先进增压汽油机动力性能的控制参数以及增压器预匹配研究
邵发科1，廖诚2，付建勤2，朱国辉2，刘敬平2，夏言2
(1. 广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州，510640；
2. 湖南大学 先进动力总成技术研究中心，湖南 长沙，410082)
摘要：对3台先进车用增压直喷汽油机性能进行对标试验，通过对运行与性能实测数据的二次开发总结其共性规律，得到能用于在不同发动机之间进行交叉对比和设置仿真计算边界条件的机械效率散带图，提炼出影响增压汽油机动力性能的关键参数J和K，其中代表指示热效率水平的参数J范围为0.35~0.40，参数K与发动机的动力性能参数呈较好的线性关系。借助所得到的共性规律，针对某1.5 L增压直喷汽油机的动力性能开发目标进行增压压力和空气流量的预估，以此为基础预选、优化增压器，并为该发动机的详细性能仿真数模提供边界条件,验证结果的有效性。
关键词：直喷；汽油机；对标试验；共性规律；增压
中图分类号：TK411 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)09-3670-08
Controlling parameters of power performances in advanced turbocharged direct-injected gasoline engines and pre-selection of turbochargers
SHAO Fake1, LIAO Cheng2, FU Jianqin2, ZHU Guohui2, LIU Jingping2, XIA Yan2
(1. Guangzhou Automotive Engineering Institute, Guangzhou 510640, China;
2. Research Center for Advanced Powertrain Technologies, Hunan University, Changsha 410082, China)
Abstract: The benchmarking testing results related to the power performances of three advanced turbocharged direct-injected gasoline engines were presented, and the general trends derived from analyzing the inner relationship between operational and performance parameters were studied. Scatter band and general trends of the mechanical efficiencies vs. load, speed, and across the different engines were summarized, which could be used for cross-over comparison between different engines, also was used as boundary conditions for numerical modeling. Two key controlling parameters to the engine power performances, namely J and K, were derived. Parameter J represents the indicated thermal efficiency term, which has a value between 0.35~0.40 and remains almost constant, while parameters K demonstrates a fairly linear relationship with the power performances. Based on the findings in this research, the required boost pressure and air mass flow rate to meet the performance targets of a under-development 1.5 L gasoline engine were defined, and a suitable turbocharger was identified. Detailed engine performance simulation was conducted utilizing the boundary condition data derived from this study. The simulation results indicate that the pre-selected turbocharger works well and the power performance targets can likely be met.
Key words: direct-injected; gasoline engines; benchmarking test; general trends; turbocharging
