汽油机降油耗技术试验研究
佚 名
【摘 要】降低油耗是汽油机正向开发的关键目标和驱动力.基于单缸最优原则,通过概念设计和单缸机试验锁定核心架构设计参数.通过台架试验测试,研究气道燃烧室系统 、压缩比等对燃烧效率的影响;挖掘电动废气旁通阀增压系统 、外部冷却废气再循环等技术降低泵气损失的潜力;验证可变机油泵 、低张力活塞环等技术对机械摩擦损失的改善效果.建立发动机降油耗技术开发体系,应用于发动机开发项目.
【期刊名称】《车用发动机》
【年(卷),期】2018(000)006
【总页数】8页(P42-49)
【关键词】汽油机;燃油经济性;单缸最优;燃烧效率;泵气损失;机械损失
【正文语种】中 文
【中图分类】TK422.1
全球汽车工业的发展加剧了能源危机和环境污染。为了节能减排，各大车企正着力发展混合动力、纯电动、燃料电池汽车等，不断挤压汽油机生存空间。提高汽油机热效率、降低整车油耗成为发动机发展的迫切需求和赢取市场生存空间的关键。
整车燃油经济性是国家法规的重点考核指标[1-3]，是客户评价车辆性价比的客观依据，也是整车环保节能的评价基础。当前，在发动机仍然作为整车燃油消耗主要来源的背景下，需要打破各方面的限制，不断挖掘潜力来提高发动机燃油经济性。本研究结合发动机开发过程中主要的降油耗技术，基于试验数据，通过“单缸最优”确定发动机核心架构设计原则；研究燃油消耗路径中“燃烧效率”、“机械损失”和“泵气损失”等关键因子，以提升燃油经济性。
1 单缸最优原则
单缸最优即在发动机项目开发前期，深入挖掘发动机核心架构设计与燃烧性能之间的关系，实现以最佳燃油经济性为核心目标的发动机单缸最优参数组合设计。单缸最优须兼顾动力性、排放性、可靠性、振动噪声、成本等因素，为多缸机模块化扩展夯实基础。
单缸最优开发主要包括两个阶段：1)概念设计阶段，基于计算机仿真分析确定单缸架构设计参数方案；2)单缸机试验开发阶段，通过试验结果锁定单缸设计参数。
1.1 概念设计阶段
基于发动机应用项目规划、新技术储备和多缸机扩展需求等背景，概念设计阶段主要确定单缸排量、缸径行程比、进排气系统参数匹配和燃烧系统布局等。
1.1.1 单缸排量
综合考虑燃烧效率、动力性匹配空间、机械损失、振动噪声、整机空间布置以及成本重量等因素，确定单缸排量。增大单缸排量有利于减小传热损失、提升热效率, 但排量增大会增加发动机振动噪声的控制难度；单缸排量减小有利于缩短燃烧时间[4]，但排量过小不利于发动机燃油系统布置，会恶化混合气分布均匀性，增大燃油湿壁损失。
综合各因素分析，基本确定高效增压汽油机最优单缸容积为0.33～0.5 L。
1.1.2 缸径行程比
在单缸排量一定的基础上，缸径和行程组合决定了燃烧效率扩展空间，研究表明，缸径行程比越低，燃烧效率越高[5]。在进气条件一定的前提下，长行程对应的活塞平均速度大，有利于提高缸内湍流强度，改善燃烧速率；小缸径对应的火焰传播路径短，减少了边缘部位的燃烧，能提高燃烧效率；长行程对应的单循环膨胀做功效率较高。但缸径小会限制气门直径和发动机最高机械转速等。
现有高效发动机一般选取0.83～0.92的缸径行程比(长行程)。
1.1.3 进排气系统参数匹配
发动机进排气气流影响流动损失、缸内气体运动特性和缸内残余废气分布，作为燃烧系统的源头，影响燃烧效率、异常燃烧边界等关键性能表现。
根据产品规划和单缸最优原则，在单缸排量和缸径行程比确定之后，再制订单缸机进排气系统方案。以提高进气动能强度(滚流比)兼顾充气效率和降低缸内残余废气为主要出发点，综合平衡进排气道形式、气门直径、气门夹角、气门升程曲线等关键设计参数，借助计算机仿真分析手段，确定进排气系统参数匹配方案。
1.1.4 燃烧系统方案
燃烧系统布局是稳定燃烧和避免异常燃烧(爆震、失火、早燃)的关键[6-9]。燃烧系统一方面需具备较强扩展空间，能充分发挥冷却EGR、Miller循环、稀薄燃烧等降油耗技术的优势；另一方面需具备快速燃烧的基本特征，以缩短燃烧持续期、降低奥拓循环时间损失，提高燃烧效率，同时兼顾燃烧噪声。
