排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

楊海軍 湯 鈺 尹建東 沈 源 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315000 2-浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

引言

通常情況下，滿足國(guó)五排放的發(fā)動(dòng)機(jī)的后處理系統(tǒng)只需裝配一個(gè)單級(jí)的三元催化器，而為了滿足國(guó)六顆粒物排放，在優(yōu)化國(guó)五三元催化器達(dá)到氣體排放物要求的同時(shí)，往往需要增加顆粒捕集器（GPF）以滿足顆粒物數(shù)量（PN）的排放要求。GPF是一種單邊導(dǎo)通單邊堵塞的壁流式結(jié)構(gòu)催化器，排氣流過(guò)時(shí)只能從壁面縫隙流出，造成排氣阻力的增加，相應(yīng)的總排氣背壓增大；另外在使用過(guò)程中，碳（soot）在顆粒捕集器中的累積，長(zhǎng)時(shí)間使用后機(jī)油及發(fā)動(dòng)機(jī)其它部件磨損脫落形成的灰分（ash）在GPF中不可恢復(fù)的累積，造成排氣背壓不斷增加，導(dǎo)致充氣損失不斷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率下降，造成發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的惡化。本文通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證不同排氣背壓下，探究發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性上的燃燒狀態(tài)進(jìn)行分析，驗(yàn)證排氣背壓變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、油耗等的影響，為發(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)發(fā)和匹配提供參考。

1 試驗(yàn)概述

本次試驗(yàn)在一款1.0L增壓直噴汽油機(jī)上進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)設(shè)備包括AVL發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架控制系統(tǒng)、油耗儀、缸壓傳感器及燃燒分析儀等。試驗(yàn)利用INCA軟件采集ECU中相關(guān)參數(shù)。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

根據(jù)GPF供應(yīng)商提供的相關(guān)信息，GPF的碳載量約為3 g/L，故該GPF的最大碳載量約為3.3 g，臺(tái)架實(shí)測(cè)累碳3.3 g的GPF排氣背壓增加約10 kPa；另外根據(jù)機(jī)油消耗的20×104km排放試驗(yàn)，灰分增加導(dǎo)致的排氣背壓上升約10 kPa，故本次試驗(yàn)測(cè)試3種排氣背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能狀態(tài)，以及新鮮態(tài)GPF對(duì)應(yīng)的排氣背壓P0、最大碳載量（無(wú)灰分累積）對(duì)應(yīng)的排氣背壓P0+10 kPa、最大碳載量與最大ash時(shí)對(duì)應(yīng)的排氣背壓P0+20 kPa，具體試驗(yàn)方案如表2所示。試驗(yàn)過(guò)程中排氣背壓通過(guò)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。排氣背壓測(cè)量點(diǎn)：三元催化器入口后50 mm處，測(cè)壓探頭與管內(nèi)壁平齊。

上述試驗(yàn)在AVL性能臺(tái)架進(jìn)行，主要試驗(yàn)設(shè)備如表3所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 對(duì)泵氣損失的影響

排氣背壓增大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣不順暢，排氣沖程對(duì)曲軸做的負(fù)功也相應(yīng)地增大，相應(yīng)的泵氣損失增加。如圖1所示，隨著排氣背壓增大，整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的泵氣損失呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速越高，泵氣損失增大越明顯[1]。6 000 r/min全負(fù)荷工況，排氣背壓增加20 kPa后與初始排氣背壓相比，泵氣損失從298 kPa增加到322 kPa，增加了8.1%。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失

2.2 對(duì)燃燒速率的影響

燃燒速率通常用AI50表示，即燃料燃燒50%時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角。AI50越小，表明燃燒速率越快，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒也較好。本試驗(yàn)中通過(guò)AVL的燃燒分析儀INDICOM和KISTLER火花塞式缸壓傳感器檢測(cè)燃燒速率。如圖2所示，在1 500 r/min以前，排氣背壓對(duì)AI50的影響不大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，排氣流量越大，背壓越大造成缸內(nèi)的殘余廢氣也越多，內(nèi)部EGR效果更明顯，導(dǎo)致燃燒速率變慢，燃燒中心AI50也向后移動(dòng)。

圖2 排氣背壓對(duì)燃燒速率的影響

2.3 最大燃燒壓力

通過(guò)燃燒分析儀，可以實(shí)時(shí)觀察隨著排氣背壓的增大，缸內(nèi)燃燒壓力的變化情況。如圖3所示的缸內(nèi)最大燃燒壓力，隨著排氣背壓增加，發(fā)動(dòng)機(jī)在2 000 r/min以前的最大燃燒壓力基本保持不變，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)2 000 r/min以后，最大燃燒壓力隨排氣背壓的增加而減少，與發(fā)動(dòng)機(jī)的有效輸出轉(zhuǎn)矩呈正向關(guān)系。

圖3 排氣背壓對(duì)最大燃燒壓力的影響

2.4 對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓在合理的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)時(shí)，排氣順暢，在自由排氣時(shí)間內(nèi)可以排除大量廢氣，在強(qiáng)制排氣時(shí)間也能減少活塞上行所消耗的功，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，反之，則動(dòng)力性下降。通過(guò)測(cè)功機(jī)測(cè)試的不同排氣背壓對(duì)應(yīng)的有效轉(zhuǎn)矩如圖4所示，在轉(zhuǎn)速未超過(guò)2 000 r/min范圍內(nèi)，因泵氣損失較少，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效輸出轉(zhuǎn)矩基本無(wú)影響；轉(zhuǎn)速超過(guò)2 000 r/min后，隨著排氣背壓增大，泵氣損失也增大較多，發(fā)動(dòng)機(jī)指示功的更多部分用于克服泵氣損失，故有效輸出轉(zhuǎn)矩隨排氣背壓的增大而減小，在6 000 r/min全負(fù)荷工況，排氣背壓增加20 kPa，對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩減少了近12 N·m，轉(zhuǎn)矩衰減約8%。

圖4 排氣背壓對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響

2.5 對(duì)燃油消耗率的影響

排氣背壓增加，排氣阻力增大，在正常標(biāo)定的排氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻，排除的廢氣減少，導(dǎo)致下一循環(huán)中廢氣占的比例較大，缸內(nèi)溫度較高，為降低缸內(nèi)溫度，往往需要通過(guò)增加噴油量的方式降低缸內(nèi)溫度，減少爆震的傾向；另一方面，由于排氣背壓增加導(dǎo)致泵氣損失增加，相同轉(zhuǎn)速下要達(dá)到相等平均有效壓力（BMEP）同樣需要多噴燃油，進(jìn)而導(dǎo)致燃油消耗率的增加[2]。如圖5所示，當(dāng)排氣背壓增加，整個(gè)外特性區(qū)間的燃油消耗率呈增加趨勢(shì)。整體來(lái)看，在低轉(zhuǎn)速區(qū)間（1 000～3 000 r/min），燃油消耗率隨排氣背壓的增加不明顯，而在高轉(zhuǎn)速區(qū)間（4 500～6 000 r/min），發(fā)動(dòng)機(jī)為了排溫保護(hù)和克服更多的泵氣損失，排氣背壓越大，平均燃油消耗率也增加的更多，平均在5 g/（kW·h）以上。

圖5 排氣背壓對(duì)燃油消耗率的影響

3 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓從根源上影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀態(tài)，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性出現(xiàn)不同程度的惡化。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要從發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部及排氣管兩部分著手，將排氣背壓控制在合理范圍內(nèi)，保證排氣順暢，減少排氣所做的負(fù)功，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[3]。