增压GDI发动机全负荷工况扫气特性及气门正时策略优化研究

宋义忠，胡 玮，石 磊，邓康耀，孙卫清，靳 嵘

（1.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201；2.上海交通大学动力机械及工程教育部重点实验室，上海 200240；3.中国北方发动机研究所（天津），天津 300400）

增压汽油机有改善发动机性能、降低油耗和控制废气排放等方面的优势［1－3］，是近期研究的热点。但是，它也存在着最大燃烧压力过高、加速性能变差和排气温度过高等缺点［4－5］，限制了其进一步应用。可变气门相位的GDI发动机可通过气门正时的控制，实现扫气、内部EGR和进气门晚关等［6－7］。利用扫气可对燃烧和排温进行控制，提高充气效率、降低排温［8－9］，而高负荷时进气门晚关可减小有效压缩比、降低缸内温度和传热损失，能有效抑制爆震［10－13］。H.Kleeberg等研究发现，对于配气正时固定的发动机，在较高的转速下，由于不同的气体动力学边界条件，无法形成扫气正压，会导致扫气逆转，使更多的残余废气截留在气缸中［14－15］。因此，只有当气门重叠角内进气压力大于排气压力时，才能进行扫气。可见，气门正时控制对于发动机性能有着重要的影响。因此，对于可变气门正时GDI发动机，确定可用扫气转速区域、研究气门正时优化策略，具有十分重要的理论和实际意义。

本研究基于某1.4L可变气门正时增压直喷汽油机，通过GT－Power建立仿真模型，分析进排气道压力波动规律，确定可用扫气转速区域。针对全负荷7个稳态转速点，研究气门正时对发动机性能的影响，完成气门正时策略的优化研究。

1 计算模型与校核

本研究以某1.4L可变气门正时增压直喷汽油机为研究对象，开展扫气特性及气门正时策略的优化研究。该发动机的主要参数见表1。

表1 发动机部分性能和结构参数

基于GT－Power建立计算仿真模型，该模型由环境模块、进排气管模块、涡轮增压模块、中冷器模块和发动机本体模块组成。其中，发动机本体模块包括曲轴箱、气缸、进排气门、喷油嘴和进排气歧管。该计算模型在固定各转速空燃比的情况下进行计算，设置进排气门正时参数，实现对气门正时的调整。

为了校核计算模型，对发动机功率、油耗、压气机后压力和涡前压力的仿真数据及试验结果进行对比（见图1）。

由图1可知，外特性各转速点参数的仿真结果与试验数据误差均在5%范围内，模型精度较高，可用于发动机性能及设计细节研究。

2 扫气特性研究

2.1 进排气压力波动规律分析

选择最大扭矩工况（1 750r／min）和标定功率工况（5 000r／min），分析发动机第1缸的一个工作循环内进排气道压力波动情况（见图2）。其中，以压缩上止点为0°。

由图2可知，最大扭矩工况360°附近存在进气压力大于排气压力的区域，标定功率工况由于空气流量增大，排气压力明显增加，在进排气冲程之间，排气压力均大于进气压力。此外，两种工况下，进气压力均在0.2MPa附近波动，最大扭矩工况时进气压力波动较为明显。由于发动机为直列4缸布置，第2，3，4缸的排气会对第1缸的排气背压产生影响，因此，一个工作循环内出现了4个较为明显的峰值，但最大值出现在第1缸的排气冲程中。

2.2 可用扫气区域分析

气门正时的控制参数为排气门关闭正时（θEVC）和进气门开启正时（θIVO），均发生在360°附近。选取全负荷7个稳态转速点（其工况参数见表2）分别将θIVO和θEVC固定为350°和370°，即气门重叠角为20°，分析扫气系数随转速的变化（见图3）。

由图3可知，固定θIVO和θEVC，气门重叠角为20°时，扫气系数随着转速的增大而减小。当扫气系数大于1.03时，扫气明显。因此，为了保证良好的扫气效果，选择扫气系数1.03为扫气限值，得到可用扫气转速区域为1 000～2 700r／min。气门正时固定工况下扫气系数的变化主要是进排气道的压力差导致的。因此，对上述7个稳态转速点在排气上止点附近分别开展进排气压差研究，得到不同转速下进排气压差为正值的曲轴转角区域，结果见图4。为表明压差值正负，标出0值线作为参考。

表2 全负荷7个稳态转速点的工况参数

由图4可知，转速为1 000r／min时，虽然压差为正的曲轴转角范围较大，但压差值较小。转速为1 750r／min时，压差值增加。这是因为：一方面，废气旁通阀在1 750r／min时打开，导致涡轮效率降低；另一方面，相对于1 000r／min时，该工况点压气机的压比和折合流量向其高效率区偏移，压气机效率显著提高。此时压气机效率提高，进排气压差增大。随着转速继续增大，压气机效率增幅减小，但废气旁通阀开度增大，涡轮效率下降明显，因此压差值减小。当转速大于3 000r／min后，在上止点附近不存在压差为正的区域，此时不能存在气门重叠角，否则会出现扫气倒流现象，影响发动机性能。

