一種在臺架試驗中控制增壓發動機渦輪后端進氣溫度的改進方案

張國華，張 瑜

（格特拉克（江西）傳動系統有限公司，江西 南昌 330000）

發動機是汽車的動力來源，其性能的好壞是決定汽車行駛性能的最大因素，發動機按照進氣系統是否采用增壓方式可分為自然吸氣（非增壓）發動機和強制進氣（增壓式）發動機。若進氣是在接近大氣狀態下進行的，則分為非增壓發動機或自然吸氣式發動機；若利用增壓器將進進氣壓力增高，進氣密度增大，則為增壓發動機。增壓發動機較相同排量的自然吸氣發動機動力性更強。

增壓發動機的研發過程中需要做大量的開發性、可靠性、性能等一系列試驗以保證產品的性能及可靠性[1]。其中在做增壓發動機的臺架試驗部分時，由于臺架環境和整車在實際公路上行駛的環境條件不同，缺少相對于車速的空氣冷卻，需要對增壓器后的高溫進氣進行額外的冷卻。否則發動機因進氣溫度過高而無法正常工作，不能實現試驗目的。另外常規的發動機控制單元為了確保發動機是在正常狀態下工作，一般都有2個關于進氣方面的判斷，一個是發動機的進氣溫度超過60℃時，ECU就報錯并執行限扭動作；另一個是增壓器后的進氣壓力和進氣歧管處的進氣壓力超過10 kPa時，并且持續時間超過5 s，ECU就報錯并執行限扭動作。在進行臺架試驗時，經常出現發動機進氣溫度控制不穩和在急加速、減速工況時因增壓器后的進氣壓力和進氣歧管處的進氣壓力超差而導致的限扭及性能不足問題[2]。通過仔細分發現，試驗室現有的冷卻設備需要用額外的高溫橡膠軟管和對接工裝和整車的進氣管路連接起來，這樣導致管道過長、進氣不暢等問題。經常出項進氣溫度控制不穩、限扭問題，無法順利完成試驗任務，給項目的進展造成諸多阻礙。

增壓發動機臺架試驗中的渦輪后端的進氣溫度控制是保證發動機正常工作的重要控制對象，在增壓發動機的開發、性能及耐久試驗時，由于試驗工況多、試驗時間較長，經常是持續大負荷試驗，試驗過程中的進氣溫度會不斷升高，如不加以控制就不能保證增壓發動機的長期運轉，現有的冷卻是無法滿足試驗要求，為了保證增壓發動機的正常工作，同時保證各個參數得到精準測量，必須有效地控制進氣溫度，因此我們對臺架的中冷器進行了重新設計，這個系統是一個獨立的冷卻系統，原理是通過PID調節電磁閥的開度控制進氣溫度，從而使進氣溫度保持在一個試驗溫度要求的范圍之內，并且進氣系統的壓降基本和整車一致。保證項目試驗任務的順利完成。

1 問題提出

1.1 動力總成耐久試驗問題描述

某項目在進行動力總成耐久試驗時，在急加速工況下，經常出現發動機動力突然不足，發動機進入跛行狀態，導致試驗無法進行下去。發動機扭矩突然降低如圖1所示。圖1中的發動機真實扭矩Torque在標記點3處突然從303 N·m降至130 N·m.但在此過程中發動機的油門開度一直為100%.

圖1 發動機扭矩突然降低

1.2 項目整車的基本信息

進行動力總成試驗的項目整車信息如表1所示。

表1 Vehicle Parameter整車參數

2 問題改進及驗證

2.1 問題排查

（1）查看ECU的故障碼，出現故障碼“DFC_XXXMNmax”，即發動機限扭故障。

（2）考慮可能導致發動機進入跛行狀態的幾種原因，并發現每次在急加速的工況下，發動機的增壓后的進氣壓力和進入歧管的壓力的瞬時壓差大于10 kPa，且持續時間超過5 s.導致ECU發出限扭指令，即出現發動機的動力突然不足問題。

從上圖1種可以看出：

（a）從標記1到標記4處，油門開度Throttle為100%.

（b）從標記2到3處，進氣歧管出的壓力Ps_w_a一直低于增壓器的目標壓力Ps_w_t 10 kPa以上，并且兩者相差時間超過5 s.

（c）從標記 3到標記4處，發動機真實扭矩Torque在標記點3處突然從303 N·m降至130 N·m.

（3）經對整套進氣系統進行檢漏排查，沒有發現進氣系統有漏氣的問題。觀看問題重現的視頻，發現急加速的時候，外接的進氣橡膠軟管沒有被吸癟的情況。

2.2 問題分析

經過一系列排查及仔細觀察后，發現外接的中冷器的管路比原裝的長了不少，多了轉接彎頭及連接工裝，這樣會加大進氣阻力，增大增壓器的響應時間。分析認為該限扭問題極可能是因為使用外接中冷器設備引起的。

2.3 改進方案

采用整套的原車進氣系統。在車用中冷器的散熱器外部焊接一個不銹鋼板外圈，不銹鋼板上安裝一個放氣閥和2個進出水口，其實物圖片如圖2所示。用試驗室的冷卻水系統的水做冷卻介質，通過PID電磁控制閥對進氣溫度進行控制，以保證試驗對進去溫度的要求[3]。其工作原理見圖3所示，簡單地講就是，臺架設定目標控制溫度，這個溫度會傳遞給PID電磁控制閥的目標溫度參數；空氣經過增壓器后溫度會升高，然后經過改裝后的原車中冷器；最后經過導管進入氣缸參與燃燒，在改裝后的原車中冷器后端和氣缸之間的導管處安裝了溫度傳感器，該溫度傳感器會將測得的實際進氣溫度傳給PID電磁控制閥的實際溫度參數，PID參照實際溫度和目標溫度的偏差進而控制PID電磁閥的開度，控制電磁閥的開度即是控制流經改裝后原車中冷器的水流量以達到控制增壓后進氣溫度的目的。

圖2 原車散熱器改裝前后對比圖

圖3 冷卻裝置工作原理示意圖

2.4 方案驗證

對改進后的方案進行臺架測試驗證，測試發現在和出現問題相同的工況下，改進后的增壓后的進氣壓力和進入歧管的壓力的瞬時壓差沒有出現過大于10 kPa，在后面的1000個正式的循環中，該問題沒有復現，同時很好地控制了發動機進氣溫度。驗證了該限扭問題極可能是因為使用外接中冷器設備引起的猜想。也驗證了設計的用原車中冷器的冷卻系統工作可靠，能滿足試驗對增壓發動機進氣溫度的控制的要求。

3 結論

通過對實例分析了相較于原車的整車中冷器，外接的進氣中冷器會引起進氣系統額外的壓降，造成試驗無法正常運行下去。本文給出了一種新型利用整車中冷器并能可靠控制進氣溫度的冷卻系統方案。該方案特別適用于進口增壓發動機的動力總成臺架的耐久試驗，還有增壓發動機在臺架上的性能試驗以及需要對增壓器的進氣溫度和精確模擬整車進入系統的狀態的其它臺架試驗。