增壓直噴汽油機機械損失及分解摩擦試驗研究

付建勤，段雄波，劉敬平，周峰，舒俊

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增壓直噴汽油機機械損失及分解摩擦試驗研究

付建勤1, 2，段雄波1, 2，劉敬平1, 2，周峰1, 2，舒俊1, 2

(1. 湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南長沙，410082；2. 湖南大學先進動力總成技術研究中心，湖南長沙，410082)

基于AVL試驗臺架，對一款先進車用增壓直噴汽油機分別開展整機摩擦試驗和分解摩擦試驗，研究全轉速范圍內整機機械損失和各子系統機械損失的變化規律。研究結果表明：節氣門開啟與否對整機機械損失壓力影響較大；在中低轉速區域，節氣門開啟后發動機機械損失壓力明顯下降；但在高轉速區域，發動機機械損失壓力上升；在節氣門開啟時，增壓器才對發動機倒拖功率有影響；隨著轉速增加，附件損失和曲軸損失所占百分比變化很小，氣門機構損失所占百分比逐漸減小，而活塞連桿損失百分比逐漸增加；在低轉速時，發動機機械損失主要為氣門機構損失，1 000 r/min時達到52.3%；在高轉速時，除附件損失外，其余3種損失大體相當。以上規律為提高增壓直噴汽油機的機械效率提供依據。

汽油機；機械損失；泵氣損失；機械效率；倒拖試驗

在動力機械中，內燃機由于功率和轉速范圍廣、熱效率高、燃料適應性好、能量密度高等多項優點，在各行各業中都得到了廣泛應用[1]。近年來，隨著石油危機和環境污染的日益嚴重，人們對傳統內燃機的節能減排提出了愈來愈高的要求。由內燃機熱平衡理論可知，內燃機的缸內膨脹功有相當一部分被摩擦損失、附件損失和泵氣損失所消耗[2]，這3項損失統稱為內燃機的機械損失。由于機械損失的存在，缸內指示功不可避免地減小，從而導致內燃機有效熱效率與指示熱效率具有較大的偏差。提高內燃機的機械效率，減少機械損失及其所占內燃機總功的比例，是改善內燃機動力性和經濟性的重要途徑之一，同時對于提高內燃機各個運動部件的使用壽命具有重要的意義[3]。為了降低內燃機的機械損失，國內外學者在整機機械損失測試和計算方法、摩擦損失影響因素以及對內燃機性能影響等方面相繼開展了大量的研究[4?10]。FOX[11]采用數值計算方法研究了通過降低摩擦損失對重型柴油機燃油經濟性的改善潛力。URAS等[12]提出將IMEP法用于活塞組摩擦力的測量，并用這種方法測量了低速時內燃機活塞組的摩擦力。張啟等[13]通過研究活塞組加速度、部分連桿體質量的慣性力和連桿簡化方式對摩擦力測量結果產生的影響，進一步提高了IMEP法測量活塞組摩擦力的計算精度。杜家益等[14]采用倒拖法對一款高速直噴柴油機的機械損失功率進行了試驗研究，結果表明，摩擦損失功率約占整機機械損失功率的60%，并對該型柴油機的機械損失功率進行了預測，提出了該型柴油機機械損失功率的經驗公式。雖然國內外對內燃機的機械損失形成機理及影響因素開展了廣泛的研究，但主要是針對傳統汽油機或柴油機，而對于目前國際上主流的先進增壓直噴汽油機的研究還較少，尤其缺乏全工況范圍的試驗數據。為此，本文作者針對一款先進車用增壓直噴汽油機，開展各種狀態下的整機機械損失試驗和分解摩擦試驗，對該機機械損失的變化規律、主要影響因素進行了分析，揭示各子系統機械損失所占比例及其影響因素，以便為提高增壓直噴汽油機的機械效率提供理論依據與數據支撐。

1 試驗對象和方法

本研究的試驗對象為1臺排量為1.4 L、轎車用直列四缸增壓直噴汽油機，其主要結構和性能參數見表1。試驗臺架為AVL自動控制試驗臺，測功機為AVL交流電力測功機，發動機水溫控制單元和機油溫控單元分別為AVL553和AVL554。主要測試儀器和設備見表2。其中，AVL測功機的精度為扭矩±0.3%，轉速±0.5%。

