機(jī)械增壓器旁通閥控制方式與油耗及試驗(yàn)研究

尹紫恒

(上海交通大學(xué))

與渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)布置有所不同，機(jī)械增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的系統(tǒng)布置一般采用節(jié)氣門(mén)前置的設(shè)計(jì)。機(jī)械增壓器能夠在低于大氣壓時(shí)工作，這樣當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷時(shí)，節(jié)氣門(mén)半開(kāi)進(jìn)氣處于低壓情況，流經(jīng)機(jī)械增壓器的流量減少，因而大大減少了對(duì)功率的損耗。這種布置是對(duì)于瞬時(shí)響應(yīng)和增壓器功率減小到最少來(lái)說(shuō)時(shí)最好的結(jié)構(gòu)。

圖1 典型上游布置機(jī)械增壓系統(tǒng)的構(gòu)造

旁通閥則將增壓中冷后與增壓器進(jìn)口處連接起來(lái)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩需要調(diào)節(jié)機(jī)械增壓器的壓比和流量。在低速和低負(fù)荷工況時(shí)，旁通閥門(mén)仍然是打開(kāi)的。這樣就能保證增壓器的增壓比較小，消耗的能量最少。保持旁通閥打開(kāi)，可以將燃油消耗降到最低。

1 旁通閥的控制方式與油耗

機(jī)械增壓器主要采用兩種旁通閥，電子旁通閥和真空旁通閥，分別如圖2(a)和(b)所示。真空旁通閥多用在汽油機(jī)上，在節(jié)氣門(mén)半開(kāi)狀態(tài)下，利用進(jìn)氣岐管真空度推開(kāi)旁通閥。在進(jìn)氣閥全開(kāi)狀態(tài)下，它也可以加裝一個(gè)壓力孔利用增壓壓力打開(kāi)旁通閥，用來(lái)限定在進(jìn)氣閥全開(kāi)情況下的最大增壓比。電子旁通閥和電子節(jié)氣門(mén)類(lèi)似，且旁通閥失效時(shí)將打開(kāi)，避免對(duì)增壓器造成傷害。電子旁通閥將由ECU進(jìn)行精確控制，且只有在機(jī)械增壓器進(jìn)氣壓力接近環(huán)境壓力時(shí)才開(kāi)始關(guān)閉。

圖2 電子旁通閥和真空旁通閥

真空旁通閥里面是一個(gè)膜片彈簧，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)后面產(chǎn)生的真空度對(duì)膜片產(chǎn)生吸力，克服彈簧力使蝶閥產(chǎn)生動(dòng)作。其開(kāi)啟行程和真空度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示，在負(fù)25Kpa時(shí)開(kāi)始關(guān)閉，在－10Kpa時(shí)全部關(guān)閉。

圖3 真空旁通閥壓力－行程曲線

由于真空控制旁通閥固有的依靠節(jié)氣門(mén)后真空打開(kāi)旁通閥的驅(qū)動(dòng)模式，導(dǎo)致增壓系統(tǒng)在全部的部分負(fù)荷下，機(jī)械增壓器的進(jìn)氣口都處于負(fù)壓的環(huán)境，因而在期望的壓比 (增壓器出口:環(huán)境壓力)和增壓器工作壓比 (增壓器出口:增壓器進(jìn)口)之間有一個(gè)偏差，具體的說(shuō)就是增壓器總是工作在比期望壓比高的條件下，根據(jù)膜片彈簧的開(kāi)啟條件，壓比一般要高0.2左右。而機(jī)械增壓器的輸入功率由壓比和轉(zhuǎn)速絕對(duì)，壓比高導(dǎo)致增壓器消耗功率增大。而電子控制旁通閥由ECU控制和驅(qū)動(dòng)，可以根據(jù)實(shí)際的流量和壓比需要，精確地控制旁通閥的開(kāi)度，因此可以降低增壓器在部分負(fù)荷下的輸入功率，從而降低部分負(fù)荷下的燃油消耗。

