V型六缸汽油发动机性能开发

王占峰，闫　涛，刘金玉

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林　长春　130011）

Wang Zhanfeng，Yan Tao，Liu Jinyu



V型六缸汽油发动机性能开发

王占峰，闫涛，刘金玉

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林长春130011）

Wang Zhanfeng，Yan Tao，Liu Jinyu

摘要：应用先进科学的性能开发方法自主开发了一款V型六缸汽油发动机，主要包括动力性能开发、燃油经济性能开发、怠速性能开发和冷态启动开发及评价准则，为未来高端汽油发动机的开发积累经验。

关键词：V型六缸；发动机；性能

1　概　要

为了满足人们对高端乘用车的需求，全新开发了一款具有自主知识产权的高端汽油发动机。此发动机为V型六缸汽油机，排量为2.5L。此款发动机设计理念是希望具有澎湃动力并节能环保，所以在设计开发过程中从节能环保技术、轻量化设计、振动噪声水平和强劲的动力4个方面进行了重点关注，并最终实现4个方面的完美平衡。文中重点介绍V型六缸汽油发动机性能开发过程中科学的性能开发流程及科学的试验分析方法。

2　性能开发目标

根据乘用车平台的动力匹配要求，考虑到环保与节能是当今车用动力技术发展的2个主要着眼点，确定了满足国Ⅳ排放标准具有国Ⅴ排放潜力的汽油发动机，其功率和扭矩指标具有竞争力，主要技术参数与开发目标见表1。

表1　V型六缸发动机开发目标

3　V型发动机性能开发流程

发动机开发要具有完备的开发流程，对于性能开发也是如此。图1为V型六缸汽油机性能开发的简易流程，性能开发工作的各种开发方案都来自于性能设计所推荐的各种方案。性能开发一般以进气歧管开发作为始点，在进气歧管开发中包含外特性试验、怠速试验、冷态启动试验、评价经济性试验，如果这些试验没有达到目标要求，需要重新进行进气歧管试验开发。完成进气歧管开发工作后，进行凸轮轴的选型试验和压缩比的选型试验，如果经过这些试验之后仍然没有达到要求，就需要重新进行性能设计。

图1　V型六缸发动机开发流程

4　性能开发方案

4.1一维热力学模拟计算

在V型发动机概念设计阶段，运用一维热力学计算软件GT-Power，对发动机的进、排气管系、凸轮型线升程和相位运用DOE（Design of Experiment，实验设计）计算方法进行综合优化，最终给出换气过程的设计方案，图2为模拟计算DOE，图3为换气过程给出的设计结果。

图2　DOE性能开发示意图

通过热力学模拟计算分析，确定进气歧管的结构型式为可变容积腔式。通过改变进气歧管容积腔容积大小，可以改变进气腔内的谐振效应，从而改变压力波曲线，明显地提高发动机的充气效率，提高发动机的性能。

图3　性能设计推荐方案

4.2试验方案的确定

在性能开发试验之前，进行详细的性能开发方案设计，根据不同进气歧管、凸轮轴、排气管、压缩比方案依据性能开发流程进行详尽的开发方案策划，所有的性能开发严格依据试验方案进行，图4为性能开发方案示意图。

图4　性能开发方案

5　性能开发试验台架准备

V型发动机的开发严格按照依托整车、服务整车的理念进行，所有的发动机进、排气系统台架布置形式按照整车要求进行开发，所有测量传感器的布点严格按照图5进行。

图5　传感器布点示意图

图6为性能开发试验台架，在整个性能开发过程中，为了分析发动机缸内燃烧情况，同时监测发动机爆震情况，为每一个气缸安装了缸内压力传感器；为了精确分析换气过程，对进、排气压力波进行测试分析，这为性能开发及分析提供了详细的试验数据。

图6　V型发动机试验台架

6　性能开发及结果分析

由于此V型六缸汽油机是一款进气道多点喷射、带有进、排气VVT（Variable Valve Timing，可变气门正时）并具有可变容积腔进气歧管的高端汽油发动机，其开发的控制变量比较多，所以科学、省时的试验方法是保证快速、准确性能开发的关键，因此性能试验开发按照先进的DOE试验方法进行。

