汽車排氣損失能量測(cè)試方法研究

溫 敏

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

關(guān)鍵字：汽車；排氣損失；分段擬合；轉(zhuǎn)轂測(cè)試

前言

內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、熱能等形式。其中發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端輸出和驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)等附件消耗的機(jī)械能一般占總化學(xué)能的30%左右，絕大部分化學(xué)能都轉(zhuǎn)換成熱能。熱能耗散主要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等，需要分別建立其散熱模型進(jìn)行能量測(cè)試和分析[1,2]。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于排氣能量損失研究主要是針對(duì)消聲器傳遞損失的測(cè)試分析，測(cè)試量包括溫度、壓力及流速等，測(cè)試方法包括聲波分解法、兩負(fù)載法、兩聲源法和脈沖法等[3,4]。而對(duì)汽車排氣能量損失研究文獻(xiàn)較少。

本文提出了一種基于進(jìn)排氣能量差異的排氣損失能量測(cè)試方法，并構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 測(cè)試原理

假定發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室油氣充分燃燒，定義發(fā)動(dòng)機(jī)排氣損失能量Qe為排氣能量QA2與進(jìn)氣能量QA1的差值，如公式（1）所示。

排氣能量QA2和進(jìn)氣能量QA1按照公式（2）計(jì)算。

式中，ce——排氣定容比熱，取值1.30kJ/(kg·℃)

Te——尾氣溫度，℃

mF——燃油質(zhì)量流量，kg/h

mA——空氣質(zhì)量流量，kg/h

cA——進(jìn)氣定容比熱，取值1.011 kJ/(kg·℃)

TA——環(huán)境溫度（進(jìn)氣溫度），℃

ρF——燃油密度，取值0.742 kg/L

VF——燃油體積流量，kg/h

λ0——空燃比，取值14.6

2 測(cè)試系統(tǒng)搭建

基于AVL 轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)建排氣損失能量測(cè)試系統(tǒng)[5]，架構(gòu)如圖1，包括傳感器組、數(shù)據(jù)采集器和便攜式計(jì)算機(jī)等。

通過(guò)轉(zhuǎn)轂實(shí)現(xiàn)勻速車速控制。油耗通過(guò)油耗儀測(cè)試，基于流量測(cè)速原理。溫度傳感器采用K 型熱電偶，將熱電偶測(cè)點(diǎn)分別布置在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口和尾氣排放口處，測(cè)試進(jìn)氣和排氣溫度。數(shù)據(jù)采集器選用轉(zhuǎn)轂數(shù)采。計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集、顯示、保存。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

3 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

選用某乘用車進(jìn)行排氣損失能量測(cè)試，樣車參數(shù)如表1。

表1 樣車主要參數(shù)表

設(shè)定環(huán)境溫度25℃，濕度控制在45%～75% 范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)轂恒速兩驅(qū)M 模式，充分熱車后進(jìn)行試驗(yàn)。

在轉(zhuǎn)轂上選擇四檔進(jìn)行等速油耗試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定800、1200、1600、2000、2500、3500、4500 r/min 等7 種，將每個(gè)轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷劃分8 等分，依次增加轉(zhuǎn)轂負(fù)荷進(jìn)行等速油耗試驗(yàn)，總計(jì)采集56 組數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

在每種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，試驗(yàn)測(cè)試得到了不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的進(jìn)氣溫度、排氣溫度、瞬時(shí)油耗及排氣損失能量，以轉(zhuǎn)速800 r/min 和4500 r/min 為例，數(shù)據(jù)曲線如圖2 所示。

圖2 不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

3.3 模型建立

將各轉(zhuǎn)速下的排氣損失能量和瞬時(shí)油耗數(shù)據(jù)繪制如圖3，可看出，排氣損失能量與瞬時(shí)油耗的變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。

以油耗精度較高的5L/h 為節(jié)點(diǎn)，對(duì)排氣能量損失-油耗數(shù)據(jù)采用分段二次項(xiàng)擬合方法，分別得到排氣損失能量和瞬時(shí)油耗關(guān)系模型。其中對(duì)于油耗小于5L/h 情況，可根據(jù)排氣邏輯，設(shè)置二次項(xiàng)擬合的常數(shù)項(xiàng)為0。

圖3 樣車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-排氣損失能量實(shí)測(cè)曲線

3.4 建模效果分析

二次項(xiàng)擬合效果與仿真對(duì)比如圖4，在油耗低負(fù)荷段（小于5L/h），相關(guān)函數(shù)為：

擬合相關(guān)性為78.00%，相關(guān)性一般，表明在油耗低負(fù)荷段的排氣損失能量模型還可以進(jìn)一步優(yōu)化，油耗高負(fù)荷段（大于5L/h），相關(guān)函數(shù)為：

擬合相關(guān)性為99.87%，表明模型較為準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)排氣損失能量的測(cè)試方法，給出了測(cè)試原理，搭建了實(shí)車測(cè)試系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試分析，排氣損失能量與瞬時(shí)油耗有強(qiáng)的相關(guān)性，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了關(guān)系模型，模型數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性較好。

圖4 某樣車排氣損失能量模型與實(shí)測(cè)值對(duì)比