圖4 真空旁通閥和電子旁通閥壓比差異

2 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究

為了實(shí)際了解真空旁通閥和電子旁通閥控制方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的影響和定量的分析，進(jìn)行了實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)是試驗(yàn)研究。本實(shí)驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為美國(guó)通用GM LSJ 2.0L直列4缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，安裝有Eaton第五代M62機(jī)械增壓器，匹配了真空控制的旁通閥。圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀視圖。

圖5 實(shí)驗(yàn)用GM LSJ2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)下表:

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

2.1 原機(jī)萬(wàn)有特性實(shí)驗(yàn)

獲取萬(wàn)有特性的實(shí)驗(yàn)方法主要有兩種。一種稱為等分扭矩法，其過(guò)程為在某一固定轉(zhuǎn)速下，在某一較低扭矩值和根據(jù)外特性測(cè)得的該轉(zhuǎn)速最大扭矩之間等分幾個(gè)扭矩點(diǎn)，分別測(cè)量在這幾個(gè)扭矩點(diǎn)的燃油消耗率;另一種是等分進(jìn)氣壓力法，即將最大進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力等分幾個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)量在這幾個(gè)壓力點(diǎn)的燃油消耗率。因?yàn)榕ぞ睾瓦M(jìn)氣歧管壓力均可表征發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，因此這兩種方法是等同的。等分扭矩法在國(guó)內(nèi)是一種主流的萬(wàn)有特性試驗(yàn)方法。但由于本試驗(yàn)需要研究的是旁通閥在不同進(jìn)氣歧管壓力下的開(kāi)度優(yōu)化控制策略，因此相對(duì)而言等分進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力顯得更合適一些，因此，進(jìn)行了等分進(jìn)氣壓力法的萬(wàn)有特性試驗(yàn)。

由在進(jìn)氣歧管壓力為60kPa以下時(shí)，增壓器旁通閥均為全開(kāi)狀態(tài);在160kPa以上時(shí)，旁通閥為全閉狀態(tài)。因此在等分壓力的時(shí)候我們便可以分別以60kPa和160kPa為上下界點(diǎn)，每個(gè)20kPa測(cè)量一次，這樣便使得工作量有所減少而不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的轉(zhuǎn)速點(diǎn)分別為1000rpm、2000rpm、3000rpm、4000rpm、4400rpm、5000rpm、5600rpm、6000rpm、6400rpm。高速范圍內(nèi)所測(cè)轉(zhuǎn)速的間隔較小。

為了保證進(jìn)氣歧管壓力保持在一個(gè)相對(duì)恒定的值，就必須不斷調(diào)整節(jié)氣門(mén)開(kāi)度或者扭矩。實(shí)驗(yàn)獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)等分進(jìn)氣歧管壓力燃油消耗率萬(wàn)有特性曲線如圖6所示。

圖6 原機(jī)萬(wàn)有特性曲線 (等分進(jìn)氣歧管壓力)

2.2 更改旁通閥的控制方法

為了實(shí)現(xiàn)旁通閥的手動(dòng)精確控制，首先應(yīng)該將真空控制閥取下，或?qū)⑵淙≌婵斩鹊墓茏影蜗?，使其不能工作。其次，安裝設(shè)計(jì)好的旁通閥外部連線裝置，將其焊接在原機(jī)旁通閥的外部。外部連線裝置的圓心焊接在原機(jī)旁通閥的旋轉(zhuǎn)中心軸線上，可以和旁通閥實(shí)現(xiàn)同軸旋轉(zhuǎn)。

控制端我們采用了旁通閥驅(qū)動(dòng)單元，其基本原理就是根據(jù)電壓值的不同，可以操控旁通閥執(zhí)行器搖臂擺動(dòng)不同的角度。旋動(dòng)旋鈕即可以實(shí)現(xiàn)電壓值的改變。

