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增压双VVT汽油机缸内充量工程化建模方法
涡轮增压和进/排气双可变气门正时(VVT)的组合已成为当前汽油机进气系统的主流配置。但这些技术的引入增大了进气系统的复杂度，不但缸内充量的影响因素变得更多，进气压力和缸内新鲜充量之间的关系也不再呈线性，使缸内新鲜充量计算变得更加困难。而准确计算缸内新鲜空气量是汽油机当量燃烧控制的基础，是空燃比精确闭环控制、改善原始排放、实现“缸内净化”并保证排放达标的重要前提，因而探索精度高、易于工程实现的建模方法和计算手段十分必要。基于此，笔者通过理论推导并结合试验分析，提出一种机理与数据图表相结合的增压双VVT 直喷汽油机充量建模方法，用于计算缸内新鲜空气量，在扫气工况下可计算出扫气量。
01、试验条件
试验基于某配有进/排气双VVT 的3缸缸内直喷废气涡轮增压汽油发动机进行，图1 为试验用发动机及台架附加传感器测点示意。详细的实验条件见参考文献[1]。
图1 发动机及台架测点示意
02、基本概念及模型建立
工程中通常将气门升程为1mm 作为气门打开/关闭临界点。进气门初始相位IPin定义为进气凸轮轴处于初始位置时，进气门上升过程中升程为1mm 处相对于排气上止点的角度。排气门初始相位IPex定义为排气凸轮轴处于初始位置时，排气门下降过程中升程为1mm 处相对于排气上止点的角度。进气VVT角度Ain 为进气凸轮轴相对于其初始相位的绝对角度。排气VVT 角度Aex 为排气凸轮轴相对于其初始相位的绝对角度。VVT 重叠角Ain＋Aex 定义为进气门移动角度和排气门移动角度之和。当(Ain＋Aex)≥(IPin－IPex)时，由于进气门提前开启和排气门迟后关闭而造成进/排气门同时开启，即发生了气门叠开，反之则认为无气门重叠。对于试验用发动机，IPin＝29° CA，IPex＝-29° CA，即VVT 重叠角(Ain＋Aex)≥58° CA 时发生气门叠开，如图2 所示。此外，还引入了充量构成的概念。笔者基于缸内相对气体总量、相对滞留废气、相对回流废气、缸内相对新鲜空气量这几个参数搭建了发动机全工况模型，其详细的建模方法见参考文献[1]。
图2 VVT重叠角示意
03、模型标定及验证
3.1 全因子数据扫描及标定
利用数据处理工具对模型中的图表进行标定，图3为标定结果，标定完成后将图表的数值写入发动机控制器。
图3 各影响因子阵列标定结果
3.2 全因子扫描验证和目标VVT点验证
图4 为充量计算模型验证结果。其中图4a～4c为缸内相对新鲜空气量的验证结果，误差在±5%之内的数据点248 组(总共259 组数据)，超差的点集中出现在小负荷区域；计算的相对滞留废气和回流废气如图4d～4e 所示，随着进/排气压比的增大，回流废气不断减小，进/排气压比大于0.87 后进入临界扫气区，缸内废气占比随着进/排气压比和重叠角的增大而不断减小；图4g～4i 为扫气量的验证结果，计算扫气量的绝对误差全部在±5%之内。
图4 转速为1 500 r/min下充量计算模型的验证结果
04、结 论
(1) 分析了增压双VVT 复杂进气系统进气充量非线性的原因，提出了VVT 权重因子的概念，并对其给出了数学定义；基于VVT 权重因子，通过机理-数据混合方法对缸内充量进行了工程建模；并根据不同工况的充量构成和换气过程推导出缸内相对新鲜空气量和相对扫气量的计算公式。
(2) 面向某配有进/排气双VVT 的3 缸缸内直喷废气涡轮增压汽油发动机，采用基于SPC564A80单片机的某发动机控制单元，进行了算法建模、代码实现、数据采集、数据分析、参数标定和充分试验验证；台架试验表明，所建立的充量计算模型在发动机全工况范围内适用，且计算值与试验数据的误差精度满足实际使用需求。
05、参考文献
[1]孙鹏远,王强,苍贺成,等.增压双VVT汽油机缸内充量工程化建模方法[J].内燃机学报,2022,(04):314-321.
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