汽油机怠速燃烧稳定性试验研究

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-01-27 10:19 热度：

　　摘 要：怠速控制是发动机控制的一个重要模块，怠速的燃烧稳定性对整车的性能有很大影响。怠速转速、喷油时刻、喷油压力、点火提前角等参数对发动机怠速控制有一定影响。选用某小型增压发动机，通过优化进排气凸轮型线以及相位，调整发动机电控参数，改善发动机的怠速燃烧稳定性，进一步探究硬件因素以及电控参数对怠速燃烧稳定性的影响。选取怠速工况平均指示压力标准差、平均指示压力循环最小公称值等参数作为怠速燃烧稳定性的评价指标。

　　关键词：汽油机 怠速 燃烧稳定性

　　引言

　　发动机怠速工况是指发动机无负荷运转状态，发动机的怠速性能对发动机油耗、排放以及 NVH 都有较大影响[1]。因此，发动机的怠速性能是评价发动机性能的重要指标。怠速的燃烧稳定性对整车的性能有很大影响。怠速转速、喷油时刻、喷油压力、点火提前角等参数对发动机怠速控制有一定影响[2]。本文通过优化发动机硬件以及 ECU 电控参数、发动机怠速转速，进而降低发动机油耗和排放以及改善 NVH 性能[3]。

　　本文选用一款小型增压发动机，根据台架试验结果，对发动机凸轮轴进行选型。在不同发动机怠速转速下，通过控制发动机喷油相位以及点火提前角，使怠速稳定性达到最佳。使用平均指示压力标准差、平均指示压力循环最小公称值作为怠速稳定性评价指标。

　　1 试验概况

　　试验中，通过凸轮轴选型，优化进排气以及缸内燃烧过程，降低怠速工况油耗，增大发动机怠速转矩储备[4]，提高怠速燃烧稳定性。

　　试验装置包括一款 3 缸增压发动机、发动机所有附件、台架试验数据采集传感器、AVL260 电力测功机、AVL 燃烧分析仪、KISTLER 火花塞式气缸压力传感器等。

　　试验用 3 缸 1.0 L 增压发动机的技术参数见表 1。

　　2 凸轮轴选取

　　2.1 不同方案凸轮轴对比

　　发动机热怠速稳定性影响因素很多，其中发动机凸轮不同型线和包角影响进气门开启时刻以及充气效率[5]。本文选取 4 款凸轮轴，凸轮型线分别为基础方案和优化方案 A、B、C，图 1、图 2、图 3 分别为优化方案 A、B、C 与基础方案凸轮型线对比图。

　　由图 1~图 3 可知，方案 A 的进排气凸轮型线包角比基础方案大;方案 B 的排气凸轮型线与基础方案相同，进气凸轮型线包角比基础方案大;方案 C 的进气凸轮型线包角及升程与基础方案相同，进气门开启时刻比基础方案早，排气凸轮型线包角比基础方案大。发动机选取不同凸轮轴后，怠速稳定性的评价指标为：平均指示压力标准差 IMEPstd≤0.1，平均指示压力循环最小公称值 IMEPlnv≥75。

　　图 4 为不同方案的平均指示压力标准差，图 5 为不同方案的平均指示压力循环最小称值。

　　由图 4 和图 5 可知，使用方案 B 凸轮轴，发动机在 850 r/min 怠速运行，测试发动机 200 循环各缸的燃烧数据：各缸 IMEPstd 均较小，IMEPlnv 均较大，故选取方案 B 凸轮轴为最优方案凸轮轴。

　　2.2 不同方案凸轮轴差异分析

　　图 6 为优化方案 B 和基础方案对比。

　　从图 6 可以看出，基础方案的排气凸轮轴型线与优化方案 B 相同，但发动机进气门开启时刻更晚。在进气行程，活塞下行，进气门开启时刻过晚，会造成排气倒吸，在燃烧室存在部分残余废气，导致发动机燃烧不稳定，循环波动变大。图 7 为优化方案 B 和优化方案 A 对比。

　　从图 7 可以看出，相对于优化方案 B，优化方案 A 的进气门开启时刻更早，排气门关闭时刻更晚。更大的气门重叠角会形成内部 EGR，发动机燃烧不稳定，IMEPstd 变大，IMEPlnv 变小。

　　图 8 为优化方案 B 和优化方案 C 对比。

　　从图 8 可以看出，优化方案 B 的排气凸轮轴和优化方案 C 相同。而优化方案 B 在进气门开启时，排气门约有 0.5 mm 的开度，此时活塞下行，部分废气从排气道回流。因此，优化方案 B 的怠速燃烧稳定性优于优化方案 C。

　　3 ECU 参数优化

　　3.1 喷油相位优化

　　固定发动机怠速转速、负荷、点火提前角。通过改变发动机喷油相位，测试发动机怠速稳定性。

　　图 9 为不同喷油结束角度的 IMEPstd，图 10 为不同喷油结束角度的 IMEPlnv。

　　从图 9 和图 10 可以看出，保持其他参数不变，随着喷油结束角度增大，IMEPstd 呈现先减小后增加的趋势，IMEPlnv 呈现先增大后减小的趋势。喷油结束角度过小，会导致更多的燃油附着到歧管和气道，每循环进入燃烧室的燃油量有差异，燃烧循环波动增加。喷油结束角度过大，会造成混合气混合不充分，燃烧循环波动变大。喷油结束角度为 300 °CA BTDC 时，IMEPstd最小，IMEPlnv最大。因此，选取300°CA BTDC 为最佳喷油结束角度。

　　3.2 点火提前角优化

　　图 11 为不同点火提前角的 IMEPstd，图 12 为不同点火提前角的 IMEPlnv。

　　从图 11 和图 12 可以看出，随着点火角的减小，缸内燃烧速度变慢，循环波动变大。IMEPstd 随着点火提前角的减小而增大，IMEPlnv 随着点火提前角的减小而减小。为了使发动机怠速转矩储备更大，选取点火提前角为-6°CA BTDC。通过对不同转速下的 IMEPstd和 IMEPlnv 进行对比，考虑发动机怠速油耗，选取 850 r/min 为最优怠速转速。

　　4 结论

　　1)在进气上止点，进气门开启后，排气门尽量早关，防止废气回流导致怠速燃烧稳定性变差。

　　2)在进气上止点，排气门还未完全关闭，进气门适当早开，有利于怠速稳定性。但是进气门过早开启，会导致气门重叠角过大，增加了内部 EGR，燃烧稳定性变差。

　　3)过小或者过大的喷油相位都会导致怠速燃烧稳定性变差，为了获得更大的转矩储备，保证燃烧稳定性在标准范围内的前提下，点火提前角要尽量减小。——论文作者：高尚志 1，2 孙晓东 1 唐立超 1 尹建东 1 沈 源 1

　　参考文献

　　1 王雪雁，夏淑敏，王轩. 单进气 VVT 汽油机性能优化分析仿真研究[J].系统仿真学报，2014，26(12)：3034-3039

　　2 秦静，李云龙，张少哲，等. 进气门晚关与高压缩比技术在汽油机上的应用[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版)，2014，47(11)：1008-1016

　　3 程庆，黄河，吴平友. 发动机怠速智能控制系统的研究[J]. 传动技术，2003(4)：31-33

　　4 谭德荣，严新平，刘正林，等. 汽油机怠速稳定性控制技术研究[J]. 山东内燃机，2004(1)：1-5

　　5 问伟舟. 某发动机凸轮型线优化仿真研究[J]. 汽车零部件， 2015(7)：59-61

文章名称：汽油机怠速燃烧稳定性试验研究

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