廢氣旁通閥初始開(kāi)度對(duì)部分負(fù)荷性能影響的研究

郭　　凡　劉然　王義夫　楊金鵬　晏雙鶴

廢氣旁通閥初始開(kāi)度對(duì)部分負(fù)荷性能影響的研究

郭凡1，2劉然1，2王義夫1，2楊金鵬1，2晏雙鶴1，2

（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

采用負(fù)壓控制的增壓器進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比廢氣旁通閥不同初始開(kāi)度下催化器起燃時(shí)間、部分工況油耗、倒拖扭矩的差異，借以研究增壓器廢氣旁通閥全開(kāi)、全閉兩種狀態(tài)下的優(yōu)劣勢(shì)。結(jié)果顯示：廢氣旁通閥全開(kāi)狀態(tài)下，能夠縮短催化器起燃時(shí)間，降低部分負(fù)荷油耗和倒拖扭矩，提高燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)3%。

廢氣旁通閥燃油消耗負(fù)壓控制增壓器

引言

為了滿足日益嚴(yán)格的油耗及排放法規(guī)要求，同時(shí)滿足客戶對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性需求，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的使用愈來(lái)愈廣泛。增壓技術(shù)原意在于強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作，提高發(fā)動(dòng)機(jī)升功率，對(duì)汽車節(jié)能來(lái)說(shuō)具有積極意義。此外增壓使發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)充氣量大幅度上升，較自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率[1]。

目前增壓器基本都會(huì)配置廢氣旁通閥，用于控制通過(guò)渦輪的廢氣能量，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和扭矩；常見(jiàn)的廢氣旁通閥初始開(kāi)度一般分為全開(kāi)和全閉兩種。

本文以廢氣旁通閥全開(kāi)增壓器為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)節(jié)使其達(dá)到全閉狀態(tài)，并進(jìn)行對(duì)比分析，借以評(píng)判廢氣旁通閥初始開(kāi)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

1　試驗(yàn)背景

本文結(jié)合一臺(tái)3.0 L直列六缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為載體進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格如表1所示，臺(tái)架布置圖如圖1所示。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1冷機(jī)起動(dòng)催化器起燃試驗(yàn)

一般說(shuō)來(lái)，廢氣旁通閥全閉增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓要高一些[2]，考慮到原發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器廢氣旁通閥初始全開(kāi)，起動(dòng)階段關(guān)閉閥門，研究廢氣旁通閥初始開(kāi)度對(duì)催化器起燃時(shí)間的影響。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置圖

試驗(yàn)結(jié)果：圖2為增壓器渦前溫度，圖3為渦前壓力。從排氣側(cè)數(shù)據(jù)顯示，兩種狀態(tài)下渦前溫度基本一致，但渦前壓力全閉狀態(tài)較全開(kāi)狀態(tài)高，從廢氣能量角度說(shuō)明全閉狀態(tài)廢氣能量大于全開(kāi)狀態(tài)。

圖2　渦前溫度

圖3　渦前壓力

廢氣流過(guò)增壓器后，兩種狀態(tài)背壓一致，如圖4所示。但全開(kāi)狀態(tài)的渦后溫度明顯高于全閉狀態(tài)（如圖5所示），與之相對(duì)應(yīng)的增壓器轉(zhuǎn)速也要低于全閉狀態(tài)的（如圖6所示）。

圖4　排氣背壓

圖5　渦后溫度

圖6　增壓器渦輪轉(zhuǎn)速

結(jié)果分析：

1）起動(dòng)過(guò)程中，全閉狀態(tài)下廢氣需要流經(jīng)增壓器，推動(dòng)增壓器消耗了廢氣能量，但在排氣背壓等方面并沒(méi)有帶來(lái)較高的起燃溫度優(yōu)勢(shì)。

2）由于全開(kāi)狀態(tài)下，廢氣旁通閥全開(kāi)，從此處流至催化器前的部分廢氣溫度也是相當(dāng)高的，所以全開(kāi)狀態(tài)下渦后溫度較全閉狀態(tài)渦后溫度上升快很多，通過(guò)熱傳遞，全開(kāi)狀態(tài)催化器起燃溫度上升得也要快，起燃時(shí)間縮短[3]。

2.2部分負(fù)荷油耗試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特性，選取常用的工況點(diǎn)，對(duì)比在相同工況點(diǎn)下廢氣旁通閥初始開(kāi)度對(duì)油耗的影響。選取以下4個(gè)常用工況點(diǎn)：

1）1800 r/min_250 kPa；2）2000 r/min_200 kPa

3）2600 r/min_400 kPa；4）3000 r/min_300 kPa

試驗(yàn)結(jié)果如下：圖7、圖8分別為燃油消耗率及泵氣損失。

圖7　 燃油消耗率

圖8　泵氣損失

數(shù)據(jù)表明，全開(kāi)狀態(tài)的泵氣損失小于全閉狀態(tài)，約為100 kPa，全開(kāi)狀態(tài)的燃油消耗率低與全閉狀態(tài)，節(jié)油約為3%。

