)。流量系數(shù)和滾流比參數(shù)基于AVL的方法進(jìn)行計(jì)算:
流量系數(shù):
(1)
平均流量系數(shù):
(2)
滾流比:
(3)
平均滾流比:
(4)
式中:m為實(shí)際進(jìn)氣質(zhì)量流量;mth為理論進(jìn)氣質(zhì)量流量;c(α)為活塞瞬時(shí)速度;cm為活塞平均速度;α為曲軸轉(zhuǎn)角;Nd為缸內(nèi)滾流基準(zhǔn)面氣流旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速;ρ為氣體密度;Vh為氣缸排量。
圖3 進(jìn)氣遮蔽Masking結(jié)構(gòu)示意
圖4和圖5分別示出不同進(jìn)氣遮蔽間隙對(duì)進(jìn)氣道流量系數(shù)和滾流比的影響。隨著進(jìn)氣遮蔽間隙的減小,氣道的平均流量系數(shù)呈下降趨勢(shì),平均滾流比呈上升趨勢(shì)。結(jié)合生產(chǎn)制造工藝要求,選擇了進(jìn)氣遮蔽間隙為0.75 mm的方案。
圖4 進(jìn)氣遮蔽間隙對(duì)流量系數(shù)的影響
圖5 進(jìn)氣遮蔽間隙對(duì)滾流比的影響
燃燒系統(tǒng)CFD模型包括進(jìn)氣道、排氣道、燃燒室、活塞頂面以及進(jìn)排氣門等形成的完整封閉腔體。燃燒模型的網(wǎng)格設(shè)置如下:最大網(wǎng)格尺寸設(shè)為2 mm,最小網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5 mm,其他局部細(xì)化網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.25 mm。燃燒系統(tǒng)CFD網(wǎng)格模型見圖6。
圖6 燃燒系統(tǒng)CFD網(wǎng)格模型
模型計(jì)算邊界條件來源于一維熱力學(xué)仿真模型,進(jìn)氣道進(jìn)口和排氣道出口設(shè)置瞬態(tài)的壓力溫度邊界(見圖7),其他壁面設(shè)置溫度邊界(見表2)。模型選用Simple離散模型、K-Zeta-f[13]湍流模型和混合壁面模型,燃燒模型選用Coherent Frame Model-ECFM。
圖7 壓力和溫度邊界條件
表2 壁面邊界溫度設(shè)置
基于奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),在項(xiàng)目開始初期,首先獲得奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及燃燒特性參數(shù),以此作為基礎(chǔ)樣機(jī),用于后續(xù)模型標(biāo)定以及油耗及性能評(píng)估。由于試驗(yàn)條件限制,無法獲得進(jìn)排氣的瞬態(tài)壓力邊界,因此使用一維熱力學(xué)模型提供的瞬態(tài)邊界作為CFD仿真的邊界。利用試驗(yàn)得到的特性參數(shù)標(biāo)定一維熱力學(xué)模型,標(biāo)定的量主要包括進(jìn)氣量、空燃比、扭矩、油耗、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度、排氣壓力、排氣溫度、氣門正時(shí)及缸內(nèi)壓力曲線等。標(biāo)定后的一維熱力學(xué)模型(見圖8)將作為后續(xù)仿真的基礎(chǔ),不僅為CFD提供邊界,而且作為CFD模型驗(yàn)證的目標(biāo)。奧托循環(huán)CFD模型的缸內(nèi)壓力與試驗(yàn)值對(duì)比見圖9,缸內(nèi)壓力在壓縮上止點(diǎn)時(shí)一致,說明模型的進(jìn)氣量與試驗(yàn)值一致,燃燒做功沖程的缸內(nèi)壓力曲線與試驗(yàn)值相比,相差小于5%,認(rèn)為CFD模型與試驗(yàn)一致,可以用于后續(xù)的研究。
圖8 一維熱力學(xué)模型示意
圖9 CFD模型缸內(nèi)壓力驗(yàn)證