發動機機械損失的測試方法有停缸法、倒拖法、油耗線法和示功圖法等。在電力測功機條件下，倒拖法不失為一種簡便可行的發動機機械損失測試方法，并且在冷卻水溫度和機油溫度保持不變的條件下，測試精度較高[15]。因此，本研究采用倒拖法對該增壓直噴汽油機的機械損失進行測試。首先進行整機摩擦試驗，分別研究帶增壓器與不帶增壓器、節氣門開啟與關閉等條件下整機的機械損失水平及泵氣損失差異。整機摩擦試驗的方法及流程如下：

1) 拆掉發動機空濾器和增壓器渦輪機出口后所有管路；

2) 節氣門全開；

3) 設置冷卻水溫和機油溫度為90℃。待發動機水溫在(88±5) ℃，主油道機油溫度在(95±5) ℃范圍時即可開始試驗；

4) 切斷油路，使管路中剩余的燃料耗盡；

5) 切斷噴油和點火線路，用電力測功機拖動發動機；

6) 從5 200 r/min起，按照外特性試驗工況測試點逐步降低轉速，即3 000 r/min以上轉速間隔為500 r/min，2 000~3 000 r/min轉速間隔為250 r/min，1 000~ 2 000 r/min轉速間隔為200 r/min。試驗在發動機熄火后3 min以內完成。

表1 增壓直噴汽油機基本參數

7) 節氣門全關，重復3)~6)試驗；

8) 拆掉增壓器，重復2)~7)試驗。

然后進行發動機分解摩擦試驗，研究增壓直噴汽油機主要零部件和輔助安裝零件的摩擦水平及其影響因素。分解摩擦試驗是測試發動機各子系統在不點火無高溫高壓狀態下的摩擦損失，“解體方式”就是逐步拆卸發動機并且測量零部件的摩擦損失。分解摩擦試驗按表3所示流程進行。圖1所示為發動機倒拖試驗示意圖。

表2 主要的測試儀器和設備

表3 分解摩擦試驗流程

圖1 發動機倒拖試驗示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 整機摩擦試驗結果及分析

圖2所示為發動機在各種條件下的整機倒拖功率。從圖2可知：在各種條件下，整機倒拖功率均隨發動機轉速增加而近似線性增加。在轉速為5200 r/min時，發動機整機倒拖功率達到16 kW以上。有無增壓器對發動機倒拖功率影響較小，但是節氣門開啟與否對發動機倒拖功率影響較大。為了更好地分析增壓器以及節氣門對發動機機械損失的影響，同時也便于不同排量發動機之間進行機械損失比較，圖3~6所示為在各種條件下發動機的機械損失壓力(即發動機單位氣缸工作容積一個循環所損失的功)。需要指出的是，圖3~6所示的機械損失壓力包含了發動機的泵氣損失和附件損失，即由發動機的整機倒拖功率轉化而來。從圖3和圖4可知：節氣門開啟與否對發動機的機械損失壓力影響比較明顯。在中低轉速區域，節氣門全開后機械損失壓力明顯低于節氣門全關時的機械損失，不帶增壓器時二者差距更加明顯，最大達到0.04 MPa；但由于節氣門開啟后發動機機械損失壓力隨轉速上升得更快(相對節氣門關閉的情況)，在高轉速時其機械損失壓力逐漸追上甚至超過節氣門關閉的機械損失壓力。從圖4可知：帶上增壓器后，節氣門開啟后發動機機械損失壓力隨轉速的上升速率進一步增加，從而使2條曲線的交點出現得更早。這是因為帶上增壓器后，發動機在節氣門開啟后進排氣系統的氣體流動損失進一步增加，從而導致其機械損失壓力上升更快。圖3和圖4中，節氣門開啟與關閉2種條件下機械損失壓力的差異，是泵氣損失不同導致的結果。顯然，在中低轉速區域，節氣門開啟后發動機泵氣損失較小；而在高轉速下，節氣門關閉后發動機泵氣損失較小。這是因為在高轉速下，節氣門開啟后發動機進排氣系統內氣流量急劇增加，氣體流動損失劇增，從而導致發動機泵氣損失上升很快，此時，增壓器的加入進一步加大了氣體流動阻力，從而加劇了機械損失壓力上升。

