增壓直噴汽油機(jī)非點(diǎn)火工況機(jī)械損失測定與研究

盧維偉 汪 洋 李承運(yùn) 孫建軍 方會(huì)詠 吳海甫

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江方圓檢測集團(tuán)股份有限公司機(jī)械輕工部）

引言

在國家倡導(dǎo)節(jié)能減排的大環(huán)境下，如何提高傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的燃油效率一直是科研院校和汽車企業(yè)的重點(diǎn)研究方向。采用混合動(dòng)力技術(shù)是目前提高燃油效率最有效、最顯著的方案。混合動(dòng)力汽車采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為車輛動(dòng)力源，在不同的行駛工況，通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配，可以實(shí)現(xiàn)最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性[1-3]。國外的豐田汽車公司和本田汽車公司早在十多年前就開始研發(fā)混合動(dòng)力系統(tǒng)以改善燃油經(jīng)濟(jì)性；國內(nèi)的比亞迪股份有限公司，其早期產(chǎn)品F3DM 是國內(nèi)首款混合動(dòng)力量產(chǎn)車型，上市當(dāng)初備受矚目。但是，混合動(dòng)力系統(tǒng)需要額外配備電機(jī)、電控系統(tǒng)和電池，相比于同型號的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，混合動(dòng)力汽車的生產(chǎn)成本更高。當(dāng)前，汽車銷售的最大份額依舊是性價(jià)比較高的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，如何提高傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的燃油效率，顯得更加重要。

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車燃油效率的提高主要有2 種途徑：提高燃燒效率和降低機(jī)械損失。提高燃燒效率主要從提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比、優(yōu)化燃油噴射、改善混合氣組織、采用高能點(diǎn)火等措施實(shí)現(xiàn)燃燒的高效化來實(shí)現(xiàn)。高尚志等[4]研究了低壓EGR 對燃油經(jīng)濟(jì)性的改善，取得了顯著成果；門欣等[5]通過采用阿特金森循環(huán)有效改善了小負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械損失由3 方面組成：缸內(nèi)高溫工質(zhì)與缸體冷卻水套的熱交換損失（散熱損失）、進(jìn)排氣過程的泵氣損失、由運(yùn)動(dòng)零部件接觸面引起的摩擦損失。目前，對機(jī)械損失的研究基本上都是在發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒的工況進(jìn)行的，而對發(fā)動(dòng)機(jī)非燃燒工況（非點(diǎn)火工況）的機(jī)械損失研究則較少。研究發(fā)動(dòng)機(jī)非點(diǎn)火工況的機(jī)械損失是對燃燒工況的機(jī)械損失研究的一種重要補(bǔ)充。

為了了解內(nèi)燃機(jī)非點(diǎn)火工況的機(jī)械損失，本文在一臺(tái)2.0 L 增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，輔以氣缸壓力計(jì)算，從散熱損失、泵氣損失和摩擦損失3 方面對總機(jī)械損失進(jìn)行了研究；探索了散熱損失、泵氣損失和摩擦損失的影響因素、與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的關(guān)系、在總機(jī)械損失中的占比，進(jìn)而提出了降低發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失的手段。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)2.0 L 增壓缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，具有可變氣門正時(shí)系統(tǒng)，是一款比較有代表性的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

主要試驗(yàn)設(shè)備見表2。

表2 主要試驗(yàn)設(shè)備列表

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的主要執(zhí)行器包含節(jié)氣門、增壓器、可變氣門正時(shí)系統(tǒng)（VVT），本文試驗(yàn)研究非點(diǎn)火工況發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下，不同執(zhí)行器動(dòng)作對散熱損失、泵氣損失和摩擦損失的影響。泵氣損失和散熱損失可以通過燃燒分析儀的實(shí)時(shí)氣缸壓力計(jì)算得到，摩擦損失可由臺(tái)架測功機(jī)測定的總機(jī)械損失與泵氣損失、散熱損失求差得到，即總機(jī)械損失=摩擦損失+泵氣損失+散熱損失。所有指標(biāo)的計(jì)量單位均為N·m。

本文設(shè)計(jì)了3 組試驗(yàn)，分別對不同排氣背壓、不同進(jìn)氣壓力、不同氣門重疊角3 個(gè)變量在不同轉(zhuǎn)速下對發(fā)動(dòng)機(jī)總機(jī)械損失的影響進(jìn)行了研究。

具體試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)如下：

1）保持節(jié)氣門全開，氣門重疊角最小，增壓器廢氣旁通閥開度從0%～100%逐漸變化，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓的連續(xù)變化。測試轉(zhuǎn)速分別為1 500、2 500、3 500、4 500、5 500 r/min。

2）保持增壓器廢氣旁通閥開度為100%，氣門重疊角最小，節(jié)氣門開度從0%～100%逐漸變化，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣壓力的連續(xù)調(diào)節(jié)。測試轉(zhuǎn)速分別為1 500、2 500、3 500、4 500、5 500 r/min。

3）保持節(jié)氣門全開，增壓器廢氣旁通閥開度處于100%位置，氣門重疊角從最小位置逐漸變化到最大位置，實(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣門同時(shí)開啟時(shí)間連續(xù)調(diào)節(jié)。

