A. Birckett N. Engineer P. Arlauskas M. Shirley P. Neuman

摘要：對1臺具有進(jìn)氣門晚關(guān)米勒循環(huán)和高幾何壓縮比的機械增壓2.4 L直列4缸直噴汽油機進(jìn)行了仿真、設(shè)計及測試，并通過改動齒輪傳動比降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速。選擇1臺3.3 L自然吸氣V6發(fā)動機作為基準(zhǔn)機型進(jìn)行對標(biāo)。該機械增壓直噴汽油機目標(biāo)用途是中型客車或中小型貨車。采用計算機輔助工程軟件GT-Power進(jìn)行部件選取和進(jìn)氣道開發(fā)。相比于V6基準(zhǔn)機型，利用動力總成仿真模型仿真可知直列4缸汽油機的燃油經(jīng)濟性及性能都得到了提高。機械增壓器帶電磁離合器、中冷器及進(jìn)氣歧管。通過改進(jìn)內(nèi)部電路將大量新軟件集封于量產(chǎn)ECU中。容積效率采用發(fā)動機自動圖譜技術(shù)和軟件進(jìn)行標(biāo)定。數(shù)據(jù)處理方法把原始輸出編輯為點-斜線格式。全因子試驗設(shè)計為最有用的標(biāo)定區(qū)產(chǎn)生模型。發(fā)動機測功機的試驗結(jié)果表明在模擬的聯(lián)邦試驗規(guī)范行駛循環(huán)下有望大幅改善燃油經(jīng)濟性?，F(xiàn)階段正在開發(fā)增壓器離合器控制和車載測試。

降低燃油消耗和排放，同時滿足車輛用戶對車輛性能和噪聲-振動-平順性（NVH）要求，是巨大的工程挑戰(zhàn)。照目前的發(fā)展，車輛平均尺寸和質(zhì)量都在不斷增加，這為動力系統(tǒng)工程師帶來了更多挑戰(zhàn)。在短期內(nèi)必須有先進(jìn)的動力系統(tǒng)，以保持并吸引越來越多的汽車消費者群體。采用增壓技術(shù)和米勒循環(huán)的發(fā)動機在改善燃油經(jīng)濟性、發(fā)動機響應(yīng)效率和輸出功率等方面已顯示了很多優(yōu)越性[1-3]。

本文所示的發(fā)動機設(shè)計及原型機建造由現(xiàn)代-起亞美國技術(shù)中心（HATCI）動力總成部發(fā)動機設(shè)計和試驗團隊完成。一系列已得到驗證并且已可投入市場的技術(shù)已被用于新發(fā)動機中，與同類的渦輪增壓發(fā)動機相比，該機型不僅有較低的燃油耗，而且有較好的發(fā)動機性能，特別是低轉(zhuǎn)速區(qū)域具有大扭矩輸出，并且有較快的瞬態(tài)響應(yīng)。圖1為本文研究的機械增壓發(fā)動機。本文主要目的是描述機械增壓直噴汽油機從概念設(shè)計到初始測功機試驗，以及獲得試驗結(jié)果的工程過程。

1 仿真

采用Gamma技術(shù)公司的一維GT-Power及GT-Drive軟件分別進(jìn)行了發(fā)動機、車輛燃油經(jīng)濟性仿真[4]。以1臺2.4 L自然吸氣發(fā)動機為原型機。其主要特征包括壁面導(dǎo)向缸內(nèi)直接噴射、持續(xù)雙可變氣門正時，以及快速起燃的緊耦合催化器。GT-Power發(fā)動機模型用試驗室測量標(biāo)定，包括可測量缸內(nèi)壓力的Kistler 6041B壓力傳感器、AVL 735S/753C燃油質(zhì)量流量計、溫度調(diào)節(jié)裝置、Horiba MEXA-7500HEGR排放和空燃比分析儀，以及其他靜壓和熱電偶測量設(shè)備。