2.4.1 缸內(nèi)氣流2D結(jié)果對(duì)比分析
圖10a示出了三種方案在1 600 r/min@1.4 MPa工況下的缸內(nèi)瞬態(tài)滾流比結(jié)果。滾流比在前期進(jìn)氣過程隨著氣門開度的增大而增大,在進(jìn)氣門達(dá)到最大開度時(shí)達(dá)到第一個(gè)峰值,在進(jìn)氣門關(guān)閉后,壓縮行程由于活塞上行滾流比又有所增加[14]。米勒循環(huán)方案由于進(jìn)氣門最大升程和跨度較奧托循環(huán)都有所降低,進(jìn)氣沖量下降,導(dǎo)致在進(jìn)氣過程的滾流比峰值較低,且在氣門關(guān)閉過程中滾流衰減幅度較大,在進(jìn)氣門關(guān)閉(503°曲軸轉(zhuǎn)角)時(shí)滾流比由奧托方案的1.4下降至0.4,降幅達(dá)到71.4%,不利于缸內(nèi)的油氣混合;Masking方案的滾流水平雖在進(jìn)氣過程中較奧托方案還是偏弱,但在進(jìn)氣門關(guān)閉后滾流比達(dá)到了與奧托循環(huán)一致的水平。
在2 000 r/min@0.2 MPa工況下的缸內(nèi)瞬態(tài)滾流比變化趨勢(shì)與1 600 r/min@1.4 MPa工況基本一致(見圖10b)。奧托方案在進(jìn)氣行程的滾流比峰值達(dá)到4.0,第二個(gè)峰值達(dá)到2.2。米勒循環(huán)進(jìn)氣行程中的滾流比峰值雖然能達(dá)到2.8,但是隨著進(jìn)氣門的逐漸關(guān)閉,滾流比迅速下降,在進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻(496°曲軸轉(zhuǎn)角)由奧托方案的2.4下降至1.4,下降41.7%,且在進(jìn)氣門關(guān)閉后,在壓縮行程中無法形成有效的滾流,滾流比一直減小至0.3,對(duì)缸內(nèi)的油氣混合以及點(diǎn)火燃燒十分不利。Masking方案能夠改善缸內(nèi)的滾流運(yùn)動(dòng),在進(jìn)氣門關(guān)閉后,壓縮行程的滾流比峰值由米勒循環(huán)方案的0.3提升至了1.5,提升400%,且與奧托循環(huán)的差異較小。
圖10 缸內(nèi)瞬態(tài)滾流比對(duì)比
圖11a示出了三種方案在1 600 r/min@1.4 MPa工況下的湍動(dòng)能結(jié)果。奧托循環(huán)的湍動(dòng)能在壓縮行程終了前的峰值為19.8 m2/s2,米勒方案在503°進(jìn)氣門關(guān)閉后湍動(dòng)能不斷衰減,直到壓縮行程650°后由于滾流被壓碎,湍動(dòng)能才略有增加,但是在壓縮行程終了的湍動(dòng)能峰值只有9.5 m2/s2,湍動(dòng)能較奧托方案下降較多,不利于點(diǎn)火后的缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑U(kuò)散。Masking方案在壓縮行程中由于滾流較強(qiáng),隨著滾流的破碎,湍動(dòng)能增加明顯,壓縮行程終了附近的湍動(dòng)能峰值達(dá)到19.9 m2/s2,與奧托方案一致。
在2 000 r/min@0.2 MPa工況下的湍動(dòng)能結(jié)果與1 600 r/min@1.4 MPa工況表現(xiàn)基本一致(見圖11b)。奧托方案表現(xiàn)最佳,在壓縮行程中滾流不斷破碎,產(chǎn)生高的湍動(dòng)能,峰值達(dá)到40 m2/s2。米勒方案由于壓縮行程的滾流運(yùn)動(dòng)弱,壓縮終了附近峰值只有13 m2/s2,較奧托方案下降67.5%。Masking方案有效地解決了這個(gè)問題,進(jìn)氣門關(guān)閉后,壓縮行程中湍動(dòng)能峰值達(dá)到28.6 m2/s2,較米勒方案提升120%,有利于點(diǎn)火后的火焰?zhèn)鞑?,加快燃燒速率?/p>
圖11 缸內(nèi)瞬態(tài)湍動(dòng)能對(duì)比
