某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)壓力損失對(duì)性能的影響

付友 李慧軍 孫飛 由毅

（蓋斯特動(dòng)力總成技術(shù)（蘇州）有限責(zé)任公司）

進(jìn)排氣系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性起著至關(guān)重要的作用，其中重要的指標(biāo)為排氣背壓與進(jìn)氣壓損。排氣背壓的大小主要受排氣歧管、廢棄渦輪增壓器、三元催化器及消聲器等零部件結(jié)構(gòu)的影響；進(jìn)氣壓力損失的大小主要受整車進(jìn)氣管、空氣濾清器、中冷器及進(jìn)氣歧管等零部件結(jié)構(gòu)的影響。文章通過(guò)AVL-BOOST軟件建立了某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)一維熱力學(xué)模型[1]，分析了排氣背壓與進(jìn)氣壓力損失在不同壓力損失時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[2]，為以后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了可參考值。

1 建立計(jì)算分析模型

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)，如表1所示。

表1 某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

1.2 模型建立

測(cè)量某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際進(jìn)排氣管路尺寸、進(jìn)排氣道長(zhǎng)度及內(nèi)徑等參數(shù)，建立一維熱力學(xué)分析模型，模型包括整車進(jìn)氣系統(tǒng)、空氣濾清器、節(jié)流閥體、進(jìn)氣歧管、氣缸參數(shù)（包含缸體和缸蓋的參數(shù)）、排氣歧管及整車三元催化器等主要零部件。熱力學(xué)模型，如圖1所示。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)零部件尺寸參數(shù)定義

1.3.1 空濾器基本參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾清器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和相關(guān)特性參數(shù)，如表2所示。

表2 空濾器基本參數(shù)

1.3.2 進(jìn)排氣歧管基本參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)1～4缸進(jìn)氣歧管管長(zhǎng)均為73 mm，截面直徑均為30 mm；排氣歧管管長(zhǎng)均為300 mm，截面直徑均為28 mm。

1.3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)基本參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸參數(shù)主要對(duì)進(jìn)排氣門升程曲線和氣道流量系數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并合理設(shè)置缸內(nèi)燃燒參數(shù)。

圖2示出該發(fā)動(dòng)機(jī)基準(zhǔn)進(jìn)排氣門升程曲線圖，其中進(jìn)氣門最大升程為8mm，排氣門最大升程為7.4mm。

上述氣門升程曲線的基本情況，如表3所示。

表3 某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)氣門升程曲線基本情況

圖3示出模擬計(jì)算中，該發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際進(jìn)排氣道流量系數(shù)隨著氣門升程的變化關(guān)系。

發(fā)動(dòng)機(jī)的基本燃燒參數(shù)，如表4所示。

表4 某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒參數(shù)

該發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)活塞頂部表面積5 000 mm2，氣缸蓋燃燒室表面積5 600 mm2，活塞Ⅰ環(huán)和Ⅱ環(huán)側(cè)面積之和300 mm2。

1.3.4 渦輪增壓器參數(shù)

渦輪增壓器技術(shù)參數(shù)，如表5所示。

表5 某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器參數(shù)

1.3.5 中冷器參數(shù)

中冷器技術(shù)參數(shù)，如表6所示。

表6 某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器參數(shù)

1.3.6 三元催化器參數(shù)

三元催化器技術(shù)參數(shù)，如表7所示。

表7 某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化器參數(shù)

1.3.7 消音器參數(shù)

消音器出入口管長(zhǎng)均為500 mm，體積5 L。

1.4 BOOST模擬邊界條件及分析方法

1.4.1 邊界條件

邊界條件的選取對(duì)于模型分析結(jié)果影響較大，而環(huán)境參數(shù)又多變，選定一個(gè)合理的邊界條件十分重要。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)理想環(huán)境，進(jìn)排氣邊界條件為進(jìn)排氣壓力100 kPa，溫度均為25℃，進(jìn)氣系統(tǒng)壓力損失為5.2kPa@5500r/min，排氣背壓為40.9kPa@5500r/min。

1.4.2 分析方法

在模擬分析中，沿用了該增壓發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)機(jī)型的缸內(nèi)燃燒參數(shù)以及摩擦功數(shù)值。為了分析計(jì)算不同進(jìn)氣壓力損失與排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，分析排氣背壓時(shí)，設(shè)定進(jìn)氣壓力損失為定值；反之，分析進(jìn)氣壓力損失時(shí)，設(shè)定排氣背壓為定值。

2 分析計(jì)算結(jié)果

2.1 不同排氣背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)性能的數(shù)據(jù)

根據(jù)分析方法，發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣壓力損失為5.2 kPa，排氣背壓分別為27.6，40.9，47.9 kPa時(shí)的功率和扭矩，如圖4和圖5所示。

2.2 不同進(jìn)氣壓力損失下發(fā)動(dòng)機(jī)性能的數(shù)據(jù)

發(fā)動(dòng)機(jī)在排氣背壓為40.9 kPa，進(jìn)氣壓力損失分別為2.3，5.2，7.9，11.7 kPa時(shí)的功率和扭矩，如圖6和圖7所示。

根據(jù)不同排氣背壓及不同進(jìn)氣壓力損失的分析計(jì)算數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)在不同進(jìn)排氣壓力損失下的最大功率、最大扭矩及低速（1 500 r/min）扭矩?cái)?shù)據(jù)，如表8所示。

表8 不同進(jìn)排氣壓力損失時(shí)最大功率、最大扭矩及低速扭矩

3 結(jié)論

1）在進(jìn)氣壓力損失一定時(shí)，隨著排氣背壓的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低；在排氣背壓一定時(shí)，隨著進(jìn)氣壓力損失的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能隨之降低；

2）從低速扭矩的變化情況來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速工況時(shí)，隨著進(jìn)排氣壓力損失的改變，扭矩值變化幅度不大，說(shuō)明進(jìn)排氣系統(tǒng)壓力損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在中高速工況時(shí)的性能影響顯著；

3）在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，排氣背壓建議不超過(guò)40 kPa，進(jìn)氣壓力損失不超過(guò)6 kPa。