以1臺3.3 L V6發(fā)動機作為進(jìn)行發(fā)動機性能和燃油經(jīng)濟性對比的對標(biāo)機型。圖2表示本機械增壓發(fā)動機、原型機2.4 L直列4缸直接噴射發(fā)動機，以及3.3L V6發(fā)動機的扭矩水平。這臺機械增壓發(fā)動機的最初設(shè)計意圖是在不犧牲車輛性能的前提下，與V6發(fā)動機相比，改善燃油經(jīng)濟性。其優(yōu)勢在于通過匹配變速器，而不是通過降低功率來降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，達(dá)到良好的低速行駛性能和快速響應(yīng)。對于柴油機而言，可通過機械增壓和變速箱降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，使燃油耗降低25%-50% [5]。

2 建模

首先，增加1臺機械驅(qū)動“羅茨”式增壓器，并修正發(fā)動機模型。選擇1臺傳動比為3.63：1的Eaton TVSR900增壓器。該增壓器在發(fā)動機標(biāo)定轉(zhuǎn)速5 500 r/min時達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。進(jìn)氣歧管的設(shè)計包括一系列特殊的部件：機械增壓器、增壓器驅(qū)動離合器總成、集成式水冷中冷器、再循環(huán)旁通閥和節(jié)氣門體法蘭等都布置在1個緊湊的裝置中（圖3）。這使它可以安裝在搭載2.4 L自然吸氣基準(zhǔn)發(fā)動機的現(xiàn)有車輛上。在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時能使增壓器的離合器分離，使發(fā)動機接近零損耗。圖4為機械增發(fā)動機的GT-Power模型。

第二，仿真了一種新型進(jìn)氣凸輪軸。與2.4 L原型發(fā)動機相比，升程降低而持續(xù)期延長。將進(jìn)氣門延遲到壓縮行程關(guān)閉，降低氣缸內(nèi)未燃混合氣充量。這有利于在部分負(fù)荷工況下運行，因為進(jìn)氣可以不節(jié)流，但最大扭矩和功率降低。增加1臺機械增壓器能夠提高發(fā)動機質(zhì)量流率和輸出功率，通常將其稱為米勒循環(huán)。圖5對比了新進(jìn)氣凸輪型線與原基準(zhǔn)發(fā)動機型線，而排氣凸輪型線未變。

第三，做了若干較高壓縮比的方案，最后設(shè)計并試制了具有更高壓縮比的活塞。建立了帶準(zhǔn)預(yù)測燃燒模型的GT-Power模型，并用1個爆燃控制器來設(shè)置Wiebe函數(shù)變量，基于轉(zhuǎn)速1 500 r/min全負(fù)荷時的爆燃極限，最后選定了較高壓縮比。因為壓縮壓力和溫度較高，作為折衷，壓縮比提高時，節(jié)氣門全開的點火正時必須推遲。圖6所示的數(shù)據(jù)表明，在壓縮比從9:1變到12:1時最高燃燒壓力（溫度）變化不大，但壓縮比為15:1時，在上止點的最高燃燒壓力有大幅變化。上止點后50°CA的獨特的第二壓力峰是由于很晚的點火定時造成的，而后者為防止末端混合氣的爆燃所必需。爆燃模型大致按1臺運行中發(fā)動機的實際運行情況進(jìn)行標(biāo)定，并針對不同壓縮比進(jìn)行GT-Power仿真。

