汽油機(jī)泵氣損失特性及其對(duì)性能的影響①

楊 弢， 杜愛(ài)民， 萬(wàn) 玉

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804)

0 引言

傳統(tǒng)汽油機(jī)采用節(jié)氣門控制負(fù)荷，在部分負(fù)荷工況時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)氣門對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行控制，由于進(jìn)氣壓力降低，使缸內(nèi)壓力遠(yuǎn)低于大氣壓，活塞運(yùn)行過(guò)程中需要消耗較多的功來(lái)克服兩端的壓力差，形成泵氣損失，造成熱效率的降低.這是影響汽油機(jī)部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性的主要原因之一.因此，研究汽油機(jī)部分負(fù)荷工況下泵氣損失特性及其對(duì)性能的影響，分析如何降低泵氣損失，對(duì)提高汽油機(jī)部分負(fù)荷熱效率，降低燃油經(jīng)濟(jì)性有重要意義.

本文通過(guò)對(duì)某型號(hào)1.8L汽油機(jī)工作過(guò)程的模擬，分析了其泵氣損失特性及其對(duì)汽油機(jī)性能的影響.

1 仿真計(jì)算模型建立

1.1 仿真模型建立

利用GT－POWER模擬仿真軟件搭建某型號(hào)1.8L自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型.根據(jù)原機(jī)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，包括管道長(zhǎng)度、直徑、彎曲半徑、熔劑元件體積(空氣濾清器、諧振腔、三元催化器、消聲器)等，建立如實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)較為相符的計(jì)算模型，模型的主要元件有:進(jìn)氣管道、空氣濾清器、節(jié)氣門、進(jìn)氣道、噴油器、進(jìn)氣門、排氣門、氣缸、曲軸箱、排氣道、排氣管以及傳感器和監(jiān)視器等.

部分負(fù)荷時(shí)，利用傳統(tǒng)的PID(Proportion Integration Differentiation)控制模塊的來(lái)控制計(jì)算過(guò)程中進(jìn)氣流量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷的控制.根據(jù)試驗(yàn)確定仿真計(jì)算模型各工況邊界條件，該汽油機(jī)為進(jìn)氣門單VVT，各工況條件下排氣門正時(shí)保持不變.根據(jù)相關(guān)幾何條件及物理邊界條件，在GT－POWER平臺(tái)上建立一維仿真計(jì)算模型，如圖1所示:

1.2 萬(wàn)有特性模擬及驗(yàn)證

根據(jù)試驗(yàn)提供的邊界條件，從1000r/min到6000r/min，每隔500r/min取一個(gè)工況點(diǎn)，共11個(gè)工況點(diǎn)，建立汽油機(jī)部分負(fù)荷模型，模擬仿真汽油機(jī)負(fù)荷特性，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析處理，得到汽油機(jī)油耗特性Map和流量特性Map，如圖2、圖3所示:

與汽油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比和差值計(jì)算，得到仿真模型油耗特性和流量特性的誤差Map如圖4、圖5所示:

由圖2、圖3、圖4、圖5可以看出，仿真計(jì)算得到的油耗特性和流量特性趨勢(shì)以及變化方位與原汽油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為匹配，且油耗特性和流量特性與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差基本在±5%之間，只有流量特性在個(gè)別工況點(diǎn)出現(xiàn)了大于5%情況，這些工況點(diǎn)為低速第負(fù)荷或者為高速高負(fù)荷，是仿真計(jì)算處理較為困難的區(qū)域，而且其誤差在9%以內(nèi)，不會(huì)對(duì)后期的計(jì)算產(chǎn)生太大的影響.由此可見(jiàn)，根據(jù)試驗(yàn)建立的一維仿真計(jì)算模型，可以較為準(zhǔn)確模擬汽油機(jī)的工作過(guò)程，為后期的分析和改進(jìn)提供基礎(chǔ).