圖7 旁通閥手動(dòng)控制示意圖

旁通閥驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)電路連接到安置在臺(tái)架上的旁通閥執(zhí)行器，控制系統(tǒng)如圖7所示。旁通閥執(zhí)行器根據(jù)驅(qū)動(dòng)單元所發(fā)出的電壓信號(hào)的不同，可以控制搖臂擺動(dòng)不同的角度。電壓增大，旁通閥執(zhí)行器的搖臂向一個(gè)方向擺動(dòng)，則拉動(dòng)旁通閥開(kāi)啟一定角度;電壓減小，旁通閥執(zhí)行器搖臂向另一個(gè)方向擺動(dòng)，則旁通閥在自身蝶閥彈簧的作用下復(fù)位一定角度，直到旁通閥全關(guān)。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)整旁通閥驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部電阻值以及連線的長(zhǎng)度，使得在0V時(shí)對(duì)應(yīng)旁通閥全閉的狀態(tài)即0°，4V時(shí)對(duì)應(yīng)旁通閥全開(kāi)的狀態(tài)即90°。也就是說(shuō)旁通閥驅(qū)動(dòng)單元的指示表中一小格代表的旁通閥開(kāi)度為4.5°，這中對(duì)應(yīng)關(guān)系的確定是獲得較為準(zhǔn)確的旁通閥開(kāi)度值的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)讀出驅(qū)動(dòng)單元指示表中的讀數(shù)，便可以推算得到旁通閥的開(kāi)度。

2.3 基于最低燃油消耗率的旁通閥開(kāi)度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

旁通閥開(kāi)度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的目的是尋找在某一轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下最低燃油消耗率。本實(shí)驗(yàn)是以等分進(jìn)氣歧管壓力萬(wàn)有特性實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)至相同轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣歧管壓力 (MAP)，以所記錄的原機(jī)旁通閥開(kāi)度為中心，向增加開(kāi)度和減小開(kāi)度兩個(gè)方向上分別調(diào)節(jié)旁通閥的開(kāi)度，測(cè)量并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率。在一定的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下會(huì)記錄一組因旁通閥開(kāi)度不同而不同的燃油消耗率值，從中找出一個(gè)最小值。實(shí)驗(yàn)過(guò)程可由圖12簡(jiǎn)單表示。

圖8 旁通閥開(kāi)度標(biāo)定過(guò)程

實(shí)驗(yàn)所測(cè)的轉(zhuǎn)速范圍為1000rpm到6400rpm，在低轉(zhuǎn)速區(qū)域轉(zhuǎn)速點(diǎn)的間隔為1000rpm，在中高轉(zhuǎn)速區(qū)域由于靠近最大扭矩點(diǎn)，所以間隔劃分得較小。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了保證進(jìn)氣歧管壓力 (MAP)基本不變，需要不斷調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度。

改變了旁通閥開(kāi)度，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率就發(fā)生了改變。在同轉(zhuǎn)速同負(fù)荷的情況下，改變一組旁通閥開(kāi)度值，從中可找到一個(gè)燃油消耗率的最小值。該最小值所對(duì)應(yīng)的旁通閥開(kāi)度，就是增壓器旁通閥的優(yōu)化開(kāi)度。結(jié)果如圖9所示。圖中黑色數(shù)據(jù)為原機(jī)旁通閥開(kāi)度，紅色數(shù)值即為可以取得最低燃油消耗率的增壓器旁通閥開(kāi)度。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，所獲得的優(yōu)化開(kāi)度均大于原機(jī)通過(guò)真空控制閥自動(dòng)控制的開(kāi)度。

圖9 旁通閥的優(yōu)化開(kāi)度

實(shí)驗(yàn)完成后將所測(cè)量的燃油消耗率和原機(jī)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 燃油消耗率對(duì)比

