自然吸气发动机性能一致性影响因素分析

王 哲 李红洲 翁中华 高正丽

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波315336 2-浙江吉利动力总成有限公司）

引言

产品的一致性是保证产品质量的重要手段，对于汽车来说更是如此。汽车产品的一致性直接影响汽车的安全性、动力性、经济性和排放，与用户的利益息息相关。为了提高汽车产品的一致性，保障用户的利益，工业和信息化部颁布了《车辆生产企业及产品一致性监督管理办法》。管理办法中明确规定了车辆生产企业是生产一致性管理的责任主体，应当建立和完善生产一致性管理体系，保证车辆产品一致性，即保证实际生产销售的车辆产品的有关技术参数、配置和性能指标，与《公告》批准的车辆产品、用于试验的车辆样品、产品《合格证》及出厂车辆上传信息中的有关技术参数、配置和性能指标一致[1]。

对于传统动力的汽车，其中的动力性、经济性和排放的一致性直接取决于发动机的一致性，因此发动机产品的一致性是汽车一致性中最重要的一部分。为了保证发动机性能的一致性，我国在2001 年颁布的国标GB/T 18297—2001 中明确定义了量产发动机性能一致性的整体要求：标定功率不超过5%，最大转矩不超过6%，外特性下的比油耗不超过4%[2]。为了应对环境保护的压力，我国汽车的排放法规越来越严格，对排放的一致性要求也越来越高。我国在2016 年发布了国6 排放标准GB18352.6—2016，其中对一致性也做出了更严格的要求，国内汽车排放管理部门也加大了轻型汽车排放生产一致性检查的管理，因此发动机产品的开发除了考虑型式核准要求以外，还要特别注意生产一致性检查的要求[3]。

为此本文针对某款自然吸气发动机性能一致性差的情况展开分析，首先通过理论分析找到影响性能一致性的可能因素。针对主要影响因素，在偏差范围内挑选不同偏差的样件，组装不同的样机进行台架性能试验。通过试验分析不同偏差对发动机性能的影响程度，确定影响发动机性能一致性的主要因素。最后制定主要因素的控制措施和标准，提高发动机性能的一致性。

1 一致性影响因素分析

对于动力性，主要影响因素是发动机的进气量、喷油量和点火提前角[4]。发动机进气量的多少决定了做功工质的多少，也就决定了发动机做功能力的大小。在进气量一定的时候，喷油量的多少决定了混合气的浓度，直接影响缸内工质的多少和燃烧的快慢。点火时刻决定了燃烧时刻，直接影响燃烧做功的效率，在进气量和喷油量一定的情况下决定了做功的多少。

影响经济性的因素有很多，主要因素有燃烧、摩擦损失、压缩比和传热损失[4]。燃烧包括燃烧时刻和燃烧速度，这2 者决定了燃烧效率，直接影响发动机的经济性。摩擦损失主要由泵气损失和机械损失组成，摩擦损失属于无用功，越大发动机经济性越差。压缩比直接影响做功效率，在一定范围内压缩比越大效率越高，发动机经济性越好，这也是目前发动机的压缩比越来越高的原因。传热损失和摩擦损失一样，传热损失越大发动机经济性越差，并且还会导致发动机热负荷增加，出现可靠性风险。