6.1外特性性能及结果分析

在性能开发过程中，需要对空燃比、点火提前角、喷油时刻、VVT及可变容积腔进行优化调整。VVT优化是参数优化的重点，双VVT调整对于性能影响非常大。由于此V型六缸发动机使用进、排气VVT，为了保证试验科学、省时，运用DOE试验方法进行进、排气相位优化试验。具体的DOE试验点布点采用正交因子试验方法，每个优化的试验工作点都按照此试验方法进行，如图7所示。每个转速点利用采集到的数据进行处理即可找到比较优化的相位及性能，如图8所示。

图7　DOE试验点

利用DOE试验方法，优化出最终的外特性性能，如图9所示。图中显示的为最终外特性性能结果与其他对标机型的对比，图中三角标记曲线为V型六缸发动机的最终外特性性能曲线，其余曲线为对标机型的数据。从图中可以看出，V型六缸发动机不但满足设定的性能目标要求，而且在中、低速段扭矩比对标机型高出很多。在高转速范围及额定功率点V型六缸发动机的性能突出，具有竞争力。

图8　各个转速优化结果图

图9　外特性试验结果

6.2燃油经济性能开发及结果分析

随着国家法规对乘用车油耗的限制越来越严格，在性能开发过程中要充分考虑燃油经济性能。本次性能开发工作严格按照依托整车、服务整车的理念进行，因此发动机部分负荷工况点主要通过整车部门根据NEDC（New European Driving Cycle）循环工况的计算结果确认。图10为整车NEDC循环工况下发动机运行工况的计算结果，图中圆圈为发动机部分负荷工况点位置，圆圈的大小为这个工况点出现的概率大小，圆圈越大，说明这个工况点出现的概率越大，反之越小。部分负荷主要的优化过程同样采用DOE试验方法，在进行这些点的优化时，主要控制发动机平均有效压力的波动率小于某个数值。这里主要介绍部分负荷中2000r/min、200kPa的试验结果。

图10　NEDC循环工况下发动机运行工况

图11为发动机在2000r/min、200kPa下的试验结果，从图中可以看出，发动机的比油耗随着进、排气重叠角的加大而减少，主要是由于随着气门重叠角的加大发动机的泵气损失减少。但是更大的气门重叠角会增加缸内的残余废气量，影响发动机的燃烧稳定性。从图中可以看出此V型六缸汽油机在2000r/min、200kPa下的最低比油耗为376g/(kW×h)。

图11　2000r/min、200kPa试验结果

图12为此V型六缸发动机2000r/min、200kPa的比油耗在汽油发动机数据库中的位置，从图中可以看出，此V型六缸发动机的比油耗处于很低的水平。

图12　2000r/min、200kPa对标数据

6.3怠速性能开发及结果分析

对于一款高端汽油发动机，怠速的稳定性能尤为重要。完成对发动机常用工况的开发工作后，需要对发动机的怠速工况进行试验开发评价。图13为发动机怠速性能试验结果，从图中可以看出，平均指示压力的波动率非常小，这表明发动机具有良好的燃烧状态，没有部分燃烧或者失火；由于发动机点火通常是在上止点前10～20°CA范围内，在这个点火角范围内，平均指示压力的波动率很小，此V型六缸汽油机具备很好的怠速性能。

图13　怠速试验结果

6.4冷态启动性能开发及结果分析

发动机的冷态启动性能影响着整车排放水平，所以在性能开发过程中，充分考虑发动机冷启动状态对排放的影响。图14为V型六缸汽油机冷启动试验结果，从结果中看，此V型六缸汽油机冷态启动过程HC排放物处于比较高的水平，需要在进一步的性能开发试验中解决，而排气能量处于中等水平，这对于冷态启动过程中催化器快速起燃非常有利。

图14　冷启动试验结果

7　性能开发结论

V型六缸汽油机与其他汽油机相比，外特性性能能够达到目标要求，且与对标机型相比具有竞争力，发动机的部分负荷经济性能与对标机型相比同样具有竞争优势，同时怠速性能好。此发动机冷态启动HC排放水平较高，需要在进一步的性能开发中解决，其排气能量处于中等水平。

参考文献

[1]蒋德明.内燃机原理[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]陈贵堂.工程热力学[M].北京：北京理工大学出版社，1997.

[3]Gamma公司GT-Suit工程手册[Z].2006.

收稿日期：2015-11-18

文章编号：1002-4581（2016）02-0012-06

中图分类号：U464.171

文献标志码：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.004