1—不帶增壓器、節氣門全關；2—不帶增壓器、節氣門全開；3—帶增壓器、節氣門全關；4—帶增壓器、節氣門全開。

1—不帶增壓器、節氣門全關；2—不帶增壓器、節氣門全開。

1—帶增壓器、節氣門全關；2—帶增壓器、節氣門全開。

從圖5和圖6可知：在節氣門開啟和關閉兩種條件下，有無增壓器對發動機機械損失壓力的影響均非常小。只有當節氣門全開時，在高轉速下，帶增壓器的發動機機械損失壓力才稍微大于不帶增壓器時的損失壓力。與前面分析一樣，這是高轉速下發動機進排氣系統內氣體流量增加導致泵氣損失上升的結果。而當節氣門關閉后，發動機進排氣系統內氣體流動很微弱，此時增壓器形同虛設，因此，對發動機的機械損失壓力影響很小。從圖6可知：在全轉速范圍內，2種條件下的機械損失壓力曲線基本上吻合。

此外需要說明的是，該增壓直噴汽油機的整機機械損失壓力相對偏大。其原因如下：1) 整機倒拖試驗測得的機械損失中包含了泵氣損失；2) 由于排氣過程中工質溫度低、密度大，且自由排氣階段的抽吸作用較小，因而泵吸作用增大；3) 倒拖時發動機只經歷壓縮和膨脹沖程，在壓縮與膨脹過程，由于缸內氣體向氣缸壁面的傳熱損失，導致?圖上膨脹線低于壓縮線，出現負功面積[15]，這也導致測得的機械損失稍微偏大。

1—不帶增壓器、節氣門全開；2—帶增壓器、節氣門全開。

1—不帶增壓器、節氣門全關；2—帶增壓器、節氣門全關。

2.2 發動機分解摩擦試驗結果及分析

前面分析的發動機整機摩擦試驗結果，包含了各種條件下泵氣損失對整機機械損失的影響。通過分析可知，節氣門開啟或關閉2種條件下，泵氣損失對整機機械損失的影響較大。為了剔除泵氣損失的影響，進一步分析發動機各子系統的機械摩擦損失及其所占整機機械損失的比例，開展了分解摩擦試驗。圖7所示為發動機各子系統平均機械損失壓力隨轉速的變化，其累積之和近似為發動機整機的機械摩擦損失(剔除泵氣損失)。由圖7可知：剔除泵氣損失后，該增壓直噴汽油機的機械摩擦損失壓力并不是呈現近似線性關系，而是在中低轉速范圍內(如1 000~2 750 r/min)，增幅非常緩慢；在中高轉速區域，整機機械摩擦損失壓力才開始隨轉速急劇增加。隨著發動機轉速增加，附件和曲軸(機油泵)的機械損失壓力只有輕微的上升，氣門機構的機械損失壓力稍微降低，而活塞連桿機構的機械損失壓力明顯增加。這是因為隨著轉速增加，活塞平均速度上升導致摩擦損失急劇增加。圖8所示為發動機各子系統機械損失功率隨轉速的變化。與圖7一樣，其累積之和近似為發動機整機的機械摩擦損失功率(剔除泵氣損失)。由圖8可見：在中低轉速范圍內(如轉速1 000~2 750 r/min)，發動機機械摩擦損失功率隨轉速增加較為緩慢；但在中高轉速區域(如轉速大于3 000 r/min)，發動機機械摩擦損失功率急劇增加，在5 200 r/min時達到13 kW，這也正是發動機機械損失壓力在高轉速時上升的結果。

