某發(fā)動機進排氣系統(tǒng)壓力損失對性能的影響

付友 李慧軍 孫飛 由毅

（蓋斯特動力總成技術（蘇州）有限責任公司）

進排氣系統(tǒng)作為發(fā)動機的重要組成部分，對發(fā)動機的動力性、經濟性及環(huán)保性起著至關重要的作用，其中重要的指標為排氣背壓與進氣壓損。排氣背壓的大小主要受排氣歧管、廢棄渦輪增壓器、三元催化器及消聲器等零部件結構的影響；進氣壓力損失的大小主要受整車進氣管、空氣濾清器、中冷器及進氣歧管等零部件結構的影響。文章通過AVL-BOOST軟件建立了某增壓發(fā)動機一維熱力學模型[1]，分析了排氣背壓與進氣壓力損失在不同壓力損失時對發(fā)動機性能的影響[2]，為以后發(fā)動機進排氣系統(tǒng)的設計提供了可參考值。

1 建立計算分析模型

1.1 發(fā)動機基本參數(shù)

發(fā)動機基本參數(shù)，如表1所示。

表1 某增壓發(fā)動機基本參數(shù)

1.2 模型建立

測量某增壓發(fā)動機實際進排氣管路尺寸、進排氣道長度及內徑等參數(shù)，建立一維熱力學分析模型，模型包括整車進氣系統(tǒng)、空氣濾清器、節(jié)流閥體、進氣歧管、氣缸參數(shù)（包含缸體和缸蓋的參數(shù)）、排氣歧管及整車三元催化器等主要零部件。熱力學模型，如圖1所示。

1.3 發(fā)動機相關零部件尺寸參數(shù)定義

1.3.1 空濾器基本參數(shù)

發(fā)動機空氣濾清器的基本結構參數(shù)和相關特性參數(shù)，如表2所示。

表2 空濾器基本參數(shù)

1.3.2 進排氣歧管基本參數(shù)

發(fā)動機1～4缸進氣歧管管長均為73 mm，截面直徑均為30 mm；排氣歧管管長均為300 mm，截面直徑均為28 mm。

1.3.3 發(fā)動機氣缸內基本參數(shù)

發(fā)動機氣缸參數(shù)主要對進排氣門升程曲線和氣道流量系數(shù)進行設置，并合理設置缸內燃燒參數(shù)。

圖2示出該發(fā)動機基準進排氣門升程曲線圖，其中進氣門最大升程為8mm，排氣門最大升程為7.4mm。

上述氣門升程曲線的基本情況，如表3所示。

表3 某增壓發(fā)動機氣門升程曲線基本情況

圖3示出模擬計算中，該發(fā)動機的實際進排氣道流量系數(shù)隨著氣門升程的變化關系。

發(fā)動機的基本燃燒參數(shù)，如表4所示。

表4 某增壓發(fā)動機燃燒參數(shù)

該發(fā)動機缸內活塞頂部表面積5 000 mm2，氣缸蓋燃燒室表面積5 600 mm2，活塞Ⅰ環(huán)和Ⅱ環(huán)側面積之和300 mm2。

1.3.4 渦輪增壓器參數(shù)

渦輪增壓器技術參數(shù)，如表5所示。

表5 某增壓發(fā)動機渦輪增壓器參數(shù)

1.3.5 中冷器參數(shù)

中冷器技術參數(shù)，如表6所示。

表6 某增壓發(fā)動機中冷器參數(shù)

1.3.6 三元催化器參數(shù)

三元催化器技術參數(shù)，如表7所示。

表7 某增壓發(fā)動機三元催化器參數(shù)

1.3.7 消音器參數(shù)

消音器出入口管長均為500 mm，體積5 L。

1.4 BOOST模擬邊界條件及分析方法

1.4.1 邊界條件

邊界條件的選取對于模型分析結果影響較大，而環(huán)境參數(shù)又多變，選定一個合理的邊界條件十分重要。根據發(fā)動機運轉理想環(huán)境，進排氣邊界條件為進排氣壓力100 kPa，溫度均為25℃，進氣系統(tǒng)壓力損失為5.2kPa@5500r/min，排氣背壓為40.9kPa@5500r/min。

1.4.2 分析方法

在模擬分析中，沿用了該增壓發(fā)動機基礎機型的缸內燃燒參數(shù)以及摩擦功數(shù)值。為了分析計算不同進氣壓力損失與排氣背壓對發(fā)動機性能的影響，分析排氣背壓時，設定進氣壓力損失為定值；反之，分析進氣壓力損失時，設定排氣背壓為定值。

2 分析計算結果

2.1 不同排氣背壓下發(fā)動機性能的數(shù)據

根據分析方法，發(fā)動機在進氣壓力損失為5.2 kPa，排氣背壓分別為27.6，40.9，47.9 kPa時的功率和扭矩，如圖4和圖5所示。

2.2 不同進氣壓力損失下發(fā)動機性能的數(shù)據

發(fā)動機在排氣背壓為40.9 kPa，進氣壓力損失分別為2.3，5.2，7.9，11.7 kPa時的功率和扭矩，如圖6和圖7所示。

根據不同排氣背壓及不同進氣壓力損失的分析計算數(shù)據，統(tǒng)計在不同進排氣壓力損失下的最大功率、最大扭矩及低速（1 500 r/min）扭矩數(shù)據，如表8所示。

表8 不同進排氣壓力損失時最大功率、最大扭矩及低速扭矩

3 結論

1）在進氣壓力損失一定時，隨著排氣背壓的增大，發(fā)動機性能降低；在排氣背壓一定時，隨著進氣壓力損失的增加，發(fā)動機的性能隨之降低；

2）從低速扭矩的變化情況來看，發(fā)動機在低速工況時，隨著進排氣壓力損失的改變，扭矩值變化幅度不大，說明進排氣系統(tǒng)壓力損失對發(fā)動機在中高速工況時的性能影響顯著；

3）在發(fā)動機進排氣系統(tǒng)開發(fā)中，排氣背壓建議不超過40 kPa，進氣壓力損失不超過6 kPa。