以上試驗(yàn)工況，要求發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水出口溫度維持在（90±3）℃。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了方便試驗(yàn)結(jié)果比較，本文將燃燒分析儀測得的平均指示壓力轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)械損失評價(jià)的標(biāo)度統(tǒng)一。

2.1 排氣背壓與機(jī)械損失的關(guān)系

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，增壓器廢氣旁通閥開度決定了流經(jīng)增壓器葉輪氣體流量的大小，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓。流經(jīng)葉輪的氣體流量越高，增壓器的增壓能力越強(qiáng)，排氣背壓越大；反之，增壓器的增壓能力越弱，排氣背壓越小。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失與增壓器廢氣旁通閥開度的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 機(jī)械損失與增壓器廢氣旁通閥開度的關(guān)系

從圖1a 可以看出，高轉(zhuǎn)速下，泵氣損失與增壓器廢氣旁通閥開度呈線性關(guān)系；相同增壓器廢氣旁通閥開度下，泵氣損失隨轉(zhuǎn)速呈線性變化。從圖1b可以看出，增壓器廢氣旁通閥開度對散熱損失影響不顯著。從圖1c 可以看出，增壓器廢氣旁通閥開度對摩擦損失影響不顯著；相同增壓器廢氣旁通閥開度下，摩擦損失隨轉(zhuǎn)速呈線性變化。從圖1d 可以看出，高轉(zhuǎn)速下，總機(jī)械損失與增壓器廢氣旁通閥開度呈線性關(guān)系；相同增壓器廢氣旁通閥開度下，總機(jī)械損失與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關(guān)系。

2.2 節(jié)氣門開度與機(jī)械損失的關(guān)系

節(jié)氣門一直被認(rèn)為是造成汽油機(jī)泵氣損失較大的因素，尤其在低負(fù)荷時(shí)，節(jié)氣門開度小，節(jié)流損失大，導(dǎo)致泵氣損失大。節(jié)氣門開度與機(jī)械損失的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 機(jī)械損失與節(jié)氣門開度的關(guān)系

從圖2a 可以看出，低轉(zhuǎn)速下，泵氣損失與節(jié)氣門開度呈顯著的線性關(guān)系；隨著轉(zhuǎn)速的升高，泵氣損失與節(jié)氣門開度的線性關(guān)系減弱；相同節(jié)氣門開度下，泵氣損失與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關(guān)系。從圖2b 可以看出，相同轉(zhuǎn)速下，散熱損失與節(jié)氣門開度呈顯著的線性關(guān)系，說明進(jìn)氣量越大，散熱損失越大。從圖2c 可以看出，相同節(jié)氣門開度下，摩擦損失與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關(guān)系。從圖2d 可以看出，低轉(zhuǎn)速下，總機(jī)械損失與節(jié)氣門開度的關(guān)系不顯著；相同節(jié)氣門開度下，總機(jī)械損失與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關(guān)系。

2.3 氣門重疊角與機(jī)械損失關(guān)系

具備可變氣門正時(shí)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過調(diào)節(jié)氣門重疊角，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部廢氣再循環(huán)（EGR）率的改變，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失。通過合理的氣門重疊角設(shè)置，可以有效降低泵氣損失，降低油耗。非點(diǎn)火工況下，氣門重疊角與機(jī)械損失的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 機(jī)械損失與氣門重疊角的關(guān)系

從圖3 可以看出，氣門重疊角變化對泵氣損失、散熱損失和摩擦損失的影響均不顯著，即在非點(diǎn)火工況，氣門重疊角變化不會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的總機(jī)械損失，這一點(diǎn)與燃燒工況差異明顯。但是，氣門重疊角不變時(shí)，總機(jī)械損失與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關(guān)系。

3 降低機(jī)械損失的有效手段

降低泵氣損失最有效的手段是取消節(jié)氣門，消除進(jìn)氣節(jié)流，通過控制氣門開啟與關(guān)閉時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制[6]；降低散熱損失的有效手段是采用低導(dǎo)熱率涂層噴涂氣缸內(nèi)壁，減少缸內(nèi)工質(zhì)和缸體水套的熱交換；降低摩擦損失的有效手段有：減少摩擦副接觸面積、采用更嚴(yán)格的加工工藝控制摩擦副的表面粗糙度、減少運(yùn)動(dòng)件數(shù)量、采用低黏度潤滑油等。

4 結(jié)論

本文通過燃燒分析儀和臺(tái)架測功機(jī)測定了傳統(tǒng)汽油機(jī)在非點(diǎn)火工況的泵氣損失、散熱損失和摩擦損失，對非點(diǎn)火工況發(fā)動(dòng)機(jī)的總機(jī)械損失進(jìn)行了探索，得出結(jié)論如下：

1）節(jié)氣門開度與泵氣損失相關(guān)性最顯著；高轉(zhuǎn)速下，增壓器廢氣旁通閥開度變化對泵氣損失影響較大；氣門重疊角對泵氣損失影響較小。

2）節(jié)氣門開度對散熱損失影響顯著，散熱損失隨進(jìn)氣量增加呈線性增加；增壓器廢氣旁通閥開度和氣門重疊角對散熱損失影響不明顯。

3）節(jié)氣門開度變化、增壓器廢氣旁通閥開度變化和氣門重疊角變化對摩擦損失影響均不顯著；摩擦損失與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的相關(guān)性最顯著。