發(fā)動機排氣應(yīng)用研究

劉剛，呂文芝，謝成武，侯建軍

1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261061;

2.濰柴動力股份有限公司發(fā)動機研究院，山東濰坊 261061

0 引言

從目前車用發(fā)動機的熱平衡工況來看，用于動力輸出的功率一般只占燃油燃燒總熱量的30%～45%(柴油機)或20%～30%(汽油機)，以余熱形式排出車外的能量占燃燒總能量的55%～70%(柴油機)或70%～80%(汽油機)，這部分熱量主要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱量[1-2]，如表1所示。

表1 內(nèi)燃機熱平衡表 %

由表1可知，發(fā)動機排氣帶走的熱量尚有很大的利用空間，已有很多科研機構(gòu)和專家致力于此方面研究。從熱源來看，國內(nèi)外汽車余熱利用技術(shù)，有發(fā)動機冷卻水余熱利用和排氣余熱利用兩種；從用途上來看，有制冷空調(diào)、發(fā)電、采暖、改良燃料、渦輪增壓、室內(nèi)濕度控制和空氣凈化等方式[3-5]。

本文中借助驅(qū)動橋、變速箱潤滑油溫度與傳動效率的關(guān)系，設(shè)計發(fā)動機排氣利用裝置，并在動力總成試驗臺架上進行試驗，研究利用發(fā)動機排氣對驅(qū)動橋和變速箱加熱，提升潤滑油溫度進而改善傳動效率、減少熱車時間。

1 實施方案

1.1 工作原理

通過電控單元的相關(guān)變量控制排氣,利用裝置中的電磁閥開度，對變速箱和驅(qū)動橋潤滑油溫度進行調(diào)節(jié)，使變速箱和驅(qū)動橋潤滑油快速達到所需溫度，并保持在最佳的工作溫度范圍內(nèi)，從而利用發(fā)動機排氣來降低整車油耗并對傳動系統(tǒng)進行快速預(yù)熱[6]。

1.2 排氣利用裝置結(jié)構(gòu)

排氣利用裝置如圖1所示。

該裝置中的管路主要包括排氣管路、排氣加熱主管路、變速箱處加熱管路、驅(qū)動橋前橋處加熱管路、驅(qū)動橋后橋處加熱管路等五部分。傳感器包括背壓傳感器、變速箱潤滑油溫度傳感器、驅(qū)動橋前橋潤滑油溫度傳感器和驅(qū)動橋后橋潤滑油溫度傳感器，用以監(jiān)測相關(guān)參數(shù)。執(zhí)行機構(gòu)包括背壓調(diào)節(jié)電磁閥、變速箱加熱調(diào)節(jié)電磁閥、驅(qū)動橋加熱調(diào)節(jié)電磁閥等[7-8]。

發(fā)動機排出的氣體既可以通過排氣管路排向大氣，也可以經(jīng)由排氣加熱主管路通過變速箱處加熱管路和驅(qū)動橋前、后橋處加熱管路對變速箱和驅(qū)動橋進行加熱后再排向大氣。

發(fā)動機排出的氣體經(jīng)排氣管進入后處理箱，當(dāng)變速箱處電磁閥打開時，排氣對變速箱進行加熱；當(dāng)驅(qū)動橋加熱管路電磁閥打開時，排氣對驅(qū)動橋進行加熱；通過背壓調(diào)節(jié)電磁閥可以實時調(diào)整排氣背壓，以保證能夠同時滿足整車動力性能的要求。

1.3 控制方法

控制裝置連接圖如圖2所示；具體控制方法及步驟如下。

1)微處理單元通過傳感器監(jiān)測變速箱和驅(qū)動橋潤滑油溫度、排氣背壓、排氣背壓電磁閥開度、變速箱處電磁閥開度及驅(qū)動橋加熱管路電磁閥開度[9]。

2)將所測量的變速箱和驅(qū)動橋潤滑油溫度、排氣背壓等參數(shù)與微處理單元內(nèi)設(shè)定的參數(shù)做對比。

3)如果監(jiān)測參數(shù)不在允許范圍內(nèi)，則對變速箱處電磁閥開度、驅(qū)動橋加熱管路電磁閥開度和排氣背壓電磁閥開度進行調(diào)整，使參數(shù)達到要求。當(dāng)變速箱和驅(qū)動橋潤滑油溫度低于設(shè)定溫度時，增大變速箱處電磁閥開度和驅(qū)動橋加熱管路電磁閥開度，反之減小；當(dāng)排氣背壓增大，超過發(fā)動機尾氣正常背壓時，增大排氣背壓電磁閥開度，反之減小[10-13]。