用主動爆燃控制器設(shè)置Wiebe燃燒相位重新試驗了仿真模型，并設(shè)計了1個正交試驗，在3種轉(zhuǎn)速下，壓縮比從9到15（點間隔為0.5）的試驗。圖7的數(shù)據(jù)表明節(jié)氣門全開時，壓縮比10.0～10.5左右時，比油耗最低。在發(fā)動機部分負(fù)荷運行工況下，通過測量在行駛循環(huán)下的燃油經(jīng)濟性發(fā)現(xiàn)，較高壓縮比能有效降低燃油消耗。較高壓縮比有利于降低燃油消耗，同時不會由于爆燃極限值而影響發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時的節(jié)氣門全開性能。最后，選擇了壓縮比12:1，因為這是在不大幅影響節(jié)氣門全開性能情況下的最高可能壓縮比值。在部分負(fù)荷運行工況下，壓縮比高于12:1將提高發(fā)動機效率，但由于超過爆燃極限，這將限制節(jié)氣門全開時輸出扭矩的能力。

最后，發(fā)動機硬件的最后1項變化是增加1個低壓冷卻廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)。多種研究證明了冷卻EGR系統(tǒng)的好處，而它將與采用米勒循環(huán)的機械增壓系統(tǒng)配合良好。因為正壓梯度將驅(qū)動足夠多的EGR流量從排氣系統(tǒng)后的催化轉(zhuǎn)化器供給增壓器進(jìn)氣[6]。在GT-Power模型中，EGR對燃燒相位及燃燒持續(xù)期的影響是通過準(zhǔn)預(yù)測燃燒模型參數(shù)來考慮的，而模型參數(shù)的設(shè)定是基于帶外部冷卻EGR的基準(zhǔn)機型的試驗。

3 模型分析以及燃油經(jīng)濟性預(yù)測

發(fā)動機模型的比油耗脈譜圖作為GT-Drive車輛模型的輸入。此外，為改善發(fā)動機低轉(zhuǎn)速扭矩（比對2.4 L基準(zhǔn)機型）及瞬時增壓響應(yīng)性，添加了1臺降速變速器。采用了整車質(zhì)量約為1 500 kg的中型乘用車。2013年下半年啟動概念驗證車輛建造計劃，目前已完成6速手動變速車輛建模工作。表1對比了各種不同的傳動比。

表1 基準(zhǔn)發(fā)動機與降速增壓發(fā)動機的變速器傳動比

與2.4 L自然吸氣汽油機的基準(zhǔn)車輛相比，對車輛進(jìn)行了仿真以驗證降低傳動比不會影響車輛性能。相反，車輛性能與采用3.3 L V6汽油機的性能相當(dāng)，甚至在有些情況下還更好些。圖8為3款發(fā)動機的2項加速指標(biāo)。其中1項代表在城市路況下2檔從40 km/h加速到80 km/h的時間；另1項代表在高速路況下6檔從80 km/h加速到120 km/h的時間。

采用發(fā)動機模型預(yù)測了在聯(lián)邦試驗規(guī)范（FTP）城市和高速公路（未經(jīng)調(diào)整）工況下行駛循環(huán)的燃油經(jīng)濟性，并逐項評估所有各項技術(shù)。其中，降速變速器的引入對改善總的燃油經(jīng)濟性貢獻(xiàn)最大。采用機械增壓器是有可能大大改善量產(chǎn)車輛性能唯一可行的辦法。如不加強低轉(zhuǎn)速工況扭矩，發(fā)動機性能較差，不能為顧客所接受。圖9為改善燃油經(jīng)濟性的步驟。

4 設(shè)計

在發(fā)動機仿真的同時，一旦確定機械增壓器尺寸和帶輪升速比，發(fā)動機的設(shè)計工作就可以開始。采用CAD軟件進(jìn)行進(jìn)氣歧管的集成設(shè)計，包含增壓器安裝法蘭、懸置系統(tǒng)、增壓空氣中冷器，以及旁通閥。采用鑄造技術(shù)獲得復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使外部總體尺寸更加緊湊。