圖9、圖10為全開(kāi)全閉進(jìn)氣狀態(tài)的進(jìn)氣溫度、氣管壓力及進(jìn)氣質(zhì)量流量。達(dá)到相同的負(fù)荷，全閉狀態(tài)需求的空氣質(zhì)量、進(jìn)氣溫度及進(jìn)氣壓力較全開(kāi)狀態(tài)的都要高。另外一點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)所測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失來(lái)看，全閉狀態(tài)的較全開(kāi)狀態(tài)的要大。

從渦前溫度和渦后溫度（如圖12所示）的變化來(lái)說(shuō)，兩種狀態(tài)下大致相同；排氣背壓（如圖13所示）也基本相同，但在渦前壓力（如圖14所示）這一方面，全閉狀態(tài)的渦前壓力要比全開(kāi)狀態(tài)的渦前壓力大得多，主要是進(jìn)氣量變大。在增壓器渦輪這一方面，從轉(zhuǎn)數(shù)（如圖15所示）上可以看出，全閉狀態(tài)廢氣能量對(duì)渦輪做功，但是增壓器增壓沒(méi)有帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，相反損耗了能量，造成較大的泵氣損失，因此，全閉狀態(tài)的油耗會(huì)差。

試驗(yàn)表明，常用工況點(diǎn)廢氣旁通閥全閉的增壓器油耗較高。

圖9　 進(jìn)氣溫度

圖10 氣管壓力

圖11 進(jìn)氣質(zhì)量流量

圖12 　渦前渦后溫度

圖13　排氣背壓

圖14　渦前壓力

圖15　增壓器轉(zhuǎn)速

2.3倒拖數(shù)據(jù)

在節(jié)氣門全開(kāi)狀態(tài)下對(duì)比廢氣旁通閥全開(kāi)、全閉倒拖扭矩的大小。

試驗(yàn)結(jié)果如下：圖16所示為節(jié)氣門全開(kāi)的倒拖扭矩，圖17所示為排氣背壓表現(xiàn)。

圖16　節(jié)氣門全開(kāi)的倒拖扭矩

圖17 排氣背壓

結(jié)果分析：節(jié)氣門全開(kāi)狀態(tài)下，全閉狀態(tài)倒拖扭矩較大，也就是泵氣損失較大。從增壓器轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量以及排氣背壓上都有表征。試驗(yàn)表明，相同發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下，廢氣旁通閥全閉較全開(kāi)狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖背壓要高，泵氣損失較大。

3　結(jié)論

本文以同一臺(tái)采用負(fù)壓控制增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)控制增壓器的占空比來(lái)比較廢氣旁通閥在全開(kāi)及全閉狀態(tài)下起動(dòng)催化器起燃，常用工況油耗率以及節(jié)氣門全開(kāi)倒拖扭矩。通過(guò)三個(gè)試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1）同一發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)試驗(yàn)中廢氣旁通閥全開(kāi)對(duì)催化器起燃溫度有積極作用，能夠較快達(dá)到催化器高效率的適宜溫度，這對(duì)減少排放有積極作用[4]。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷工況下，增壓器工作并不能帶來(lái)油耗優(yōu)勢(shì)，相反，因?yàn)橥苿?dòng)增壓器工作導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失增加，使得油耗增加[5]。

3）同一發(fā)動(dòng)機(jī)采用同一增壓器，廢氣旁通閥全閉倒拖試驗(yàn)中，氣體推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致泵氣損失增加。

1Aaron Birckett，Nayan Engineer，PaulArlauskas，etal.Mechanically supercharged 2.4LGDIengine for improved fuel economy and low speed torque improvement[C].SAEPaper 2014-01-1186

2Fabio Bozza，Vincenzo De Bellis,A lfredo Gimelli，etal.Strategies for improving fuel consumption at part-load in a downsized turbocharged SI engine：a comparative study. SAEPaper2014-01-1064

3周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

4蔣德明.內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986

5陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：人民交通出版社，2005

Research on Effectof InitialOpening of theWaste Gate on Performance Under Part Load

Guo Fan1，2，Liu Ran1，2，W ang Yifu1，2，Yang Jinpeng1，2，Yan Shuanghe1，2
1-Technical Center，GreatWallMotor Company Limited（Baoding，Hebei，071000，China）2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

In order to compare the time of catalystheating，fuel consumption atpart load and drag torque，we use negative pressure control turbo to study and analyze the differences，which is at different initial opening of the waste gate.Research shows that the shorter time of catalyst heating and lower fuel consumption and drag torque existat the full opening of thewaste gate，it showsan average 3%reduction in fuel consumption.

Waste gate，F(xiàn)uelconsumption，Negative pressure control，Turbo charger

TK411+.8

A

2095-8234（2015）01-0013-04

郭凡（1990-），男，工程師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)性能開(kāi)發(fā)及臺(tái)架標(biāo)定。

（2014-12-01）