一種在臺(tái)架試驗(yàn)中控制增壓發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后端進(jìn)氣溫度的改進(jìn)方案

張國(guó)華，張 瑜

（格特拉克（江西）傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，江西 南昌 330000）

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力來(lái)源，其性能的好壞是決定汽車行駛性能的最大因素，發(fā)動(dòng)機(jī)按照進(jìn)氣系統(tǒng)是否采用增壓方式可分為自然吸氣（非增壓）發(fā)動(dòng)機(jī)和強(qiáng)制進(jìn)氣（增壓式）發(fā)動(dòng)機(jī)。若進(jìn)氣是在接近大氣狀態(tài)下進(jìn)行的，則分為非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)或自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)；若利用增壓器將進(jìn)進(jìn)氣壓力增高，進(jìn)氣密度增大，則為增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)較相同排量的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性更強(qiáng)。

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過(guò)程中需要做大量的開(kāi)發(fā)性、可靠性、性能等一系列試驗(yàn)以保證產(chǎn)品的性能及可靠性[1]。其中在做增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)部分時(shí)，由于臺(tái)架環(huán)境和整車在實(shí)際公路上行駛的環(huán)境條件不同，缺少相對(duì)于車速的空氣冷卻，需要對(duì)增壓器后的高溫進(jìn)氣進(jìn)行額外的冷卻。否則發(fā)動(dòng)機(jī)因進(jìn)氣溫度過(guò)高而無(wú)法正常工作，不能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康?。另外常?guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)是在正常狀態(tài)下工作，一般都有2個(gè)關(guān)于進(jìn)氣方面的判斷，一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度超過(guò)60℃時(shí)，ECU就報(bào)錯(cuò)并執(zhí)行限扭動(dòng)作；另一個(gè)是增壓器后的進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣歧管處的進(jìn)氣壓力超過(guò)10 kPa時(shí)，并且持續(xù)時(shí)間超過(guò)5 s，ECU就報(bào)錯(cuò)并執(zhí)行限扭動(dòng)作。在進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度控制不穩(wěn)和在急加速、減速工況時(shí)因增壓器后的進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣歧管處的進(jìn)氣壓力超差而導(dǎo)致的限扭及性能不足問(wèn)題[2]。通過(guò)仔細(xì)分發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)室現(xiàn)有的冷卻設(shè)備需要用額外的高溫橡膠軟管和對(duì)接工裝和整車的進(jìn)氣管路連接起來(lái)，這樣導(dǎo)致管道過(guò)長(zhǎng)、進(jìn)氣不暢等問(wèn)題。經(jīng)常出項(xiàng)進(jìn)氣溫度控制不穩(wěn)、限扭問(wèn)題，無(wú)法順利完成試驗(yàn)任務(wù)，給項(xiàng)目的進(jìn)展造成諸多阻礙。

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中的渦輪后端的進(jìn)氣溫度控制是保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的重要控制對(duì)象，在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)、性能及耐久試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)工況多、試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)常是持續(xù)大負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中的進(jìn)氣溫度會(huì)不斷升高，如不加以控制就不能保證增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)有的冷卻是無(wú)法滿足試驗(yàn)要求，為了保證增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，同時(shí)保證各個(gè)參數(shù)得到精準(zhǔn)測(cè)量，必須有效地控制進(jìn)氣溫度，因此我們對(duì)臺(tái)架的中冷器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，這個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，原理是通過(guò)PID調(diào)節(jié)電磁閥的開(kāi)度控制進(jìn)氣溫度，從而使進(jìn)氣溫度保持在一個(gè)試驗(yàn)溫度要求的范圍之內(nèi)，并且進(jìn)氣系統(tǒng)的壓降基本和整車一致。保證項(xiàng)目試驗(yàn)任務(wù)的順利完成。

1 問(wèn)題提出

1.1 動(dòng)力總成耐久試驗(yàn)問(wèn)題描述

某項(xiàng)目在進(jìn)行動(dòng)力總成耐久試驗(yàn)時(shí)，在急加速工況下，經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力突然不足，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入跛行狀態(tài)，導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行下去。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩突然降低如圖1所示。圖1中的發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)扭矩Torque在標(biāo)記點(diǎn)3處突然從303 N·m降至130 N·m.但在此過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的油門開(kāi)度一直為100%.

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩突然降低

1.2 項(xiàng)目整車的基本信息

進(jìn)行動(dòng)力總成試驗(yàn)的項(xiàng)目整車信息如表1所示。

表1 Vehicle Parameter整車參數(shù)

2 問(wèn)題改進(jìn)及驗(yàn)證

2.1 問(wèn)題排查

（1）查看ECU的故障碼，出現(xiàn)故障碼“DFC_XXXMNmax”，即發(fā)動(dòng)機(jī)限扭故障。

（2）考慮可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入跛行狀態(tài)的幾種原因，并發(fā)現(xiàn)每次在急加速的工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓后的進(jìn)氣壓力和進(jìn)入歧管的壓力的瞬時(shí)壓差大于10 kPa，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)5 s.導(dǎo)致ECU發(fā)出限扭指令，即出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力突然不足問(wèn)題。

從上圖1種可以看出：

（a）從標(biāo)記1到標(biāo)記4處，油門開(kāi)度Throttle為100%.

