節(jié)氣門對進(jìn)氣泵氣損失和進(jìn)氣均勻性影響分析

（吉利新能源商用車研究院 浙江 杭州 311228）

引言

由于發(fā)動機(jī)循環(huán)做功的特性，泵氣損失是發(fā)動機(jī)運行過程中必然面臨的問題。泵氣損失的大小對發(fā)動機(jī)的熱效率及輸出功率有很大的影響。本論文就某重型發(fā)動機(jī)不同負(fù)荷下的進(jìn)氣泵氣損失進(jìn)行研究，同時探索節(jié)氣門開度對各缸進(jìn)氣均勻性的影響。

1 泵氣損失定義

泵氣損失是指發(fā)動機(jī)在換氣過程中克服進(jìn)氣阻力所消耗的功和克服排氣阻力所消耗的功的代數(shù)和[1]。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣損失是指發(fā)動機(jī)在進(jìn)氣過程中，由于氣道和節(jié)氣門開度的限制，氣缸內(nèi)的進(jìn)氣量減小，導(dǎo)致進(jìn)氣道內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)；活塞吸氣下行過程中克服負(fù)壓做功，從而產(chǎn)生功率損失。同樣排氣損失是指活塞在排氣階段，由于氣缸內(nèi)的壓力比排氣道內(nèi)的壓力（排氣背壓）高，排氣過程中需要克服氣道空氣阻力所產(chǎn)生的功率損失。這兩個階段的做功損失是由于發(fā)動機(jī)換氣特性引起的，很難使其完全消除，只能通過一些措施來減小換氣損失。本論文對進(jìn)氣階段泵氣損失進(jìn)行分析，并通過數(shù)值積分的方法計算不同負(fù)荷的泵氣損失。

如圖1 所示，在全負(fù)荷時，某增壓發(fā)動機(jī)的P-V示功圖在進(jìn)氣階段壓力大于虛線所示的曲軸箱壓力（0.1 MPa），從而吸氣階段沒有泵氣損失，只有克服排氣背壓的排氣階段存在泵氣損失。

圖1 全負(fù)荷P-V 示功圖

如圖2 所示，部分負(fù)荷時，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣階段吸氣壓力在0.1 MPa 的虛線以下，表示在進(jìn)氣階段，需要克服大氣壓力做功。而做功的大小正是P-V 圖和虛線相交構(gòu)成的下部區(qū)域面積。

圖2 30%負(fù)荷P-V 示功圖

2 進(jìn)氣泵氣損失計算

如何計算該區(qū)域面積對應(yīng)的功和功率，比較好的方法是借助燃燒分析儀，采集對應(yīng)不同曲軸轉(zhuǎn)角的缸內(nèi)壓力，然后通過積分的方法得到。同時，也可以借助發(fā)動機(jī)的動力學(xué)軟件，擬合對應(yīng)負(fù)荷的發(fā)動機(jī)缸壓曲線，同樣采用數(shù)值積分的方法求解。

2.1 計算過程

如圖3 所示，在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門開啟（位置1）到關(guān)閉（位置2）的階段，缸內(nèi)的壓力小于0.1 MPa，通過燃燒分析儀或者動力學(xué)軟件讀取對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的缸內(nèi)壓力，之后通過數(shù)值積分的方法可以計算出該面積對應(yīng)的泵氣損失。

首先計算對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的活塞位移：

將右側(cè)第2 項用二項式定理展開，并略去（1/λ）3以上的項，可以得到如下近似公式[2]

其中：y 為活塞垂直位移；r 為曲柄半徑；θ 為曲軸轉(zhuǎn)角，λ 為連桿長度/曲柄臂。

泵氣做功公式：

式中：p 為缸內(nèi)瞬時壓力；dV 為缸內(nèi)工作容積的變化；θ0為進(jìn)氣負(fù)壓開始對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，θn為進(jìn)氣負(fù)壓結(jié)束對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

借助數(shù)值計算：

其中：Δl 為活塞位移，F(xiàn) 為活塞運動需要克服的吸氣阻力。

圖3 30%負(fù)荷P-φ 壓力圖

式中：ΔP 為活塞運動需要克服的進(jìn)氣負(fù)壓，S 為活塞面積。

從而可以計算出活塞從θk運動到θk+1時克服進(jìn)氣阻力的功ΔW；之后通過求和公式得到整個進(jìn)氣段的活塞做功：

以上通過分段數(shù)值積分的方法可以得到進(jìn)氣階段的泵氣做功損失，相應(yīng)的功率損失需要考慮該段的運行時間。

其中：n 為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速r/min。

通過計算可以得到某重型發(fā)動機(jī)在1 900 r/min、30%負(fù)荷對應(yīng)的進(jìn)氣段泵氣損失W=23.88J、P=1 805.48 W。此時發(fā)動機(jī)（六缸）輸出功率為105.14 kW，因此該泵氣損失約占輸出功率的10.3%。

2.2 節(jié)氣門對泵氣損失的影響

如圖4 所示，考慮不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)節(jié)氣門開度的功率損失，50%及以上負(fù)荷時缸內(nèi)沒有進(jìn)氣泵氣損失；在40%負(fù)荷及以下的部分，泵氣損失出現(xiàn)并逐漸增加；在1 900 r/min、20%負(fù)荷時，單缸的泵氣損失達(dá)到了4.3 kW。