随着节能减排的压力越来越大，现代车用汽油机都朝高升功率、小排量的方向发展，增压直喷汽油机是今后一段时间内发展的趋势[1]。为了同时满足整车动力性、经济性需求，现代增压直喷汽油机逐渐采用如VVT/VVL、稀薄燃烧和EGR等诸多先进技术[2-3]。由于技术的限制，国内各大汽车厂家基本上依赖国外设计公司开发增压直喷汽油机。国内高校和研究机构对增压直喷汽油机的研究也较少,主要研究集中在增压直喷汽油机性能改进方面[4-8]，而对此类发动机性能与设计及运行参数的共性规律研究很少。在发动机开发过程中，由于设计和运行参数优化的多自由度特性以及每一参数取值范围的广度，即使采用先进的基于数模仿真的性能开发技术，需模拟优化的案例个数仍呈几何级数增加[9]。按目前水平，1台按正向开发路线的新发动机的性能概念设计与参数预测及数模优化，往往需要几个月。而且开发的发动机性能，在很大程度上取决于开发工程师的水平。在概念设计的数模优化阶段，通常由于缺乏准确描述发动机工作过程的数模，或者开发工程师在边界条件的选取方面经验不足而出现数模优化结果与实际结果相差甚远的情况。为了解决新品发动机概念设计阶段主要设计参数与运行参数的选取准确性问题，本文作者对影响增压直喷汽油机动力性的关键参数进行研究。首先选取3台世界先进增压直喷汽油机进行系统对标试验，得到发动机各个工况下的性能及其影响参数；然后，分析影响发动机动力性能的主要设计及运行参数，总结共性规律。利用这种方法不仅可以减少由于工程师缺乏经验带来的设计误差，而且将大大缩短概念设计的时间，提高概念设计阶段主要参数的精度。
1 发动机性能对标试验
本文中涉及多台量产车用增压直喷汽油机的台架性能对标试验数据。性能对标试验在AVL电力测功机台架上进行。除对发动机的全工况MAP的功率、扭矩、油耗、排放性能按同一试验规范及可控的大气标准环境条件进行全面测试之外，还对发动机进、排气系统各关键部位如进、排气歧管及涡轮前后、压气机前后的压力、温度、气体成分进行全面检测。通过检测缸内动态压力分析燃烧放热规律曲线；通过发动机的排放或成分分析缸内燃烧效率。文中涉及的汽油机的技术参数如表1所示，且都不带废气再循环技术。
基于AVL 试验台架进行万有特性下内燃机稳态性能试验。试验工况点设置如下：转速为1 000~5 500r/min，负荷PBMEP范围为0.05 MPa至最大负荷。其中：1 000~3 000 r/min转速间隔为250 r/min，3 000 r/min 以上间隔为500 r/min；在转速为3 000 r/min时，负荷在0.3 MPa 以下区域负荷间隔为0.05 MPa，其他区域负荷间隔为0.10 MPa。同时，为了保证实测数据的精度，对主要参数测量误差进行控制：(1) 转矩误差不超过所测值的±0.05%；(2) 转速误差不超过所测值的±0.5％；(3) 油耗量误差不超过所测值的±0.12%；(4) 冷却液流量误差不超过所测值的±1%；(5) 排气温度误差不超过所测值的±1%。试验数据主要测量项目见表2。
表1 试验用增压直喷汽油机主要技术参数
Table 1 Major specifications of engines tested
表2 试验主要测量项目
Table 2 Main Measurements of experiments
测试参数还包含转速、功率、转矩、燃油消耗量、进气流量、过量空气系数，尾气成分(NOX，HC，CO，CO2和O2)、缸内压力、点火提前角、环境温度、环境压力、环境湿度等。
2 汽油机动力性随设计以及运行参数变化的共性规律
汽油机的动力性能由换气过程、缸内热功转换过程、运动件的机械摩擦损失及附件损失共同决定。换气过程对发动机性能的影响是通过新鲜充量的“量”，其体积分数(残余废气量与新鲜充量的体积之比)以及换气过程的代价(泵气损失)来体现。而缸内热功转换过程的优劣即混合气燃烧释放的热量转化为活塞指示功的“质”通过燃烧放热过程的相位以及燃烧过程的完善程度(燃烧效率)来体现。运动件的机械摩擦损失及附件损失主要由该类部件的设计、制造水平和材料决定[10-11]。综合起来，影响发动机动力性的参数很多，本文着重对影响其动力性的关键参数影响规律进行分析。
2.1 机械损失随工况的变化情况
气缸内气体作用力作用于活塞上的功，一部分通过摩擦副以及附件转化为机械损失，最后才输出为有效功。图1所示是3台样机在转速为2 000 r/min时部分负荷特性实测结果。由图3可知：3台先进增压直喷汽油机的部分负荷特性基本重合，说明这3台样机的机械损失即机械效率基本相同。由此可以推断其他转速相同负荷时，这3台样机的机械损失也基本相同。图2所示为这3台样机随负荷变化的机械损失散点图。从图2可以得到：低转速的机械效率处于散点图的上方，高转速的机械效率处于散点图的下方；低负荷的机械效率随转速的变化较大，而高负荷的机械效率随转速的变化较小；低负荷机械效率为0.27~0.50，高负荷机械效率为0.80~0.95。这为发动机设计中确定机械摩擦损失指标提供了参考，同时也为部分负荷性能计算数模提供了较为合理的边界条件。
2.2 动力性随转速的变化规律
汽油机的动力性能主要包括平均有效压力(PBMEP)、扭矩和功率等。考虑到扭矩、功率与发动机的排量和转速有关，为了便于不同发动机间进行对比，发动机的强化水平通常用发动机平均有效压力(PBMEP)来表达[12]：
(1)