圖1 1.8L自然吸氣汽油機(jī)GT－Power仿真模型

圖2 模擬值油耗特性Map

圖3 模擬值流量特性Map

2 泵氣損失特性及其對(duì)性能的影響

2.1 泵氣損失特性

從1000r/min到6000r/min，每隔500r/min取一個(gè)工況點(diǎn)，共11個(gè)工況點(diǎn)，模擬仿真發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性，計(jì)算過(guò)程中排氣正時(shí)保持不變，排氣提前角為47.2deg BBDC，排氣遲閉角為 8.5deg ATDC.圖6、圖7分別為不同工況下泵氣損失(PMEP)以及泵氣損失在IMEP中所占的比例.

圖4 模擬值油耗特性誤差Map

圖5 模擬值流量特性誤差Map

由模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，泵氣損失及其在IMEP中所占的比例增加;隨著負(fù)荷的降低，泵氣損失增加，而且泵氣損失在IMEP中所占的比例也隨著負(fù)荷的降低而增加，且這種趨勢(shì)在低速時(shí)更加明顯.以2000r/min為例，IMEP從8bar降低到2bar，泵氣損失從0.35bar增加到0.62bar，其在 IMEP中所占比例也由4.2%上升到31.4%.

圖6 泵氣損失特性

圖7 IMEP中泵氣損失比例

圖8 熱效率與IMEP關(guān)系特性曲線

2.2 泵氣損失對(duì)指示熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

隨著負(fù)荷的降低，泵氣損失及其在IMEP中的比例增加;負(fù)荷降低，可燃混合氣充量降低，缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度降低，燃燒效率降低，對(duì)指示熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響.

圖8、圖9、圖10、圖11是指示熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性隨著IMEP和泵氣損失的變化趨勢(shì).

圖9 熱效率與PMEP關(guān)系特性曲線

圖10 BSFC與IMEP關(guān)系特性曲線

圖11 BSFC與PMEP關(guān)系特性曲線

由模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相同負(fù)荷，隨著轉(zhuǎn)速的增加，熱效率降低，比油耗增加;相同轉(zhuǎn)速下，隨著負(fù)荷的降低，熱效率降低，比油耗增加;相同轉(zhuǎn)速下，隨著泵氣損失的增加，熱效率降低，比油耗增加.

以2000r/min為例，IMEP從8bar降低到2bar，熱效率從36.75%降低到29.71%，比油耗從增加到.可見(jiàn)，隨著負(fù)荷的降低，泵氣損失增加，造成熱效率降低，燃油經(jīng)濟(jì)性惡化.而且在低速的時(shí)候，隨著負(fù)荷的降低，泵氣損失的增加，熱效率降低和比油耗增加的趨勢(shì)要明顯比高速時(shí)快.

圖12 2000r/min時(shí)不同負(fù)荷示功圖

圖13 進(jìn)氣壓力與IMEP變化關(guān)系

圖14 節(jié)氣門處壓力降與IMEP變化關(guān)系

2.3 泵氣損失產(chǎn)生的原因分析

通過(guò)示功圖分析汽油機(jī)工作過(guò)程中泵氣損失產(chǎn)生的原因.以2000r/min為例，圖12為2000r/min不同負(fù)荷時(shí)仿真得到的示功圖.

圖16 進(jìn)氣門壓力與IMEP變化關(guān)系

圖17 進(jìn)氣門壓力降與IMEP變化關(guān)系

可見(jiàn)，隨著負(fù)荷的降低，進(jìn)氣過(guò)程中缸內(nèi)壓力降低，而排氣壓力基本保持不變，換氣過(guò)程中做功面積增加，泵氣損失增加.

模擬結(jié)果如圖13、圖14、圖15、圖16、圖17所示:

可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的變化，進(jìn)氣壓力變化不大，且在節(jié)氣門處的壓力降也變化不大，進(jìn)氣門壓力變化不大，進(jìn)氣門壓力損失隨著速度的增加有略微增加，說(shuō)明相同負(fù)荷下隨著速度增加，進(jìn)氣泵氣損失增加量較小，結(jié)合前面關(guān)于相同負(fù)荷下泵氣損失隨著速度的增加而增加的結(jié)論，可以得出:相同負(fù)荷下，隨著速度的增加，進(jìn)氣泵氣損失略微增加，排氣泵氣損失的增加是整體泵氣損失增加的主要部分.