2 實施效果分析

為了驗證上述方案的效果，在動力總成試驗臺架上進行實際管路改造，并在該臺架上進行等速油耗、綜合工況油耗以及動力總成預(yù)熱等試驗，詳細(xì)管路布置見圖3，具體使用動力總成配置見表2。

表2 動力總成配置

2.1 排氣加熱對等速油耗的影響

變速箱使用11擋(即直接擋)，這也是日常駕駛的常用擋位，將變速箱和驅(qū)動橋潤滑油溫度控制在60、90、100 ℃ 3種工況下進行等速油耗試驗，試驗曲線如圖4所示。

由圖4可知，驅(qū)動橋和變速箱潤滑油溫度從60 ℃提高到90 ℃時，每100 km油耗降低0.43～0.59 L，燃油經(jīng)濟性提高1.0%～1.5%；溫度再提高至100 ℃，油耗量變化很小。因此，如果驅(qū)動橋和變速箱潤滑油溫度在行駛中能夠控制在90 ℃附近，相應(yīng)的燃油經(jīng)濟性會有很大提高。

2.2 排氣加熱對綜合油耗的影響

在上述臺架上繼續(xù)運行實際道路采集的路譜，得到車速隨時間的變化曲線如圖5所示。這也是重卡常用的運行工況。變速箱和驅(qū)動橋潤滑油溫度在80、100 ℃ 2種工況下的綜合油耗見表3。

表3路譜綜合油耗

變速箱和驅(qū)動橋潤滑油溫度/℃100 km油耗/L8043.0310042.73

由表3可知，驅(qū)動橋和變速箱潤滑油溫度對該路譜的綜合油耗的影響為0.7%，驅(qū)動橋和變速箱潤滑油溫度為100 ℃時的100 km綜合油耗比80 ℃時低0.3 L。因此，排氣加熱對于長途運輸和寒冷地區(qū)的車輛尤為適合。

2.3 排氣加熱對動力總成預(yù)熱的影響

對車輛的預(yù)熱，更多的是關(guān)注循環(huán)水和機油的溫度，對變速箱和驅(qū)動橋的油溫少有研究。本文中，通過利用排氣加熱裝置，對變速箱和驅(qū)動橋的潤滑油進行加熱，與沒有排氣加熱的預(yù)熱時間進行試驗對比，具體結(jié)果曲線如圖6所示。

由圖6可知，利用排氣加熱裝置，預(yù)熱時間從試驗前的80 min縮短至近40 min，減少約50%，提高了傳動效率，同時也使得變速箱和驅(qū)動橋的潤滑油很快地達到最佳的使用溫度區(qū)域。

2.4 實際道路運行情況

為更直觀地了解變速箱和驅(qū)動橋潤滑油溫度的現(xiàn)狀，在不同環(huán)境溫度條件下進行大量的實際道路試驗。

通過實際道路試驗結(jié)果分析，環(huán)境溫度為20 ℃時，變速箱和驅(qū)動橋潤滑油的穩(wěn)定溫度為60～70 ℃，具體曲線見圖7；而在寒冷地區(qū)，當(dāng)環(huán)境溫度-17 ℃時，其穩(wěn)定溫度僅為30～40 ℃，具體曲線見圖8。

在很多地區(qū)，一年中的大部分時間，變速箱和驅(qū)動橋的潤滑油溫度很低，距離最佳的溫度(85～95 ℃)差距很大，特別是在寒冷地區(qū)的潤滑油溫度更低，長期處于低溫狀態(tài)，大大影響整車的各項性能。

3 結(jié)語

充分利用未被利用的發(fā)動機排氣，對變速箱和驅(qū)動橋的潤滑油進行加熱，一方面可以減少整車傳動系統(tǒng)的預(yù)熱時間，特別是在寒冷地區(qū)，可以使油溫快速達到最佳溫度，時間縮短一半；另一方面可以使變速箱和驅(qū)動橋潤滑油溫度保持在最佳溫度點，在潤滑油自身性能品質(zhì)允許的范圍內(nèi)提高傳動系統(tǒng)的傳動效率，整車油耗可降低1.0%～1.5%。