通过理论分析，找到影响自然吸气发动机性能一致性的主要因素有以下几点：

1）进气的偏差，包括进气量和进气能量；

2）喷油量的偏差；

3）燃烧的偏差；

4）压缩比的偏差；

5）摩擦损失的偏差；

6）传热损失的偏差。

对于自然吸气发动机，影响进气的主要因素有进气管路、空气滤清器、进气歧管、进气道和配气相位，其中进气管路、空气滤清器和进气歧管的制造偏差都很小，对一致性偏差影响很小，因此进气偏差主要是由进气道偏差和配气相位偏差造成的。因为采用的是电子喷油器，喷油器的偏差比较小，并且大部分工况通过氧传感器实现闭环控制，所以喷油量的偏差比较小。影响燃烧的因素有很多，进气量的偏差、滚流比的偏差、压缩比的偏差和点火的偏差是主要影响因素。因为机加工的精度高，造成的容积偏差很小，对压缩比的影响也就很小。缸盖底平面的燃烧室和活塞顶面燃烧室是铸造生产的，燃烧室容积偏差较大，是造成压缩比偏差的主要影响因素。对于摩擦损失，偏差主要是由摩擦副之间的间隙偏差造成的，比如配缸间隙和轴瓦间隙。传热损失的偏差取决于冷却水流量的偏差和壁面换热系数的偏差，主要是由水泵流量的偏差和水套铸造的偏差造成的。

2 样件检测结果

图1 是缸盖进气道测试数据统计结果，其中红点是进气道芯盒的数据，也就是进气道设计的目标值。从气道试验数据统计结果来看，进气道的滚流比和流量系数都有较大的偏差，滚流比的偏差更大一些。从这些缸盖中挑选了一个接近目标值的高性能缸盖和滚流比及流量系数都偏低的低性能缸盖，通过3 维扫描得到缸盖气道和燃烧室的实际模型与3D 模型进行重合度比较，对比结果如图2 所示，颜色越浅代表与3D 模型的重合度越高，偏差就越小，颜色越深代表与3D 模型的重合度越小，偏差也就越大。高性能缸盖的实际模型与3D 模型的重合度很高，偏差小；而低性能缸盖与3D 模型的重合度低，偏差较大。这也说明了影响气道性能偏差的主要原因是铸造砂型的位置偏差和形状偏差。

图3 是整机配气相位测量结果，最大升程和设计值基本一样，偏差很小，但进排气相位和设计值有一定的偏差，在±5°CA 的偏差范围内。

图1 缸盖进气道测试数据统计

图2 缸盖实物扫描结果和3D 模型对比结果

图3 实测配气相位与目标值的对比结果

图4 是压缩比测量结果统计，偏差比较大，有的已经超过控制标准±0.2，压缩比偏差大就造成了燃烧效率偏差大，是造成油耗偏差的主要原因。压缩比往上偏时，在外特性工况点容易出现爆震，造成点火提前角退角偏大，造成动力性下降。

表1 是进气歧管抽检的试验结果，从试验结果来看，进气管的均匀性比较好，偏差都在±3%以内，因此进气歧管生产一致性控制得比较好。

3 台架试验结果

3.1 不同缸盖对发动机性能的影响

图4 压缩比测量结果统计图

为了研究缸盖进气道一致性对发动机性能一致性的影响，通过气道试验挑选了不同滚流比和流量系数的4 个缸盖进行台架性能试验。对比试验在同一台发动机上进行，只更换缸盖总成（缸盖+进排气气门），其它部分保持不变。表2 是4 个缸盖的进气道试验结果，其中1#和2#缸盖的性能好一些，接近目标值。3#和4#缸盖的性能差一些，特别是滚流比的偏差较大。

表1 进气歧管流量系数抽检结果

表2 不同缸盖进气道试验结果

图5 为不同缸盖的外特性转矩对比，从试验结果来看，不同缸盖对发动机的动力性影响比较大，流量系数对外特性的影响比较大，流量系数越高，节气门全开的外特性工况进气量越多，动力性也就越高。滚流比的偏差对发动机低速区域的动力性影响也比较大，这是因为滚流比越大缸内湍动能越高，燃烧速度越快，燃烧效率变高，动力性得到提升。同时低速区气流速度慢，滚流比提升对湍动能提升的占比高，高速区本身气流速度足够快，湍动能比较高，滚流比带来的湍动能提升效果不明显，因此滚流比对低速区的动力性影响较大。