式中：C为单位换算的常量；
为进气密度，kg/m3；
为充量系数；
为指示热效率；
为过量空气系数；
为机械效率。
图1 2 000 r/min时3台样机负荷特性
Fig.1 Load characteristic of three machines at 2 000 r/min
图2 3台样机机械损失散点图
Fig.2 Scatter band of mechanical efficiency of three machines
由于这3台样机的机械效率在相同转速(n)时基本相同，故可排除机械损失差异对动力性的影响，因而，以PIMEP反映发动机的动力性能。图3所示为3台样机的实测外特性。从图3可知：(1) 3台汽油机PIMEP随转速的变化趋势一致：在转速为1 500 r/min时，由于涡轮增压器的增压特性一致，PIMEP达到最大值，然后接近稳定；受压气机阻塞线的影响，压气机的流量范围受限于一定宽度，故高转速时PIMEP均开始下降；(2) 3台发动机的PIMEP的绝对值存在较大差异。
图3 3台样机PIMEP-速度特性
Fig.3 Speed characteristics of PIMEP of three machines
图4 3台样机进气压力Pin-速度特性
Fig.4 Speed characteristics of intake pressure of three machines
图5 3台样机过量空气系数λ-速度特性
Fig.5 Speed characteristics of lambda of three machines
同时，3台样机的增压压力、过量空气系数也存在较大的差异，如图4~6所示。下节重点探讨这3台样机的PIMEP与增压压力和过量空气系数之间关系的共性规律。
2.3 动力性随设计及运行参数的变化规律
虽然这3台样机都是增压直喷汽油机，但由于开发目标以及设计(见表1)与运行参数(图4和图6)所体现出来的差异性，单独分析某一台发动机没有代表意义，需考虑从发动机动力性能和参数之间数学关系式中寻找表明3台样机的共性规律。由式(1)可得：
(2)
(3)
(4)
式中：PIM为歧管处进气压力，Pa；TIM为进气温度，K；R为气体常数，J/(kg·K)。
令K为换气参数，代表发动机换气过程中的1个变量，单位与密度的单位相同。以K作为横坐标，PIMEP作为纵坐标，分别得出这3台样机全工况情况下参数K和PIMEP的对应关系，如图6所示。
图6 K和PIMEP关系散点图
Fig.6 Scatter band and relationship between PIMEP and K
图6是以散点图的形式体现的，每个点代表1个工况点的试验结果，故1个图中包含了发动机的所有试验工况点。式(3)可以改写为
(5)
其中：
。由于所有的传统发动机C都为一定值，故在增压直喷发动机中，由于K与PIMEP呈较好的线性关系，故参数J可以近似看作一常数。这是因为所研究的发动机都是较先进的机型，其指示热效率基本差异不大，且汽油机的过量空气系数在大部分工况下均在1.0左右，故其乘积基本上也是一定值。
图7所示为这3台样机各个工况下参数J的值。从图7可知：当PBMEP大于3×105 Pa(大部分工况点)时，J稳定在0.34~0.40之间的较小范围内；当PBMEP小于3×105 Pa 时，不同的负荷参数J相差较大；但在相同负荷下，J随发动机机型和转速变化范围不大。这是因为低负荷时，由于泵气损失绝对值大且占的比例也大，故指示热效率较小，J也较小；随着负荷的增大，指示热效率逐渐趋于一稳定值，此时，发动机的过量空气系数一直变化较小，因此，只受这2个参数影响的参数J方呈现图7所示的形式。
图7 参数J散带值
Fig.7 Scatter band of parameter J
参数J在一定程度上反映了发动机指示热效率。经分析可以得到：(1) 增压直喷汽油机中参数J的范围大部分工况保持在0.34~0.40之间，这为以后设计时如何定义参数J提供了参考；(2) 3台样机的PIMEP和K之间具有很好的线性关系，这是因为参数J变化较小。
图8所示为3台样机的动力性能与K的对应关系图。从图8可以看到：这3台试验样机的动力性能和K散点分布集中在一定形状的带状区域内，并且趋势一致。图中直线是一条拟合趋势线，在发动机设计初期，可以选择此条线作为设计参考线，也可以根据设计的目标，在带状区域内，上平移和下平移拟合曲线。
3 应用
根据以上总结的3台先进直喷汽油机的共性规律，在增压直喷汽油机设计初期，提出动力性能目标后，利用此规律可以确定一些关键的设计参数，节省后续开发时间，具体应用流程如图9所示。本文作为总结先进发动机共性规律的一部分内容，只适用于框图中增压器预选，不能完整确定参数，如燃烧参数等其他参数对性能影响的共性规律将有待进一步研究。
图8 PIMEP与K对应关系
Fig.8 Relationship between PIMEP and parameter K
在图8中，选定1条在散点范围内的趋势线，当确定动力目标后，便确定了K。而在影响确定K的设计参数中，一般中冷后温度是可控的，而充量系数也是根据技术水平随负荷和转速呈规律性变化，可以根据经验值选取。K决定了进气压力，这为后续开发进气系统的增压系统提供了数据支持。
图9 成果应用流程
Fig.9 Flow chart of results application
3.1 增压器预选理论计算