轉(zhuǎn)速(rpm)優(yōu)化后燃油消耗率(g/kWh)4400 140 296.8 296.84400 160 301.2 301.25000 60 336.8 336.85000 80 294.8 289.55000 100 300.6 290.45000 120 301.5 293.75000 140 305.3 292.55000 160 311.1 311.15600 60 354.5 354.55600 80 302.5 299.15600 100 304.8 296.45600 120 327.6 320.55600 140 329.3 318.45600 160 313.2 313.26000 60 372.4 372.46000 80 315.2 311.16000 100 327.7 323.06000 120 328.6 316.96000 140 336.8 327.16000 160 327.9 327.96400 60 389.9 389.96400 80 366.7 355.76400 100 353.0 345.66400 120 359.5 335.76400 140 368.5 352.16400 160 388.7 388.7進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力(kPa)原機(jī)燃油消耗率(g/kWh)

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化旁通閥開(kāi)度后，部分負(fù)荷下燃油消耗率較明顯地降低。尤其在低速和高速時(shí)效果比較明顯。在1000轉(zhuǎn)MAP 80Mpa時(shí)，節(jié)油11.6g/Kwh，節(jié)油率4.02%;在6400轉(zhuǎn)時(shí)MAP 120Mpa時(shí)，節(jié)油23.8g/kwh，節(jié)油率6.62%。最低燃油消耗率由原機(jī)的260.1g/kWh下降為257.3g/kWh，節(jié)油率為1.42%。為了更明顯地體現(xiàn)出這種變化，將優(yōu)化旁通閥開(kāi)度后所獲得的最低燃油消耗率繪制成萬(wàn)有特性曲線，和原機(jī)等分進(jìn)氣歧管壓力萬(wàn)有特性曲線對(duì)比，結(jié)果如圖10所示。)圖中黑色曲線為原機(jī)等分進(jìn)氣歧管壓力萬(wàn)有特性曲線，紅色曲線為在旁通閥優(yōu)化開(kāi)度下獲得的萬(wàn)有特性曲線。由圖可見(jiàn)，優(yōu)化旁通閥開(kāi)度后，低油耗區(qū)域 (260g/kWh)面積大幅度增加，且低油耗的轉(zhuǎn)速范圍也增大。表3列舉了較低的燃油消耗率 (280g/kWh以下)，相同的等燃油消耗率曲線在原機(jī)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣歧管壓力(MAP)的范圍與優(yōu)化后的等燃油消耗率曲線的對(duì)比。通過(guò)對(duì)比，這種變化更加明顯得顯示了出來(lái)。

圖10 萬(wàn)有特性對(duì)比

表3 等燃油消耗率曲線范圍比較

由此可以說(shuō)明優(yōu)化增壓器旁通閥開(kāi)度，可以較大程度降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。這可以為制定電子控制旁通閥開(kāi)啟策略提供標(biāo)定參考依據(jù)。

3 總結(jié)

本文論述了機(jī)械增壓系統(tǒng)的兩種旁通閥控制方式及其對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)型的影響，并進(jìn)行了實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)旁通閥開(kāi)度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的旁通閥開(kāi)度可以使發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率較大幅度降低，在低速時(shí)，最大節(jié)油率4.02%;在高速時(shí)，最大節(jié)油率6.62%。而在中間轉(zhuǎn)速時(shí)的最低燃油消耗率由原機(jī)的260.1g/kWh下降為257.3g/kWh，節(jié)油率為1.42%。而且優(yōu)化旁通閥開(kāi)度使得發(fā)動(dòng)機(jī)在更大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)處于低油耗區(qū)域。因此應(yīng)當(dāng)更改增壓器旁通閥的控制方法，由原來(lái)的通過(guò)真空控制閥控制改為和真空度無(wú)關(guān)的電子控制。本實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的數(shù)據(jù)可以為指定電控旁通閥策略提供參考。

〔1〕Engine and Dynamometer Testing Guide for Eaton Superchargers，Eaton Supercharger Engineering，2009，1

〔2〕Mike Lau，Daniel R.Ouwenga，Development Potentials for Superchargers，ATZ 2011，11，32－37

〔3〕錢(qián)人一.汽油機(jī)的機(jī)械增壓 (一)〔J〕.汽車(chē)與配件.2003(37):24－25

〔4〕錢(qián)人一.汽油機(jī)的機(jī)械增壓 (二)〔J〕汽車(chē)與配件.2003(38):26－28