借助AVL Fire软件搭建燃烧系统仿真分析模型，通过对不同设计方案的湍动能分布、滚流比、气门局部滚流比和涡流比、混合气最大当量比比率、火花塞附近流速和当量比、火焰传播过程等仿真结果对比，确定可行的设计方案。
1.2 试验开发阶段
试验开发主要是对概念设计阶段设定的方案进行确认与优化，通过单缸机试验开发锁定最优关键设计参数组合。
1.2.1 单缸机试验介绍
单缸机试验作为燃烧系统开发的核心步骤，主要研究缸内流场分布、喷油喷雾形态及浓度分布、混合气分布均匀性、火焰发展形态以及燃烧特性等。以减少喷油湿壁风险、优化混合气动能分布和实现快速燃烧为宗旨，最终锁定燃烧系统相关关键参数[10-12]。
试验开发中主要基于激光系统、PIV(Particle Image Velocimetry)系统、LIF(Planar Laser Induced Fluorescence)系统和高精度摄像系统等的应用，支持测量透明单缸机缸内流动、喷雾和燃烧过程数据，通过优化控制参数，对比各组合方案，确定燃烧系统设计。
1.2.2 试验结果分析油耗低
基于某机型单缸机开发试验，选取两种喷油方式和燃烧室形状设计不同组合方案(见表1)，研究不同方案对燃烧特性的影响。
试验采用全因子排列组合方法，在部分负荷(2 000 r/min，0.6 MPa)和全负荷(1 500 r/min，WOT)两种工况下对喷油相位和喷射压力等参数进行优化。表2列出部分负荷(2 000 r/min，0.6 MPa)单次喷射特征点测试结果，表3列出全负荷(1 500 r/min，WOT)单次喷射特征点测试结果，表4列出全负荷工况3次喷射试验结果对比，图1示出关键燃烧时刻炭烟火
焰对比。IA方案颗粒物排放水平明显超标；IB+PB方案相比IB+PA方案颗粒物排放更低。IB+PB方案在全负荷工况采用3次喷射策略，可进一步降低氮氧化物和碳氢排放水平，故采用IB+PB方案。
表1 喷油和燃烧室设计方案喷油形式燃烧室形式
表2 部分负荷工况单次喷射试验结果对比试验结果方案组合IA+PAIA+PBIB+PAIB+PB燃烧指数喷射次数单次单次单次单次燃烧速率B109013141515燃烧稳定性COV1.11.11.11.1排放指数THC/10-6682711607645NOx/10-61 1921 3651 2171 266Soot/mg·cm-30.020.020.010.01
表3 全负荷工况单次喷射试验结果对比试验结果方案组合IA+PAIA+PBIB+PAIB+PB燃烧指数喷射次数单次单次单次单次燃烧速率B109016161616燃烧稳定性COV1.61.71.71.7排放指数THC/10-63 1603 3103 0903 157NOx/10-61 2961 3271 2411 179Soot/mg·cm-30.460.160.030.01
表4 全负荷工况3次喷射试验结果对比试验结果方案组合IB+PAIB+PB燃烧指数喷射次数三
次三次燃烧速率B10901616燃烧稳定性COV1.41.3排放指数THC/10-62 9502 800NOx/10-6840825Soot/mg·cm-30.030.01
图1 关键燃烧时刻炭烟火焰对比
2 整机油耗改进措施
基于单缸最优原则所确定的发动机核心架构参数，本研究从燃烧效率、泵气损失和机械损失等整机油耗三要素出发，分别细化发动机各系统设计，降低整机油耗。
2.1 燃烧效率
燃烧效率即燃料化学能转化成机械能的效率，是发动机燃烧系统开发的重要评估指标，常用指示燃油消耗率定量评判发动机燃烧效率，指示燃油消耗率越低，对应的燃烧效率越高。
高效燃烧是发动机开发设计的目标，受诸多设计因子综合影响且各因子间相互制约，需要在发动机总排量、缸数、缸径行程比、气道燃烧室系统结构、喷油点火系统布置、压缩比
、内外部废气再循环(EGR)系统布置、热管理系统布置和分层燃烧技术等重要因素之间到最优解，以实现较高的燃烧效率。