因此，伴隨節(jié)氣門開度的減小，進(jìn)氣系統(tǒng)中的真空度增加，從而導(dǎo)致吸氣段的泵氣損失增加。當(dāng)然更精確的計算方法是考慮曲軸箱內(nèi)的真實壓力，該值通常是0.1 MPa，但是不同的發(fā)動機(jī)循環(huán)階段其值是波動的。

圖4 部分負(fù)荷泵氣功率損失

由于發(fā)動機(jī)的節(jié)氣門開度是根據(jù)做功需要調(diào)節(jié)，低負(fù)荷時必然要降低進(jìn)氣量。因此，降低進(jìn)氣段泵氣損失較好的方法是讓發(fā)動機(jī)在較高的負(fù)荷工作，盡量避免高轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷階段的運轉(zhuǎn)。可以借助提升EGR 率來增加部分負(fù)荷缸內(nèi)的空氣量，減小真空度降低泵氣損失[3]。降油耗問題是目前車企普遍關(guān)心的問題，在產(chǎn)品研發(fā)階段，如果可以減小發(fā)動機(jī)的泵氣損失，從而在一定程度上增加輸出功率，降低發(fā)動機(jī)的油耗。

3 進(jìn)氣均勻性計算

在發(fā)動機(jī)工作過程中，各缸的進(jìn)氣均勻性也是我們關(guān)心的指標(biāo)。節(jié)氣門開度固定時，如果發(fā)動機(jī)某缸的進(jìn)氣量過多，而燃油噴油量固定，則在當(dāng)量燃燒的情況下，缸內(nèi)氣體處于稀薄燃燒狀態(tài)，過量空氣系數(shù)大于1，缸內(nèi)的燃料燃燒不充分則導(dǎo)致最大燃燒壓力偏低。如果某缸進(jìn)氣量偏少，則必然導(dǎo)致過量空氣系數(shù)小于1，缸內(nèi)燃油量較多，燃燒放熱量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力偏高。因此，各缸進(jìn)氣量的偏差將會導(dǎo)致各缸最大燃燒爆壓的偏差。

3.1 計算過程

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣均勻性通常采用定壓差法和定流量法，兩種方法本質(zhì)上相同。定壓差法以壓差為邊界條件，通過質(zhì)量流量評估進(jìn)氣均勻性；定流量法以入口流量為邊界條件，通過壓降評估進(jìn)氣均勻性[4]。以定壓差法為例，設(shè)置節(jié)氣門進(jìn)氣前端位置為入口，入口壓力0 Pa，第i 缸出口位置設(shè)置出口壓力，通常采用-2 500 Pa；通過實驗或者CFD 計算，可以得到第i 缸的質(zhì)量流量。依次分別計算各缸的質(zhì)量流量，由公式（10）計算各缸的流量系數(shù)αi，由公式（11）計算流量系數(shù)偏差φ，該值一般小于±3%，最好在±2%以內(nèi)[5]。

式中：mth為理論質(zhì)量流量；mi為第i 缸的實際質(zhì)量流量；R 為氣體常數(shù)；T 為溫度；p 為出口壓力；p0為進(jìn)口壓力；Aref為出口面積；ψ 為流量因子；k 為絕熱指數(shù)。

3.2 節(jié)氣門對進(jìn)氣均勻性影響

通過對某重型發(fā)動機(jī)進(jìn)氣均勻性的CFD 分析，可以發(fā)現(xiàn)節(jié)氣門開度對進(jìn)氣均勻性的影響關(guān)系。

如圖5 所示，通過搭建不同節(jié)氣門開度的進(jìn)氣系統(tǒng)CFD 模型，可以計算出各缸的進(jìn)氣質(zhì)量流量。對計算結(jié)果整理分析，如圖6 所示伴隨著節(jié)氣門開度的增加，氣缸內(nèi)的平均流量系數(shù)逐漸增加；同時，各缸的進(jìn)氣質(zhì)量流量散差φ 也在逐步的增加。這是因為在節(jié)氣門接近全開時，進(jìn)氣道空氣質(zhì)量流量較高，湍流波動性增強(qiáng)導(dǎo)致進(jìn)氣流動更加紊亂，最終影響到各缸的進(jìn)氣質(zhì)量流量。因此，在進(jìn)行發(fā)動機(jī)各缸進(jìn)氣均勻性計算時，如果在節(jié)氣門全開時各缸的進(jìn)氣均勻性較好（2%左右），則部分負(fù)荷的進(jìn)氣均勻性相對會更好。

圖5 搭建不同節(jié)氣門開度CFD 模型

圖6 節(jié)氣門開度與進(jìn)氣均勻性關(guān)系

4 結(jié)論

總之，節(jié)氣門是發(fā)動機(jī)的一個關(guān)鍵零部件，其對發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣均勻性和進(jìn)氣階段泵氣損失存在很大影響。在零部件設(shè)計階段，需要綜合評估節(jié)氣門直徑和節(jié)氣門開度對發(fā)動機(jī)性能以及燃油消耗率的影響。