增壓汽油機不同排氣歧管長度下的壓力波動特性

楊漢乾， 鄒艷， 吳家鈺， 李翔晟， 胡遼平

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)機電工程學(xué)院， 湖南 長沙 410004; 2. 湖南天雁機械有限責(zé)任公司， 湖南 衡陽 421005；3. 中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

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增壓汽油機不同排氣歧管長度下的壓力波動特性

楊漢乾1,2，3， 鄒艷1， 吳家鈺1， 李翔晟1， 胡遼平2

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)機電工程學(xué)院， 湖南 長沙 410004; 2. 湖南天雁機械有限責(zé)任公司， 湖南 衡陽 421005；3. 中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

利用臺架試驗數(shù)據(jù)校準了增壓直噴汽油機一維性能仿真模型，應(yīng)用校準后的模型研究了低速(1 500 r/min)全負荷工況不同排氣歧管長度下排氣閥口與渦輪機入口處的壓力波動特性，并對壓力波動形態(tài)與低速增壓壓力的建立、瞬態(tài)響應(yīng)、缸內(nèi)充氣效率等的關(guān)聯(lián)性進行了深入分析。研究結(jié)果表明：在現(xiàn)有排氣歧管結(jié)構(gòu)形式下，在低轉(zhuǎn)速宜采用較短歧管，從而有望獲得更高的增壓壓力和扭矩；相繼工作的氣缸不宜在渦輪機前共用一根排氣總管，否則容易引起廢氣倒流，而且歧管越短倒流越嚴重；排氣歧管中的壓力波在傳向渦輪機入口過程中被“均值化”，不能充分應(yīng)用排氣壓力波動效應(yīng)來提高低速扭矩和改善增壓延遲。

增壓汽油機； 排氣歧管； 壓力波； 瞬態(tài)響應(yīng)

車用汽油機小型化可以提高發(fā)動機的使用負荷并減小泵氣損失，進而改善整車燃油經(jīng)濟性，這是當前汽油機的主要發(fā)展方向，也是汽車節(jié)能減排的主要技術(shù)方案之一[1]。同時，小排量發(fā)動機還能減小內(nèi)部摩擦，降低發(fā)動機總質(zhì)量[2]。當前，汽油機增壓直噴技術(shù)是實現(xiàn)發(fā)動機小型化的重要手段[3]，如大眾TSI、福特Ecoboost、通用Ecotec等技術(shù)。但增壓汽油機還存在一些技術(shù)難題有待深入研究和突破，如峰值扭矩低速化、增壓延遲、機油稀釋和超級爆震等問題[4-6]。

在自然吸氣汽油機中，進氣歧管長度是缸內(nèi)充氣效率的重要影響因素之一，而排氣歧管長度對整機性能的影響卻相對較小[7]。對于增壓柴油機而言排氣歧管長度和排氣歧管結(jié)構(gòu)形式對低速增壓壓力的建立、增壓延遲等有顯著的影響[8-10]。然而，鮮有開展增壓汽油機排氣歧管長度和排氣壓力波的應(yīng)用分析。

本研究將依托一款增壓直噴汽油機，借助于發(fā)動機性能仿真軟件GT-Power，在臺架試驗驗證的基礎(chǔ)上，研究了低速(1 500 r/min)全負荷工況不同排氣歧管長度下，排氣閥口與渦輪機入口處的壓力波動特性，并對壓力波動形態(tài)與低速增壓壓力的建立、瞬態(tài)響應(yīng)、缸內(nèi)換氣特性和整機外特性的關(guān)聯(lián)性進行了深入分析。此外，還分析了現(xiàn)有排氣歧管結(jié)構(gòu)形式的合理性，為增壓汽油機排氣歧管優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 發(fā)動機仿真建模及校準

隨著發(fā)動機性能仿真技術(shù)的日益成熟和完善，仿真計算成為一種重要的研發(fā)手段，對仿真模型邊界條件校準和物理化學(xué)模型參數(shù)標定后，仿真模型能準確地預(yù)測結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)對發(fā)動機性能的影響[11-13]。通過仿真試驗可以提高優(yōu)化設(shè)計效率，減少樣件試制、整機裝配、臺架試驗等的時間和成本。此外，仿真試驗還可獲得臺架試驗中難以測得的諸多數(shù)據(jù)，有利于進一步深入分析問題。