（b）從標(biāo)記2到3處，進(jìn)氣歧管出的壓力Ps_w_a一直低于增壓器的目標(biāo)壓力Ps_w_t 10 kPa以上，并且兩者相差時(shí)間超過(guò)5 s.

（c）從標(biāo)記 3到標(biāo)記4處，發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)扭矩Torque在標(biāo)記點(diǎn)3處突然從303 N·m降至130 N·m.

（3）經(jīng)對(duì)整套進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行檢漏排查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣系統(tǒng)有漏氣的問(wèn)題。觀看問(wèn)題重現(xiàn)的視頻，發(fā)現(xiàn)急加速的時(shí)候，外接的進(jìn)氣橡膠軟管沒(méi)有被吸癟的情況。

2.2 問(wèn)題分析

經(jīng)過(guò)一系列排查及仔細(xì)觀察后，發(fā)現(xiàn)外接的中冷器的管路比原裝的長(zhǎng)了不少，多了轉(zhuǎn)接彎頭及連接工裝，這樣會(huì)加大進(jìn)氣阻力，增大增壓器的響應(yīng)時(shí)間。分析認(rèn)為該限扭問(wèn)題極可能是因?yàn)槭褂猛饨又欣淦髟O(shè)備引起的。

2.3 改進(jìn)方案

采用整套的原車進(jìn)氣系統(tǒng)。在車用中冷器的散熱器外部焊接一個(gè)不銹鋼板外圈，不銹鋼板上安裝一個(gè)放氣閥和2個(gè)進(jìn)出水口，其實(shí)物圖片如圖2所示。用試驗(yàn)室的冷卻水系統(tǒng)的水做冷卻介質(zhì)，通過(guò)PID電磁控制閥對(duì)進(jìn)氣溫度進(jìn)行控制，以保證試驗(yàn)對(duì)進(jìn)去溫度的要求[3]。其工作原理見(jiàn)圖3所示，簡(jiǎn)單地講就是，臺(tái)架設(shè)定目標(biāo)控制溫度，這個(gè)溫度會(huì)傳遞給PID電磁控制閥的目標(biāo)溫度參數(shù)；空氣經(jīng)過(guò)增壓器后溫度會(huì)升高，然后經(jīng)過(guò)改裝后的原車中冷器；最后經(jīng)過(guò)導(dǎo)管進(jìn)入氣缸參與燃燒，在改裝后的原車中冷器后端和氣缸之間的導(dǎo)管處安裝了溫度傳感器，該溫度傳感器會(huì)將測(cè)得的實(shí)際進(jìn)氣溫度傳給PID電磁控制閥的實(shí)際溫度參數(shù)，PID參照實(shí)際溫度和目標(biāo)溫度的偏差進(jìn)而控制PID電磁閥的開(kāi)度，控制電磁閥的開(kāi)度即是控制流經(jīng)改裝后原車中冷器的水流量以達(dá)到控制增壓后進(jìn)氣溫度的目的。

圖2 原車散熱器改裝前后對(duì)比圖

圖3 冷卻裝置工作原理示意圖

2.4 方案驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)后的方案進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試發(fā)現(xiàn)在和出現(xiàn)問(wèn)題相同的工況下，改進(jìn)后的增壓后的進(jìn)氣壓力和進(jìn)入歧管的壓力的瞬時(shí)壓差沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大于10 kPa，在后面的1000個(gè)正式的循環(huán)中，該問(wèn)題沒(méi)有復(fù)現(xiàn)，同時(shí)很好地控制了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度。驗(yàn)證了該限扭問(wèn)題極可能是因?yàn)槭褂猛饨又欣淦髟O(shè)備引起的猜想。也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的用原車中冷器的冷卻系統(tǒng)工作可靠，能滿足試驗(yàn)對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度的控制的要求。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)實(shí)例分析了相較于原車的整車中冷器，外接的進(jìn)氣中冷器會(huì)引起進(jìn)氣系統(tǒng)額外的壓降，造成試驗(yàn)無(wú)法正常運(yùn)行下去。本文給出了一種新型利用整車中冷器并能可靠控制進(jìn)氣溫度的冷卻系統(tǒng)方案。該方案特別適用于進(jìn)口增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力總成臺(tái)架的耐久試驗(yàn)，還有增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上的性能試驗(yàn)以及需要對(duì)增壓器的進(jìn)氣溫度和精確模擬整車進(jìn)入系統(tǒng)的狀態(tài)的其它臺(tái)架試驗(yàn)。