3 气门正时策略优化研究

3.1 气门正时策略优化方法

基于不同转速下进排气压力波动和可用扫气区域研究结果对气门正时策略进行优化。选择最大扭矩和标定功率工况进行研究。在最大扭矩工况（1 750r／min），306°～394°ATDC范围内，进气压力高于排气压力，因此，可利用气门重叠角进行扫气。分别在345°～365°ATDC和365°～385°ATDC范围选择θIVO和θEVC，开展气门正时研究。在标定功率工况（5 000r／min），由于超出了可用扫气转速范围，无法进行扫气，因此，调整θIVO和θEVC为370°～390°ATDC和340°～360°ATDC，分析气门正时对发动机性能的影响。气门正时对扫气系数和缸内残余废气的影响见图5。

由图5可知，在1 750r／min处，气门重叠角为正值，因此，存在扫气现象，扫气系数均大于1。随着气门重叠角增加，扫气系数逐渐增大，有利于缸内废气的排出和气缸壁冷却。在5 000r／min处，当θEVC在353°ATDC附近时，残余废气系数最小，随着θEVC的提前，残余废气系数增大，θIVO对缸内残余废气的影响较小。

图6示出气门正时对每缸每循环进气量的影响。由图6可知，1 750r／min处，适当增大气门重叠角进行扫气，有利于提高进气量。相对于θIVO，θEVC正时对进气量的影响较为明显。这是因为θIVO提前能增大气门重叠角增大扫气量，但也损失了进气冲程的进气量。5 000r／min处，当θIVO和θEVC从370°ATDC和340°ATDC逐渐延迟时，进气量增大，当θIVO和θEVC分别为384°ATDC和355°ATDC时，进气量最大。

气门正时对最大燃烧压力的影响见图7。由图7可见，两种转速下，最大燃烧压力的变化趋势与每缸每循环进气量基本一致。这是因为汽油机根据缸内新鲜空气量，基于固定当量比喷油，进气量增多，燃烧加剧，燃烧压力增加。

图8示出气门正时对涡前排温的影响。由图8可知，1 750r／min处，随着气门重叠角的增加，涡前排温明显下降。这是因为增大气门重叠角使扫气更完全，中冷后的新鲜空气将缸内废气扫出的同时也吸收了部分废气热量，导致气缸和排气温度均降低。当气门重叠角由0°变化为40°时，涡前排温降低了约106K。5 000r／min处，该工况无法进行扫气，此时，气门正时对涡前排温的影响极小。

为了提高缸内新鲜空气质量，基于每缸每循环进气量，并权衡发动机其他性能参数，对气门正时进行优化，得到最大扭矩工况的气门正时优化策略，即最佳θIVO，θEVC正时分别为354°ATDC和385°ATDC。5 000r／min处，最佳θIVO和θEVC分别为384°ATDC和355°ATDC。

3.2 气门正时策略优化结果

在保证缸内最大燃烧压力低于限值的前提下，以提高发动机进气量为目标，对全负荷工况其他5个稳态工况点的气门正时进行优化，得到的气门正时策略优化结果见图9。

由图9可知，当转速低于2 700r／min时，气门重叠角为正，通过扫气提高发动机性能，且随着转速的增大，最佳气门正时所形成的气门重叠角增大，扫气加剧，可见，低速时适当的扫气有利于发动机进气量的提高。当发动机转速达到3 000r／min左右时，气门重叠角变为负，此时，排气压力升高导致进排气压差为负，正气门重叠角会导致扫气倒流，因此，采用负气门重叠角避免该现象。随着发动机转速的进一步升高，负气门重叠角增大，即内部EGR增大，有利于限制缸内最大燃烧压力，降低NOx排放。随着转速的增大，θIVO明显推后，进气门晚关有利于减小有效压缩比，降低缸内温度，起到全负荷下抑制爆震的作用。

图10示出气门正时优化结果对比。由图10可看出，采用气门正时优化策略后，进气量和功率明显提高，残余废气系数显著降低。在全负荷6 000r／min处，进气量提高了19%，残余废气系数降低0.018，功率较原机提升了21%。此外，压气机后压力和涡前压力均有所提高。在最大扭矩工况附近，增压压力提高了11.7%，涡前压力增大19.4%。

4 结论

a）该GDI发动机的可用扫气转速区域为1 000～2 700r／min，此时，扫气系数均大于1.03，废气旁通阀打开会影响涡轮效率，导致进排气正压差区域减小，当转速高于3 000r／min时，进排气压差为负值；

b）在最大扭矩工况，气门重叠角增大，扫气系数增加，涡前排温明显降低，适当的扫气有利于提高进气量，进气量直接影响缸内最大燃烧压力；标定功率工况，θEVC在353°ATDC附近时，残余废气系数最小；

c）气门正时优化可显著提升发动机性能，全负荷6 000r／min处，进气量提高了19%，残余废气系数降低了0.018，功率提升了21%；最大扭矩工况附近，增压压力提高了11.7%，涡前压力增大19.4%。

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