本研究首先利用臺架試驗數(shù)據(jù)對仿真模型進行校準，使校準后的模型能準確地反映發(fā)動機的實際工作過程。

1.1 臺架試驗

試驗發(fā)動機為1.4 L渦輪增壓缸內(nèi)直噴汽油機，其基本參數(shù)見表1。該增壓發(fā)動機基本結(jié)構(gòu)示意見圖1。

該增壓汽油機臺架試驗布置示意圖見圖2。供油系統(tǒng)為高壓供油系統(tǒng)，最高噴油壓力為15 MPa，噴油器布置采用側(cè)置式，油氣采用均質(zhì)混合模式。臺架試驗主要測試設(shè)備有AVL TXEQ201216交流電力測功機、AVL PUMA V1.4測控臺、AVL641燃燒分析儀及Indicom數(shù)據(jù)處理軟件、Kistler 6115BFD34缸壓傳感器、ETAS LA4-4.9-E 空燃比測量儀、AVL735油耗儀、AVL753燃油溫控單元、AVL553水溫控制單元和AVL554機油溫控單元等，試驗方法參照GB/T 18297—2001《汽車發(fā)動機性能試驗方法》。

1.2 仿真模型的建立

采用GT-Power軟件對該增壓直噴汽油機建模，模型見圖3。建模是基于質(zhì)量、動量和能量守恒定律與氣體狀態(tài)方程，以及發(fā)動機工作原理等，并應(yīng)用流體及熱力學(xué)理論，采用有限體積法進行求解，具有準三維仿真能力。

模型中結(jié)構(gòu)參數(shù)按照發(fā)動機實際幾何參數(shù)設(shè)置，如缸徑、行程、壓縮比、擠氣間隙和連桿長度等。進排氣管模塊是根據(jù)其三維結(jié)構(gòu)數(shù)模，通過GM3D生成仿真管道模塊。發(fā)動機的空燃比、增壓壓力、環(huán)境溫度和壓力等運行控制參數(shù)，以及邊界條件參數(shù)都是依照臺架試驗進行設(shè)定。其中，增壓壓力通過PID控制渦輪機旁通閥開度來達到目標值。

1.3 仿真模型的校準

在仿真試驗前，利用發(fā)動機外特性試驗結(jié)果對仿真模型進行了校準，校準的參數(shù)有進氣流量、扭矩、燃油消耗率、增壓壓力、渦前壓力等，以及缸內(nèi)動態(tài)壓力和進排氣管內(nèi)動態(tài)壓力。在此只給出幾項重要性能參數(shù)和1 500 r/min全負荷的缸壓校準結(jié)果(見圖4和圖5)。

從圖4中可知，仿真模型在發(fā)動機整個外特性工況與試驗值吻合良好，其中扭矩最大誤差為3.4%(5 000 r/min)，燃油消耗率最大誤差為2.4%(1 500 r/min)，其余校準參數(shù)的誤差都控制在3%以內(nèi)。從圖5可知，模擬值與臺架測試結(jié)果吻合良好，表明所建仿真模型能反映發(fā)動機的實際工作特性。

2 排氣歧管長度對排氣管內(nèi)壓力波動的影響

以下主要研究1 500 r/min全負荷工況下排氣歧管長度對排氣閥口(圖1 中A處)和渦輪入口(圖1 中B處)的壓力波動特性以及缸內(nèi)掃氣特性的影響，分析其對改善低速扭矩的作用。仿真中歧管長度分別選取45 mm，115 mm(原長)，185 mm，255 mm。此時排氣門開閉相位分別是151°和374°，進氣門開閉相位分別是329°和554°。為了便于分析，按理論排氣時長(180°)將一個工作循環(huán)(4個沖程，曲軸轉(zhuǎn)角720°)劃分成4個排氣階段(實際排氣時長不只180°，這種劃分僅僅是便于后續(xù)分析)。

2.1 對排氣閥口壓力波動的影響

圖6示出了一個工作循環(huán)內(nèi)第1缸排氣閥口的壓力波動特性。從圖6可知：不論哪種歧管長度，在

任何氣缸的排氣階段，排氣壓力都存在周期性波動；任何氣缸排氣階段前期，排氣閥口的壓力迅速增大，明顯改變了原來的波動形狀，波峰達到該排氣階段的最大值；隨著排氣的繼續(xù)進行，壓力波逐漸衰減。從圖6還可知，整個工作循環(huán)中自身氣缸(第1缸)排氣階段第一個波峰幅值最大，而其他3個氣缸排氣壓力峰值次之，且峰值基本相等；此外，4種歧管長度中，在其他3缸排氣階段，長度越短在第1缸排氣閥口的壓力提升越快。第1缸的相繼工作氣缸是第3缸，其排氣過程對第1缸換氣影響最大，而且歧管越短影響越大。