圖7 發動機各子系統平均機械損失壓力

圖8 發動機各子系統機械損失功率

圖9所示為全轉速范圍內發動機各子系統機械損失占總機械摩擦損失的百分比。由圖9可知：附件損失和曲軸(機油泵)損失所占百分比在全轉速范圍內變化很小；隨著轉速增加，氣門機構損失所占百分比逐漸減小，而活塞連桿機構損失所占百分比逐漸增加，二者近似呈互補關系；在1 000 r/min時，氣門機構損失占總機械摩擦損失一半以上，達到52.3%，而附件損失百分比僅為10.6%，曲軸(機油泵)和活塞連桿機構損失百分比分別為16.7%和20.4%；在5 200 r/min時，氣門機構損失百分比下降到25.8%，曲軸(機油泵)和附件損失百分比分別為23.2%和13.5%，而活塞連桿機構損失百分比增加到37.5%。由此可見，在低轉速時，發動機機械損失主要為氣門機構損失；而在高轉速時，除附件損失外，其余3種損失大體相當，但是活塞連桿機構損失百分比最大，這是活塞平均速度上升導致摩擦損失急劇增加的結果。

圖9 發動機各子系統機械損失百分比

3 結論

1) 通過對一款先進車用增壓直噴汽油機開展整機摩擦試驗和分解摩擦試驗，展示了增壓直噴汽油機在全轉速范圍內整機摩擦損失和各子系統機械摩擦損失的變化規律，為提高增壓直噴汽油機的機械效率提供了基礎數據與依據。

2) 節氣門開啟與否對整機機械損失壓力影響較大。在中低轉速區域，節氣門開啟后發動機機械損失壓力明顯下降；在高轉速區域，節氣門開啟后發動機機械損失壓力上升。這是由于泵氣損失的影響，發動機整機機械損失隨節氣門狀態變化出現差異性。

3) 帶上增壓器后，在節氣門開啟時發動機進排氣系統的氣流損失增加，從而導致發動機轉速上升時泵氣損失增加，機械損失壓力上升更快。但當節氣門關閉后，增壓器對整機機械損失幾乎沒有影響。

4) 隨著發動機轉速的增加，附件和曲軸(機油泵)機械損失壓力只有輕微增加，氣門機構機械損失壓力稍微降低，而活塞連桿機構機械損失壓力增加明顯。在轉速為5 200 r/min時，該增壓直噴汽油機的機械摩擦功率達到13 kW。

5) 隨著發動機轉速的增加，附件和曲軸(機油泵)損失所占百分比變化很小；氣門機構損失所占百分比逐漸減小，而活塞連桿機構損失所占百分比逐漸增加。在低轉速時，發動機機械損失主要為氣門機構損失，幾乎占了一半；在高轉速時，除附件損失外，其余3種損失大體相當。

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(編輯 楊幼平)

Experimental study on mechanical loss and friction decomposition of a turbocharged direct injection gasoline engine

FU Jianqin1, 2, DUAN Xiongbo1, 2, LIU Jingping1, 2, ZHOU Feng1, 2, SHU Jun1, 2

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University, Changsha 410082, China;2. Research Center for Advanced Powertrain Technologies, Hunan University, Changsha 410082, China)

The engine motored test and friction decomposition test were conducted on an advanced turbocharged direct injection gasoline engine based on AVL test bench, and then the engine friction losses and various subsystem friction losses were obtained in the whole speed range. The results show that the state of throttle has an obvious effect on the engine mechanical loss. At the low and middle speed, when the throttle is opened, the engine mechanical loss decreases obviously; but at the high speed, the engine mechanical loss rises. Only when the throttle is opened, the turbocharger will have effect on the engine motored power. With the increase of engine speed, the percentages of attachment loss and crankshaft friction loss only change a little. The percentage of valve train loss decreases gradually, while the percentage of piston and connecting rod friction loss increases gradually. At the low speed, the engine mechanical loss is mainly in form of valve train loss, and its percentage goes up to 52.3% at 1 000 r/min. At the high speed, the remaining three losses are close to each other except the attachment loss. The above rules have provided basic data for improving the mechanical efficiency of turbocharged direct injection gasoline engine.

gasoline engine; mechanical loss; pumping loss; mechanicalefficiency; motored test

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.10.037

TK417

A

1672?7207(2017)10?2830?06

2016?10?07；

修回日期：2016?12?04

國家自然科學基金資助項目(51506050，51376057)(Projects(51506050, 51376057) supported by the National Natural Science Foundation of China)

付建勤，博士，副教授，從事發動機性能開發與優化研究；E-mail：fujianqinabc@163.com