4.1系統(tǒng)布置

機械增壓器的外形設(shè)計不得超出原2.4 L發(fā)動機進(jìn)氣歧管的外輪廓，以使其可以順利裝入意欲匹配的試驗車輛中。機械增壓器外殼安裝在進(jìn)氣歧管和發(fā)動機缸體之間的下部。增壓空氣向上流動，經(jīng)過增壓室，再通過中冷器。而后，進(jìn)氣氣流通過氣道進(jìn)入發(fā)動機，或者部分通過旁通回流機械增壓器進(jìn)氣口。圖10和圖11表示機械增壓器和進(jìn)氣歧管總成的其他主要部件。

4.2機械增壓器

如上文所述，機械增壓器為1臺Eaton TVS系列R900“羅茨”容積式增壓器。增壓器采用第6代標(biāo)準(zhǔn)TVS系列轉(zhuǎn)子組，為扭轉(zhuǎn)160°的4齒設(shè)計。增壓器進(jìn)氣量為 900 mL/r。Eaton R系列增壓器更關(guān)注空氣流量而非容積效率和等熵效率。該設(shè)計項目還包括向機械增壓器附加1個離合器，當(dāng)不需要增加進(jìn)氣空氣流時，能夠完全消除與轉(zhuǎn)子組和齒輪組相關(guān)的摩擦和驅(qū)動扭矩。離合器采用+12V運行，為避免不同的轉(zhuǎn)速變化率和扭矩沖擊，也可與脈沖調(diào)制相匹配。通過嚴(yán)格控制運行速度、循環(huán)數(shù)和熱量積聚，耐久性達(dá)到16萬km（10萬英里）。

4.3進(jìn)氣歧管

考慮到機械增壓器質(zhì)量，進(jìn)氣歧管采用鋁合金砂鑄件。為減小鑄件質(zhì)量，進(jìn)氣歧管壁厚減薄為3 mm。進(jìn)氣歧管采用斜面式組合布局中冷器內(nèi)的滑板，分別用法蘭安裝到氣缸蓋、增壓器旁通閥。

4.4增壓空氣中冷器

采用集成水冷式增壓空氣中冷器減少節(jié)氣門體后的增壓空氣體積，縮短節(jié)氣門響應(yīng)時間?？諝庵欣淦鹘?jīng)改進(jìn)以適應(yīng)空間環(huán)境。摒棄了傳統(tǒng)的安裝法蘭，進(jìn)氣口和排氣口直徑增加到19 mm。核心容積約為1.1 L，其為兩通道設(shè)計。進(jìn)氣歧管帶有中冷器檢視孔蓋板，從而便于中冷器的安裝和拆卸，采用發(fā)泡密封件阻止氣流圍繞在冷卻器芯周圍。

4.5旁通閥

再循環(huán)旁通閥是1個直徑為50 mm的蝶形閥。采用可變執(zhí)行器，調(diào)節(jié)范圍在0~90°之間，位置誤差不超過0.5°。執(zhí)行器響應(yīng)時間不超過50 ms。在離合器分離、所有空氣氣流都必須旁通增壓器（因為增壓器轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時為無流動狀態(tài)）的條件下，大直徑旁通閥能夠為增壓器提供充足空氣。最初使用旁通閥是為了EGR系統(tǒng)。其控制算法是現(xiàn)成的，眾所周知它具有很好的可靠性，便于各種用途的控制。旁通閥的安裝位置也很重要，要防止不必要的冷凝水積聚。

4.6液體冷卻回路

水冷式中冷器液體冷卻回路包括1個永磁葉片式冷卻液泵和1臺安裝在車輛懸置架上的低溫散熱器。采用1個組合式鋁制冷卻液儲存箱作為回路系統(tǒng)的加注點。冷卻液儲存箱安裝在車輛左前角的前保險杠后。冷卻液泵直接與冷卻液儲存箱相連。加注點為鋁制加注口，連接承壓0.1 MPa的冷卻液加注蓋。系統(tǒng)的回流點在加注口內(nèi)。1對冷卻液線路從冷卻液泵出口經(jīng)中冷器，到低溫散熱器。加注冷卻液中水和乙二醇的比例為1:1。

