基于進(jìn)排氣壓比的柴油機充氣效率測定方法

王云鵬　曹明柱　王曉鵬　周全　陳懷望

摘 要：近年來，排放法規(guī)日益嚴(yán)格。按照以往的通過控制新鮮進(jìn)氣量來間接調(diào)節(jié)EGR率已無法滿足要求，必須直接和精確的EGR率才可能滿足國五排放。因此必須能夠計算發(fā)動機總進(jìn)氣量，而充氣效率是計算總進(jìn)氣量的基礎(chǔ)。文章從充氣效率的定義出發(fā)，提出了基于進(jìn)排氣壓比的柴油機充氣效率測定方法，結(jié)果表明，文章提出的柴油機充氣效率測定方法可行，且具有一定的精度。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣溫度；進(jìn)氣壓力；充氣效率；測量精度

中圖分類號：TK401 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）27-0003-02

發(fā)動機的充氣效率是指發(fā)動機在當(dāng)前進(jìn)氣壓力和溫度下實際進(jìn)氣量與理論進(jìn)氣量的比值，反映了進(jìn)氣過程的完善程度，是衡量發(fā)動機進(jìn)氣性能的重要指標(biāo)。對于國四柴油機，排放相對來說并不是很嚴(yán)格，通常都是以新鮮進(jìn)氣量來間接控制EGR率，新鮮進(jìn)氣量通過安裝在EGR回路前的進(jìn)氣總管上，通過標(biāo)定新鮮進(jìn)氣量來達(dá)到排放要求。但隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，僅僅通過控制新鮮進(jìn)氣量已無法滿足要求，必須能夠直接控制EGR率才可能達(dá)到排放要求，這就需要計算發(fā)動機總進(jìn)氣量，而充氣效率是計算總進(jìn)氣量的基礎(chǔ)。

本文基于充氣效率的基本概念，提出一種采用常規(guī)測試設(shè)備測定柴油機充氣效率的方法，達(dá)到簡潔、快速和有效獲得精確計算柴油機充氣效率的目的。

1 充氣效率的計算方法

1.1 常用的充氣效率計算

發(fā)動機的充氣效率是指發(fā)動機在當(dāng)前進(jìn)氣壓力和溫度下實際進(jìn)氣量與理論進(jìn)氣量的比值。針對已定的發(fā)動機，充氣效率的測量最終都?xì)w結(jié)于總進(jìn)氣量的測量。進(jìn)氣量方法有：壓力波法、流量法和根據(jù)節(jié)氣門開度的計算。壓力波法是用對進(jìn)氣沖程中的壓力波進(jìn)行積分求得，在現(xiàn)實的發(fā)動機運轉(zhuǎn)中很難應(yīng)用。流量法是直接用流量計測量進(jìn)氣量，但在實際運用過程中由于布置的關(guān)系只能安裝在空氣濾清器后，因此只能測量新鮮進(jìn)氣量，無法測量進(jìn)氣發(fā)動機的總進(jìn)氣量。而根據(jù)節(jié)氣門開度計算進(jìn)氣量的方法在柴油機上也無法應(yīng)用：①節(jié)氣門在EGR回路之前，無法計算通過EGR部分的流量；②柴油機在正常工況下節(jié)氣門常開，只有在DPF（柴油機顆粒捕集器Diesel particulate filter）主動再生時才會有動作。

1.2 基于進(jìn)排氣壓比的充氣效率計算

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可以預(yù)測進(jìn)氣管質(zhì)量流量：

（1）

其中：

為發(fā)動機單缸進(jìn)氣量，kg/str；為發(fā)動機進(jìn)氣歧管絕對壓力，hpa；為發(fā)動機單缸容積m3；為發(fā)動機進(jìn)氣效率；為發(fā)動機進(jìn)氣歧管絕對溫度，K；為氣體常數(shù)，287.05 J/kg·K 。

根據(jù)公式（1），充氣效率無法直接測得，需要間接計算得到。

發(fā)動機總進(jìn)氣量為：

（2）

其中：

為發(fā)動機進(jìn)氣量，kg/s；為動機單缸進(jìn)氣量，kg/str；為動機轉(zhuǎn)速，rpm； 為氣缸數(shù)； 為單缸做功的循環(huán)數(shù)（四沖程機為2）。

將公式（2）帶入公式（1）得到所有與充氣效率相關(guān)的因子的公式：

（3）

其中：

為發(fā)動機充氣效率；為發(fā)動機進(jìn)氣量，kg/s；為發(fā)動機進(jìn)氣歧管絕對溫度，K；為氣體常數(shù)，287.05 J/kg·K； 為單缸做功的循環(huán)數(shù)（四沖程機為2）；為發(fā)動機進(jìn)氣歧管絕對壓力，hpa；為發(fā)動機單缸容積，m3；為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，rpm；為氣缸數(shù)。

2 試驗設(shè)備及方案

本文的研究對象是匹配輕型車的高壓共軌國五柴油機，采用VNT+電控EGR空氣系統(tǒng)以及DOC+DPF后處理方案，裸機排放達(dá)到國四水平。發(fā)動機主要參數(shù)，見表1。發(fā)動機臺架為AVL電力測功機，臺架布置，如圖1所示。

圖1 臺架布置圖

3 試驗過程

基于進(jìn)排氣壓比的測量方法測定其在發(fā)動機所有工況的充氣效率，需測量的參數(shù)，見表2。

當(dāng)EGR關(guān)閉時，通過空氣流量計的進(jìn)氣量即為發(fā)動機總進(jìn)氣量，本次試驗時關(guān)閉EGR，因此公式（3）中的發(fā)動機進(jìn)氣量就可以通過空氣流量計直接測得。其他參數(shù)可以通過相關(guān)傳感器直接測得。測試模型數(shù)據(jù)，見表3。

發(fā)動機正常熱機后按照下面工況進(jìn)行掃點。

4 試驗結(jié)果與分析

按照上述的測試模型測量結(jié)束后，將實際測量參數(shù)和發(fā)動機相關(guān)參數(shù)帶入公式（3）計算得到各工況點充氣效率，以3 600 n/min為例。充氣效率計算值，見表4。

由于渦前壓力表征著排氣阻力，也會影響充氣效率，因此在實際應(yīng)用中充氣效率不是根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力讀取，而是根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進(jìn)排氣壓比讀取的充氣效率，如圖2所示。

圖2 基于進(jìn)排氣壓比的充氣效率

在臺架上進(jìn)行充氣效率的驗證，結(jié)果顯示充氣效率的偏差小于5%，如圖3所示，基于進(jìn)排氣壓比的柴油機充氣效率測定方法可行，且滿足工程應(yīng)用要求。

圖3 充氣效率偏差

5 結(jié) 語

本文從充氣效率的定義出發(fā)，提出了基于進(jìn)排氣壓比的柴油機充氣效率測試方法，其理論基礎(chǔ)堅實，測量過程可以通過常用的設(shè)備完成，且精度滿足工程應(yīng)用要求，能夠在現(xiàn)有的柴油發(fā)動機上應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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