結(jié)合圖6和表2分析可知，在同一氣缸的排氣階段，隨著歧管長度的增加，在第1缸排氣閥口的波峰和波谷個數(shù)都呈減少趨勢，在相離最遠氣缸(第4缸)排氣階段的個數(shù)最少。同一歧管長度下各氣缸排氣階段的波峰和波谷數(shù)有差別，如長度為45 mm時第1和第4缸排氣階段的波峰和波谷個數(shù)都為6，而第2和第3缸排氣階段波峰和波谷個數(shù)都為7。這是由于第1缸和第4缸處于發(fā)動機兩端，兩者之間產(chǎn)生的排氣壓力波傳播和反射路徑較長所致。

表2 1 500 r/min各缸EVO-TDC階段在第1 缸排氣閥口的壓力波動分析

圖7示出了僅第1缸排氣階段的壓力波動。從圖分析可知，在第1缸排氣閥關(guān)閉之前，4種長度歧管對應(yīng)的壓力波幅值已衰減至115～140 kPa。圖中4條曲線都在第1缸進氣閥和第3缸排氣閥同時開啟的一定區(qū)間內(nèi)(約20°)，第一缸排氣閥處壓力仍維持原有波動形態(tài)，但是在上止點(TDC)附近壓力波振幅迅速增大，改變了原有的波動形態(tài)。如曲線2在上止點后高于缸內(nèi)壓力曲線，隨后壓力峰值達到179 kPa，比缸內(nèi)壓力高29 kPa。這表明相繼工作氣缸的排氣行為對前一缸排氣閥處壓力影響較大，如果兩缸的氣門開啟重疊角較大，后繼工作氣缸的排氣容易干涉前一氣缸的排氣，甚至引起倒流，而且歧管越短越容易發(fā)生干涉。但是排氣閥關(guān)閉太早又不利于充分排氣，從換氣完善性角度來看，相鄰氣缸不能為相繼工作的氣缸，相繼工作的氣缸不宜在渦前共用排氣總管。

從以上分析可推知，對于缸數(shù)大于4的發(fā)動機，這種干涉將會更為明顯。因此在設(shè)計缸數(shù)大于4的發(fā)動機的排氣歧管時，應(yīng)盡可能設(shè)計兩組排氣歧管，將相繼工作氣缸的排氣歧管置于不同組。這不僅有利于充分排氣，還可應(yīng)用脈沖增壓，改善增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)性。

在圖8中，對比歧管長度為115 mm時第1缸缸壓曲線和氣閥處壓力曲線可知，在第1缸排氣閥開啟(EVO)時，缸內(nèi)壓力遠遠高于排氣閥處的壓力，造成氣閥處的氣流速度接近音速，進而引起氣閥處壓力迅速上升。隨著氣門流通面積逐漸增大，缸內(nèi)壓力快速降低，在210°時刻，缸內(nèi)壓力已經(jīng)低于閥口壓力，導(dǎo)致發(fā)生倒流現(xiàn)象；隨后缸內(nèi)壓力受排氣管中壓力波動影響亦發(fā)生周期性波動，波形與氣閥壓力形態(tài)基本相似，只是兩者之間高低輪回，如此反復(fù)。

2.2 對渦輪入口壓力波動的影響

圖9示出了不同排氣歧管長度對應(yīng)的渦輪機入口的壓力波動特性。分析該圖可知，4種長度排氣歧管中，短歧管對應(yīng)的渦輪入口壓力波峰值和谷值基本比長歧管的大，同時平均壓力亦高，壓降較小，數(shù)據(jù)詳見表3。根據(jù)文獻[14]可知，壓力波幅值是由流速所決定，即可推知較短的歧管長度在渦輪入口端具有較大的氣流速度。這表明現(xiàn)有排氣管結(jié)構(gòu)形式宜采用較短的歧管，有助于在低轉(zhuǎn)速建立更高的渦前沖擊壓力，從而有望獲得更高的增壓壓力和扭矩，同時也有利于提高渦輪的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