2.4.2 缸內(nèi)氣流3D流場(chǎng)對(duì)比分析
圖12示出了三種方案在1 600 r/min@1.4 MPa工況下的缸內(nèi)氣流組織對(duì)比結(jié)果。奧托方案在進(jìn)氣行程450°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí),由于進(jìn)氣門升程開度較大,進(jìn)氣充量大,在氣缸中心可以形成較大滾流,且在進(jìn)氣門關(guān)閉后的壓縮行程中點(diǎn)630°曲軸轉(zhuǎn)角位置氣缸中心依然有較強(qiáng)規(guī)整的滾流運(yùn)動(dòng)。米勒方案在進(jìn)氣行程450°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí),缸內(nèi)雖然也能形成穩(wěn)定滾流,但是當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉后活塞上行壓縮時(shí),氣流運(yùn)動(dòng)紊亂,缸內(nèi)氣流無法形成規(guī)整的滾流運(yùn)動(dòng),對(duì)缸內(nèi)油氣混合十分不利,且提前耗散缸內(nèi)充氣的能量,在壓縮終了時(shí)刻無法形成較高的湍動(dòng)能,極易產(chǎn)生早燃爆震現(xiàn)象。Masking方案由于進(jìn)氣遮蔽結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了進(jìn)氣的滾流組織,在進(jìn)氣門關(guān)閉壓縮行程中點(diǎn)時(shí)仍然能形成較強(qiáng)的滾流運(yùn)動(dòng)。
圖12 缸內(nèi)氣流組織對(duì)比(1 600 r/min,1.4 MPa)
圖13示出了三種方案在2 000 r/min@0.2 MPa工況下氣流運(yùn)動(dòng)結(jié)果。與1 600 r/min@1.4 MPa工況基本一致,米勒方案在進(jìn)氣行程雖然能夠形成有效的滾流運(yùn)動(dòng)中心,但是由于進(jìn)氣過程的氣流運(yùn)動(dòng)較弱,在進(jìn)氣門關(guān)閉壓縮行程中缸內(nèi)氣流無法形成有序的滾流運(yùn)動(dòng),缸內(nèi)氣流紊亂。Masking方案解決了上述問題,進(jìn)氣道遮蔽Masking大幅提升了進(jìn)氣道的滾流性能,使得在壓縮行程中仍能形成有效滾流中心。
圖13 缸內(nèi)氣流組織對(duì)比(2 000 r/min,0.2 MPa)
圖14示出了1 600 r/min@1.4 MPa和2 000 r/min@0.2 MPa工況下奧托循環(huán)、米勒循環(huán)和Masking三種方案的當(dāng)量比分布。1 600 r/min@1.4 MPa工況三種方案的混合氣在擠氣區(qū)域都比較濃,其他區(qū)域相對(duì)比較均勻,奧托循環(huán)的當(dāng)量比標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.33,米勒循環(huán)當(dāng)量比標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.17,Masking的當(dāng)量比標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.30,從混合均勻性看, Masking方案與基礎(chǔ)樣機(jī)差不多。2 000 r/min@0.2 MPa工況Masking方案混合均勻性最好,米勒循環(huán)方案混合均勻性最差,并且在火花塞區(qū)域存在當(dāng)量比稍微偏稀區(qū)域,不利于著火燃燒及燃燒穩(wěn)定性。
圖14 當(dāng)量比分布