4.7皮帶傳動系統(tǒng)

為降低發(fā)動機額外軸向長度，機械增壓器采用二級帶傳動系統(tǒng)驅(qū)動。為延長保養(yǎng)周期，增壓器采用6峰或6筋剖面的蛇形帶。二級皮帶傳動的曲軸力矢量與一級帶傳動力矢量相反。這樣使作用在1號曲軸主軸承的力降低14%。圖12表示帶傳動系統(tǒng)布置。圖中藍(lán)色箭頭代表原一級蛇形帶的力矢量，紅色箭頭代表機械增壓器系統(tǒng)二級傳動帶的力矢量。

為將上張緊輪懸置架、張緊輪臂和發(fā)動機懸置架安裝在接近理想的位置，設(shè)計了1個很大的橋式懸置系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機前蓋均無這些安裝點。二級帶傳動張緊輪為新設(shè)計的線性動態(tài)張緊輪。外張緊輪可很快適用不同的張緊力而不必作很大的變動。

上線性張緊輪懸置架連接到1個偏心輪，其在1個孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)在末端安裝位置實現(xiàn)+/-6 mm變動。偏心輪和帶長度變化相結(jié)合能在任意負(fù)荷點均能獲得所要求的張緊力。

5 發(fā)動機測試

在成功完成發(fā)動機硬件設(shè)計和安裝后，機械增壓發(fā)動機被安裝在發(fā)動機試驗臺架上。第1項測試為帶有再循環(huán)閥的無離合器R900增壓器。發(fā)動機壓縮比不變，保持在11.3:1。第2項測試為升級到帶離合器的R900增壓器，壓縮比12:1的活塞和米勒循環(huán)進(jìn)氣凸輪。圖13表示增壓器帶有離合器的發(fā)動機。發(fā)動機測試使用牌號為RON 91的燃油，其乙醇含量達(dá)到10%。

5.1試驗布置和軟件執(zhí)行

對渦輪增壓直噴汽油機的控制單元進(jìn)行了修改，以控制機械增壓器離合器和再循環(huán)旁通閥。標(biāo)準(zhǔn)ECU控制渦輪廢氣旁通閥以控制增壓壓力，相較于自然吸氣發(fā)動機，渦輪增壓發(fā)動機可通過使用再循環(huán)旁通閥更好地控制負(fù)荷水平。

5.2發(fā)動機標(biāo)定

利用A&D ORION自動繪圖功能進(jìn)行虛擬環(huán)境標(biāo)定和所有基準(zhǔn)值的標(biāo)定工作。采用基于Matlab模型的正交試驗響應(yīng)模型生成凸輪相位、點火正時旁通閥開度設(shè)定，以及EGR率的最優(yōu)標(biāo)定。標(biāo)定過程的主要目標(biāo)是給定負(fù)荷目標(biāo)下的比油耗最小化。同時進(jìn)行ETAS“ASCOM”試驗設(shè)計和標(biāo)定生成。標(biāo)定過程如圖14所示。

標(biāo)定工作完成后，即將進(jìn)行瞬態(tài)增壓響應(yīng)試驗，并在發(fā)動機測功機上模擬0~97 km/h車輛加速。還將在測功機上進(jìn)行瞬態(tài)行駛循環(huán)FTP試驗以驗證標(biāo)定的適應(yīng)性，為車輛試驗做準(zhǔn)備。5個穩(wěn)態(tài)點的初步測試結(jié)果與GT-Power軟件的仿真結(jié)果基本一致。這5個穩(wěn)態(tài)點是帶有標(biāo)準(zhǔn)不降速變速器的中型客車的發(fā)動機具有代表性的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷點。離合器分離和增壓器旁通閥全開，壓縮比提高到12.0（原壓縮比為11.3），米勒循環(huán)進(jìn)氣門晚關(guān)時，5點平均燃油耗降低了5.4%。燃油經(jīng)濟性的大部分收益來自因進(jìn)氣凸輪持續(xù)時間較長，降低了泵氣損失。部分負(fù)荷運行不需增壓壓力時，增壓器離合器對降低附加損失起了重要作用。圖15為離合器分離、旁通閥開啟發(fā)動機與基準(zhǔn)發(fā)動機的比油耗對比。