圖9還示出了采用原機歧管長度(115 mm)排氣閥口的壓力波動特性，將其與渦輪入口的壓力進行對比，可以發(fā)現(xiàn)二者存在以下差別：1)兩處的壓力波形態(tài)基本一致(即頻率基本一致)，但存在一定的相位差；2)前者的第一個波峰(最大波峰值)要明顯高于后者的，壓降達13.8 kPa，而歧管長度為255 mm對應(yīng)的壓降達到24.3 kPa，該波峰的降幅比平均壓力的降幅明顯要大；3)前者的第一個壓力波谷的幅值要明顯低于后者的，波谷幅值的壓升為10.5 kPa，而歧管長度為255 mm對應(yīng)的壓力升高幅度達到20.8 kPa，該壓升幅度也明顯比壓力平均值的壓降幅度要大，所有數(shù)值見表3。這表明現(xiàn)有排氣管結(jié)構(gòu)形式(所有歧管共用一根總管)將排氣閥處的壓力波在傳向渦輪機入口過程中 “均值化”，沒能充分利用排氣壓力波動效應(yīng)(即波峰對渦輪機的沖擊效應(yīng))，進而不利于應(yīng)用排氣壓力波來提高低速扭矩和改善瞬態(tài)響應(yīng)。

對比圖9中各氣缸排氣階段之間的壓力波可知，在第1缸和第4缸排氣時，4種歧管長度對應(yīng)的渦輪入口壓力波動都較為明顯；而在第2缸和第3缸排氣時，4種歧管長度對應(yīng)的渦輪入口壓力波動都較為微弱，這表明難以充分利用排氣壓力波動效應(yīng)來改善增壓器性能。這也進一步證明現(xiàn)有排氣管結(jié)構(gòu)形式不利于脈動增壓效應(yīng)。

表3 第1缸排氣階段排氣閥口、渦輪入口壓力波動分析

2.3 對缸內(nèi)充氣效率的影響

圖10示出了發(fā)動機外特性工況下，采用4種排氣歧管長度所對應(yīng)的缸內(nèi)殘余廢氣量。從圖中可知，歧管長度越短在低速對應(yīng)的缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)越小，這意味著缸內(nèi)換氣越完善；但隨著轉(zhuǎn)速的升高，由圖可見，中高轉(zhuǎn)速并不是歧管長度越短越有利于掃氣。

圖11示出了發(fā)動機外特性工況下，采用4種排氣歧管長度所對應(yīng)的充量系數(shù)對比。該充量系數(shù)計算的參考壓力為環(huán)境壓力，所以充量系數(shù)大于1。從圖可知，在2 000 r/min轉(zhuǎn)速以下，短的排氣歧管對應(yīng)的充量系數(shù)大，與上述排氣管內(nèi)的壓力波動和缸內(nèi)殘余廢氣分析的結(jié)論一致；在2 000 r/min轉(zhuǎn)速以上，4種歧管長度分別出現(xiàn)最高充量系數(shù)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。但是，在2 000 r/min以上增壓汽油機的充量系數(shù)主要由目標壓力和中冷后溫度所決定，歧管長度所產(chǎn)生的影響相比較小。這是因為以上研究都是基于相同的目標增壓壓力，即都在增壓器旁通閥開度采用PID控制的條件下開展的。

圖11中，中高轉(zhuǎn)速中的某些轉(zhuǎn)速點采用較長的歧管有更高的充量系數(shù)(如在2 500 r/min時歧管長度為185 mm的充量系數(shù)最大)，這并不能說明采用短的歧管就不能達到該值，只能表明在既定的目標增壓壓力下不能達到該值。

3 不同歧管長度下壓力波動特性對整機性

能的影響

為了分析不同歧管長度下壓力波動特性對增壓發(fā)動機外特性的影響，在目標增壓壓力相同的情況下，對比發(fā)動機采用4種歧管長度所對應(yīng)的外特性差異。

圖12示出了扭矩對比分析。從圖可知，2 000 r/min轉(zhuǎn)速以下，越短的歧管長度其對應(yīng)的扭矩越大，這充分印證了上文壓力波動分析和缸內(nèi)充氣效率分析的結(jié)論。

圖13示出了增壓壓力對比分析。從圖可知：2 000 r/min轉(zhuǎn)速以下，越短的歧管長度對應(yīng)的增壓壓力越接近目標增壓壓力；2 000 r/min轉(zhuǎn)速及以上，增壓壓力受排氣歧管長度的影響甚小，主要受排氣旁通閥開度的影響。這與上文圖11的分析結(jié)論相互印證。