图5 不同缸盖的外特性扭矩对比

图6 为不同缸盖部分负荷油耗对比结果，试验结果表明，不同缸盖对发动机的经济性影响比较大，特别是小负荷区域，气道滚流比对缸内湍动能的影响比较大，从而对燃烧过程有很大的影响。滚流比越高，缸内混合气的湍动能越大，混合气燃烧速度越快，发动机经济性越好。

3.2 不同配气相位对发动机性能的影响

为了研究配气相位偏差对发动机性能一致性的影响，做了一个相位偏差+5°CA 的凸轮轴。试验在同一台样机上进行，只更换凸轮轴进行对比试验。图7和图8 是对比试验结果，从结果来看，相位偏差对发动机性能有明显的影响，特别是动力性。相位的偏差直接影响发动机的进气量和缸内残余废气系数，因为是量产发动机，标定数据是冻结的，其它控制参数保持不变的条件下对发动机的性能影响较大。

图6 不同缸盖部分负荷比油耗对比

图7 配气相位偏差对动力性的影响

图8 配气相位偏差对经济性的影响

3.3 不同压缩比对发动机性能的影响

为了研究压缩比偏差对发动机性能一致性的影响，通过调整活塞顶面燃烧室容积和缸垫的厚度实现了从小到大的4 种压缩比方案，其它零部件保持不变。图9 表示压缩比偏差对动力性的影响，压缩比小于目标值时，动力性没有下降，压缩比高于目标值时，动力性下降，压缩比越大下降得越多。这是因为压缩比增加，燃烧效率变高，出现了爆震，为了保护发动机不被破坏，控制系统推迟了点火提前角，如图10 所示，造成动力性下降。压缩比偏差对经济性的影响如图11 所示，随着压缩比的增加，经济性变好。

图9 压缩比偏差对动力性的影响

图10 压缩比偏差对爆震退角的影响

图11 压缩比偏差对经济性的影响

3.4 不同摩擦损失对发动机性能的影响

摩擦损失的偏差对动力性影响比较小，但对小负荷的油耗影响比较大，摩擦损失越大，油耗越高。如图12 所示，004S 样机的倒拖摩擦功比标定机大，2 000 r/m 时004S 样机的倒拖转矩为13.9 N·m，标定机为12.5 N·m，004S 样机比标定高了1.4 N·m。从台架性能试验结果来看，2 000 r/m@0.2 MPa 004S 的油耗达到了387 g/（kW·h），比标定机的368 g/（kW·h）高了19 g/（kW·h），油耗偏差达到了5.2%，不满足一致性要求。

图12 倒拖摩擦功对比

4 提升一致性的控制措施

通过前面的理论分析和试验验证，确定了影响自然吸气发动机性能一致性的主要因素有以下4 个方面：

1）缸盖进气道性能；

2）实际配气相位；

3）压缩比；

4）摩擦损失。

根据排查结果，兼顾措施可实施性和成本，制定了提高发动机性能一致性控制措施，主要控制内容和目标如表3 所示。

通过上面的控制标准组装了3 台样机，动力性结果如图13 所示，偏差都控制在标准范围之内，并且动力性都向增大偏移，这说明控制措施是有效的。

5 结论

1）影响自然吸气发动机性能一致性的主要因素有：缸盖进气道性能偏差、压缩比偏差、配气相位偏差和倒拖摩擦功偏差。这些因素中缸盖进气道性能偏差和压缩比的偏差比较大，对性能的影响也是最大的。

表3 提高性能一致性的控制措施

图13 按控制标准组装样机的动力性结果

2）目前机加工的精度比较高，影响气道性能偏差的主要原因是铸造砂型的位置偏差和形状偏差。缸盖底平面的燃烧室和活塞顶面燃烧室是铸造产生的，燃烧室容积偏差较大，这是造成压缩比偏差的主要影响因素。

3）根据排查结果，制定了提高发动机性能一致性的控制措施，按照控制措施组装样机的性能偏差满足控制标准，证明一致性控制措施是有效的。