圖15示出了奧托循環(huán)、米勒循環(huán)和Masking方案的湍動(dòng)能分布。1 600 r/min@1.4 MPa工況壓縮上止點(diǎn)奧托循環(huán)的平均湍動(dòng)能為10.9 m2/s2,米勒循環(huán)為7.4 m2/s2,Masking方案為10.1 m2/s2??梢姡捎妹桌昭h(huán)后,由于進(jìn)氣型線減小,缸內(nèi)湍動(dòng)能下降了32%,通過增加進(jìn)氣遮蔽使得湍動(dòng)能提高了33%,接近奧托循環(huán)的水平。2 000 r/min@0.2 MPa工況由于轉(zhuǎn)速增加,湍動(dòng)能顯著增加,明顯大于1 600 r/min@1.4 MPa工況,三種方案中,依然是奧托循環(huán)湍動(dòng)能最大,其次為Masking方案,最小的是米勒循環(huán)方案。
圖15 湍動(dòng)能分布
圖16示出了1 600 r/min@1.4 MPa工況三種方案的缸內(nèi)壓力對(duì)比。Masking方案的壓縮比更高,所以壓縮上止點(diǎn)壓力更大一些,燃燒和著火階段與基礎(chǔ)樣機(jī)奧托循環(huán)基本一致。僅更改米勒循環(huán)型線,著火和燃燒與基礎(chǔ)樣機(jī)奧托循環(huán)相比要慢一些。
圖16 缸內(nèi)壓力對(duì)比(1 600 r/min,1.4 MPa)
圖17示出了1 600 r/min@1.4 MPa工況三種方案的累計(jì)放熱量對(duì)比。米勒循環(huán)相比奧托循環(huán)燃燒放熱50%的位置推遲了4°曲軸轉(zhuǎn)角,燃燒持續(xù)期增加了3°曲軸轉(zhuǎn)角,即燃燒持續(xù)期延長了20%,Masking方案與奧托循環(huán)方案燃燒情況一致。
圖17 累計(jì)放熱量對(duì)比(1 600 r/min,1.4 MPa)
圖18示出了2 000 r/min@0.2 MPa工況三種方案的缸內(nèi)壓力對(duì)比。Masking方案的壓縮比更高,混合均勻性更好,所以缸壓稍微大一點(diǎn),米勒循環(huán)的著火燃燒與基礎(chǔ)樣機(jī)奧托循環(huán)基本一致。
圖18 缸內(nèi)壓力對(duì)比(2 000 r/min,0.2 MPa)
圖19示出了2 000 r/min@0.2 MPa工況三種方案的累計(jì)放熱量對(duì)比。三種方案的累計(jì)放熱曲線基本一致,米勒循環(huán)的最終累計(jì)放熱稍微低一點(diǎn),主要原因是米勒循環(huán)的混合均勻性稍微差一些。總體來說,2 000 r/min@0.2 MPa工況三種方案的燃燒差異很小,這是因?yàn)樾∝?fù)荷工況燃燒相位都已經(jīng)處于最優(yōu)位置,不受爆震影響[15]。
圖19 累計(jì)放熱量對(duì)比(2 000 r/min,0.2 MPa)
對(duì)Masking方案進(jìn)行樣機(jī)建造及試驗(yàn)研究(見圖20),并與奧托循環(huán)基礎(chǔ)樣機(jī)進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)設(shè)備主要包括DynoSpirit電力測(cè)功機(jī)、AVL7351 CST瞬態(tài)燃油消耗儀、AVL indicom2015燃燒分析儀。試驗(yàn)?zāi)康氖窃u(píng)估兩種方案的外特性、部分負(fù)荷油耗差異。
圖20 試驗(yàn)樣機(jī)
圖21示出了Masking方案和奧托循環(huán)基礎(chǔ)樣機(jī)外特性扭矩以及功率對(duì)比。奧托循環(huán)最大扭矩為250 N·m,Masking方案為220 N·m,最大扭矩降低了30 N·m,降幅為12%。使用米勒循環(huán)后低速扭矩明顯降低,在低速外特性區(qū)域早燃爆震比較嚴(yán)重,是導(dǎo)致扭矩下降的主要原因。標(biāo)定工況功率由101 kW降低到98 kW,降低3 kW,降幅3%,高速外特性工況下降不明顯,主要是提高了增壓壓力,同時(shí)提前了點(diǎn)火時(shí)刻。