若忽略进气系统中的压力波动(增压发动机中为了改善增压器响应，进排气歧管较自然吸气发动机而言通常都很短，且压力波动幅度占增压后的总压力的比例较低，此项假设不会造成太大误差)，进气阀关闭时的缸内压力则等于进气歧管压力。引入中冷器压力损失及进气管压力损失，有：
(6)
(7)
式中：
为压气机出口压力，Pa；
为压气机进口压力，Pa；
为发动机气阀出压力，Pa；
为大气环境压力，Pa；
为压气机出口端进气歧管的压力损失，主要为中冷器压力损失，Pa；
为环境大气至压气机入口端的压力损失，主要为空气滤清器损失，Pa。则压气机的增压比需求可按下式计算：
(8)
每工作循环发动机消耗的空气量，即发动机的通流特性，可由下式确定：
(9)
式中：
为每工作循环发动机消耗的空气量，kg/cycle；Vh为发动机排量，L；RAFR为空燃比；Hu为燃料热值，J/g；为指示热效率，可以从以上所确定的J得到。
根据质量守恒定律得知流经压气机的气体质量流量等于通过发动机的气体质量流量：
(10)
其中：
为空气流量，kg/s；n为发动机的转速，r/min；i为发动机的冲程数，对于四冲程发动机，i=4，而对于二冲程发动机，i=2。
求得流经压气机的空气质量流量与增压比，便可得到各转速下发动机的空气质量流量与增压比关系。将所得空气质量流量与增压比关系输入相应增压器预匹配软件，可以得到多个压气机匹配图，再按增压器预匹配原则从中选择工况点适合的压气机，完成增压匹配的初步工作[13-14]。
3.2 共性规律在增压器预选中的应用
本文针对1台1.5 L直喷发动机进行增压器预选，当设计目标转速为2 000~4 000 r/min时，发动机扭矩稳定在214 N·m。根据机械效率散带图，将扭矩目标转化为PIMEP，计算结果如表3所示。
表3 增压器预匹配计算所需数据
Table 3 Data required for turbocharger pre-selection
从表3可以看出：增压发动机满足增压后的性能目标需求的的最大流量为0.105 kg/s，体积流量为0.090 8 m3/s，最大增压比为1.93。据此，选择合适大小的增压器。图10所示为3台不同型号压气机匹配图。
发动机和压气机的匹配主要指发动机所需空气流量与压气机所能提供空气流量的匹配，需满足以下几点要求：(1) 发动机这些特性的空气流量曲线尽可能穿过压气机流量/效率曲线的高效区；(2) 发动机的运行工况点特性特别是速度特性的空气流量曲线应远离压气机的喘振线，即要有足够的喘振裕度，一般要大于10%[12]。图10(a)中发动机的运行区域在压气机MAP图上偏左，表示压气机偏大，应改用更小的压气机；图10(b)中发动机的运行区域在压气机MAP图上偏右，表示压气机偏小，应改用更大的压气机。对比的3台不同型号的压气机中，只有图10(c)中压气机符合要求，且其工作点的效率基本处于压气机较高效的区域，故选择1873 CCC压气机，即选择了相应配套的增压器型号。
将选择的增压器代入发动机性能详细计算数模GT-Power，并代入本研究得到的机械效率。对发动机的性能进行详细仿真确认与优化，得到的发动机的速度特性如图11所示。从图11可见：GT-Power的详细计算结果很接近且高于目标值，验证了此方法的有效性。
图10 压气机预匹配结果
Fig.10 Pre-selection of turbo compressors
图11 仿真计算结果
Fig.11 simulation results
4 结论
(1) 提出了一种缩短和简化发动机性能概念设计阶段参数选择的方法，即通过对大量的对标试验数据进行二次开发，总结发动机动力性能与运行参数之间的共性规律，提炼出影响性能指标的主要参数，为新品发动机概念设计阶段参数的选取以及边界条件的定义提供指导。
(2) 3台先进增压直喷汽油机的机械损失效率处于同一水平，在相同转速下，PIMEP与PBMEP关系曲线基本重合，表明机械损失与机械效率在发动机之间的差别很小，无多大优化潜力，因而不是优化重点。得到的机械效率散带图可为不同发动机之间机械效率的评估及发动机机械效率的开发提供参考。
(3) 通过分析3台样机动力性能的影响因素，总结其共性规律，减少影响动力性的参数数量，最终提炼出参数J和K。增压直喷汽油机的参数J基本是一定值，大部分工况保持在0.34~0.40之间；参数K与发动机动力性呈简单的线性关系。参数J可为新品发动机概念设计时指示热效率的取值提供参考；参数K确定后便能直接得到增压汽油机的关键设计参数即进气压力和增压器压比。
(4) 借助参数K得到所需的进气压力后，通过发动机的通流特性与PIMEP之间的内在联系可以确定增压器必须提供的新鲜空气的质量流量。得到增压器压比以及质量流量后即可对增压器进行预选。仿真结果表明采用此方法对增压器的预选是有效的。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2013-01-28；修回日期：2013-03-15
基金项目：国家高新技术发展计划(“863”计划)项目(2012AA111801，2012AA111703)；国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2011CB707201)
通信作者：廖诚(1989-)，男，江西赣州人，博士研究生，从事内燃机性能开发研究；电话：13467691062；E-mail: lch200709@hnu.edu.cn