帶有機械增壓器、無離合器，以及旁通閥全開的發(fā)動機總摩擦（包括泵氣損失）與2.4 L基準(zhǔn)發(fā)動機大體一致（圖16）。較低的拖動摩擦值歸因于進(jìn)氣門晚關(guān)，以及米勒循環(huán)凸輪減少泵氣損失。

6 試驗設(shè)計

基于MatLab軟件，自動統(tǒng)計標(biāo)定建模工具ETAS“ASCOM”被用來生成全因子試驗設(shè)計（圖17）。該統(tǒng)計軟件可以為生成標(biāo)定用的低誤差模型只需較少的數(shù)據(jù)點。試驗設(shè)計只需要2組數(shù)據(jù)，每組250個數(shù)據(jù)點，總共需要不超過500個數(shù)據(jù)點。隨機設(shè)定試驗的附加因素，包括不同增壓水平下的進(jìn)排氣凸輪中心線、空燃比和增壓器旁通設(shè)定點，使轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化。點火提前角達(dá)到最佳最大扭矩的最小提前角（MBT）或爆燃極限。MBT常見指標(biāo)選擇為已燃質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（MFB）50，上止點后8°CA。利用AVL公司Indiset軟件進(jìn)行燃燒分析。

發(fā)動機自動繪圖軟件ORION控制試驗室環(huán)境，標(biāo)定工具快速分配500個數(shù)據(jù)點，并行控制7個輸入變量。由儀器（熱電偶、壓力傳感器，以及發(fā)動機爆燃和早燃的Indiset燃燒數(shù)據(jù)）和發(fā)動機電控單元ECU的數(shù)據(jù)所創(chuàng)造的基本試驗室和發(fā)動機的安全性使發(fā)動機可以全天24小時無人運行。

7 響應(yīng)模型建立

對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理并用標(biāo)定工具中的統(tǒng)計算法建模。快速識別并清除異常數(shù)據(jù)。特別需要注意不能過度預(yù)測各模型的響應(yīng)情況。圖18為扭矩和比油耗生成的響應(yīng)模型。無論對扭矩還是比油耗，低誤差（RMSE）和R2值接近1在統(tǒng)計上都是理想的。

8 標(biāo)定生成

從比油耗和扭矩模型中提取進(jìn)排氣凸輪中心線、增壓器旁通（進(jìn)氣歧管絕對壓力設(shè)定點），以及點火提前角的標(biāo)定。利用一種類似于MatLab標(biāo)定生成的標(biāo)定工具CAGE，盡可能優(yōu)化標(biāo)定，使燃油耗最小化，然后獲得最大扭矩。通過一種“平順”工具進(jìn)一步改進(jìn)標(biāo)定，然后將其直接輸入INCA以評估發(fā)動機。進(jìn)氣凸輪標(biāo)定的實例如圖19所示。曲面圖穩(wěn)定、平滑和精確的標(biāo)定有利于車輛加速過程中的工況過渡。

9 結(jié)語

滿足未來排放和燃油耗目標(biāo)需要動力總成技術(shù)進(jìn)一步改善發(fā)動機效率。汽油直噴和增壓縮缸強化技術(shù)具有發(fā)展前景。采用降速變速器和增壓裝置提供額外的低速扭矩，以獲得降速優(yōu)勢。本文利用機械增壓實現(xiàn)低速扭矩的提升。通過降速和縮缸強化改善燃油經(jīng)濟性，本研究在提高發(fā)動機效率方面具有進(jìn)步意義。