圖14示出了泵氣損失對比分析，從圖可知：在4 000 r/min轉(zhuǎn)速以下，4種歧管長度的泵氣損失相差甚?。辉? 000 r/min轉(zhuǎn)速以上，越短的歧管長度對應(yīng)的泵氣損失越小。

圖15示出了不同歧管長度所對應(yīng)的渦輪機工作特性。從圖可知，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min和1 500 r/min時，排氣歧管越短對應(yīng)的膨脹比和質(zhì)量流量相對越大，而渦輪機效率差異較小；轉(zhuǎn)速在2 000 r/min及以上時，由于旁通閥開啟，同轉(zhuǎn)速下各歧管長度所對應(yīng)的工作點在壓氣機MAP上基本是重疊的。

4 結(jié)論

a) 相繼工作氣缸的排氣行為對前一缸排氣閥處壓力影響很大，容易發(fā)生排氣干涉(廢氣倒流)，而且歧管越短干涉越嚴重,從換氣完善性角度來看，產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)考慮相鄰氣缸不能為相繼工作的氣缸，相繼工作的氣缸不宜在渦前共用排氣總管;

b) 轉(zhuǎn)速為1 500 r/min的全負荷工況，短排氣歧管的渦輪入口壓力波動峰值和谷值基本都比長排氣歧管的大，平均壓力亦高，壓降較小，能建立更高的渦前壓力，表明現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式排氣管在低轉(zhuǎn)速宜采用較短歧管，從而有望獲得更高的增壓壓力和扭矩;

c) 轉(zhuǎn)速為1 500 r/min的全負荷工況，排氣閥口的波峰在傳播到渦輪入口時產(chǎn)生較大的壓降，而波谷壓力卻得到升高，其升降幅度均高于平均壓力降，表明現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式下排氣歧管中的排氣壓力波在傳向渦輪機入口過程中被“均值化”，不能充分利用波峰對渦輪機的沖擊效應(yīng)，進而不能應(yīng)用排氣壓力波動效應(yīng)來提高低速扭矩和改善增壓延遲；

d) 該增壓汽油機在放氣閥開啟前，歧管長度越短，增壓壓力越高，對應(yīng)的缸內(nèi)殘余廢氣率越小，充量系數(shù)越大；在放氣閥開啟后，充量系數(shù)主要由目標增壓壓力和中冷后溫度所決定，歧管長度所產(chǎn)生的影響相比甚小。

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[編輯： 姜曉博]

Fluctuation Characteristics of Exhaust Pressure Wave for Turbocharged Gasoline Engine with Different Manifold Lengths

YANG Hanqian1,2, ZOU Yan1, WU Jiayu1, LI Xiangsheng1, HU Liaoping2

(1. School of Mechanical &Electrical Engineering， Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China； 2. Hunan Tyen Machinery Co., Ltd., Henyang 421005, China； 3. School of Energy Science and Engineering， Central South University, Changsha 410083, China)

The one-dimensional performance simulation model of turbocharged direct injection gasoline engine was calibrated with bench test data. With the calibrated model, the pressure fluctuation characteristics at the exhaust valve port and turbine inlet were studied in full load at 1 500 r/min based on different exhaust manifold lengths, and the relationships of pressure fluctuation with low speed boosting pressure build up, transient response and in-cylinder volumetric efficiency were deeply analyzed. The results show that higher boosting pressure and torque can be achieved by a short manifold at low speed. The sequential working cylinders cannot share one exhaust pipe before turbine, otherwise exhaust gas backflow may occur. Moreover, the shorter the manifold, the more serious the backflow. The individual characteristic of pressure wave in exhaust manifold disappears in the process of moving to turbine inlet, which makes it impossible to improve the low speed torque and turbocharging lag with wave fluctuation effect.

turbocharged gasoline engine； exhaust manifold； pressure wave； transient response

2015-02-28；

2015-04-29

湖南省自然科學(xué)基金重點資助項目(13JJ8001)；湖南省教育廳科學(xué)研究一般項目(13C1137)；湖南省研究生科研創(chuàng)新資助項目(CX2013B363)

楊漢乾(1982—)，男，講師，博士后，主要研究方向為內(nèi)燃機性能開發(fā)與增壓匹配技術(shù)；yhanqian@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.014

TK413.45

B

1001-2222(2015)05-0080-07