圖21 外特性扭矩以及功率對(duì)比
圖22示出兩種方案外特性燃油消耗率對(duì)比,可見Masking方案外特性燃油消耗率顯著降低,降幅為14.6%。圖23示出兩種方案2 000 r/min部分負(fù)荷燃油消耗率對(duì)比,Masking方案燃油消耗率平均降低7.1%,除1.6 MPa工況有所上升外,其他工況明顯降低。
圖22 外特性燃油消耗率對(duì)比
圖23 部分負(fù)荷燃油消耗率對(duì)比
Masking方案結(jié)合外部冷卻EGR技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果見表3。通過使用米勒循環(huán)、進(jìn)氣遮蔽Masking和冷卻EGR技術(shù),發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率顯著提高,在4 400 r/min@1.4 MPa工況,熱效率提高了6.7個(gè)百分點(diǎn),主要原因是基本取消了加濃,燃油消耗率顯著降低。熱效率平均提升了4.2個(gè)百分點(diǎn)。奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)改造為米勒循環(huán)混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī),對(duì)低速外特性扭矩沒有要求,最大扭矩的下降可以通過電機(jī)補(bǔ)償,功率沒有明顯降低,使得混動(dòng)系統(tǒng)可以使用更小的電池量,發(fā)動(dòng)機(jī)的整體燃油消耗率顯著下降,最高熱效率提高4.3個(gè)百分點(diǎn),最高熱效率為38.6%,對(duì)于非直噴汽油機(jī)已經(jīng)是優(yōu)秀的水平,符合混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。
表3 混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率
a) 采用米勒循環(huán)后,由于進(jìn)氣門型線跨度變小及升程降低,缸內(nèi)的瞬態(tài)滾流比(進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻)由1.4降低到0.4,缸內(nèi)湍動(dòng)能(壓縮上止點(diǎn))由10.9 m2/s2下降到7.4 m2/s2,降低了32%,燃燒滯后4°曲軸轉(zhuǎn)角,燃燒持效期延長20%;
b) 采用進(jìn)氣遮蔽Masking能夠顯著增強(qiáng)進(jìn)氣的滾流組織,遮蔽間隙越小流量系數(shù)越小,滾流比越大,通過遮蔽和進(jìn)氣道優(yōu)化后,Masking方案的缸內(nèi)瞬態(tài)滾流、缸內(nèi)平均湍動(dòng)能、燃燒相位和燃燒持續(xù)期均提升到奧托循環(huán)基礎(chǔ)樣機(jī)的水平;
c) 奧托循環(huán)改造為米勒循環(huán)混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī),外特性最大扭矩降低12%,低速外特性扭矩降低最明顯,高速扭矩下降很小,標(biāo)定功率降低3%,外特性燃油消耗率平均降低14.6%,部分負(fù)荷工況燃油消耗率平均降低7.1%;增加冷卻EGR技術(shù)后,最高熱效率提高4.3個(gè)百分點(diǎn),最高熱效率為38.6%;
d) 采用米勒循環(huán)導(dǎo)致的混合氣湍動(dòng)能降低和燃燒惡化現(xiàn)象,可以通過進(jìn)氣遮蔽Masking和進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)補(bǔ)償,因此米勒循環(huán)技術(shù)開發(fā)時(shí)應(yīng)綜合考慮進(jìn)氣型線設(shè)計(jì)、進(jìn)氣遮蔽和進(jìn)氣道優(yōu)化。