隨著負(fù)荷的降低，進(jìn)氣過(guò)程中節(jié)氣門和進(jìn)氣門處的進(jìn)氣壓力也隨之降低，流經(jīng)節(jié)氣門和進(jìn)氣門處產(chǎn)生的壓力損失越大，對(duì)應(yīng)的泵氣損失也越大.由圖12可以看出，低速小負(fù)荷下，節(jié)氣門處的泵氣損失是整體泵氣損失的主要部分.泵氣損失大小與節(jié)氣門處壓力降和氣門處壓力降基本成正比，但是進(jìn)氣門隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后就無(wú)法改變了.這樣，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，泵氣損失是隨著節(jié)氣門處壓力損失的增大而增大，節(jié)氣門開(kāi)度越小，節(jié)流作用越強(qiáng)，節(jié)氣門處壓力損失越大，進(jìn)氣壓力越低，泵氣損失越大［1］.隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增加，排氣壓力增加，這造成在高速高負(fù)荷時(shí)泵氣壓力增加.

進(jìn)一步分析節(jié)氣門控制模式對(duì)進(jìn)氣量的影響可知，傳統(tǒng)汽油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣相位一定，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻不變，進(jìn)而進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的缸內(nèi)容積基本一致.這樣，在均質(zhì)混合氣情況下，如果要調(diào)整負(fù)荷，就必須控制進(jìn)氣量.而在缸內(nèi)容積一定的情況下，進(jìn)氣量的控制只能通過(guò)降低混合氣的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就需要降低進(jìn)氣壓力.在傳統(tǒng)汽油機(jī)中主要通過(guò)控制節(jié)氣門的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的控制.然而，在這種負(fù)荷控制模式中，進(jìn)氣壓力隨負(fù)荷降低而降低，這必然導(dǎo)致泵氣損失的增大［1］.

由以上的計(jì)算分析可以看出，部分負(fù)荷時(shí)控制節(jié)氣門處的壓力損失是降低泵氣損失關(guān)鍵所在，對(duì)提高熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性有重要意義.

3 結(jié)論

1)建立的某型號(hào)1.8L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真模型可以在不同負(fù)荷下很好的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程，其誤差在工程可允許范圍內(nèi).

2)相同負(fù)荷下，隨著速度的增加，進(jìn)氣泵氣損失略微增加，排氣泵氣損失的增加是整體泵氣損失增加的主要部分.

3)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的降低，節(jié)氣門的開(kāi)度減小，由于節(jié)氣門的節(jié)流作用，使得節(jié)氣門處壓力損失增加，導(dǎo)致泵氣損失增加［1］，指示熱效率降低，燃油經(jīng)濟(jì)性惡化.

4)部分負(fù)荷時(shí)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失關(guān)鍵在于降低節(jié)氣門處的壓力損失，這對(duì)提高熱效率，降低燃油消耗有重要意義.

［1］胡順堂.全可變氣門機(jī)構(gòu)汽油機(jī)泵氣損失控制及對(duì)燃燒過(guò)程的影響［D］.天津:天津大學(xué)，2009.

［2］田永祥.混合動(dòng)力汽車用艾金森循環(huán)汽油機(jī)工作過(guò)程及實(shí)現(xiàn)方法研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2009.

［3］何世泉.4G10汽油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)整體分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2008.

［4］Shiau CSN，Kaushal N，Hendrickson CT，etal.Optimal Plug－In Hybrid Electric Vehicle Design and Allocation for Minimum Life Cycle Cost，Petroleum Consumption，and Greenhouse Gas Emissions［J］.Journal of Mechanical Design，2010，132.

［5］J.M.Mallikarjuna，V.Ganesan.Theoretical and Experimental Investigations of Extended Expansion Concept for SI Engines［J］.SAE，2001，2002－01－1740.

［6］Jorge J.G.Martins，KrisztinaUzuneanu，Bernardo Sousa Ribeiro.Thermodynamic Analysis o f an Over－ Expanded Engine［J］.SAE.2004－01－0671.

［7］Oswaldo Mendes Fran?a.Impactof the Miller Cycle in the Efficiency of an FVVT(Fully Variable Valve Train)Engine During Part Load Operation［J］.SAE.2009，2009 －36 －0081.