發(fā)動(dòng)機(jī)水冷中冷技術(shù)研究

簡(jiǎn) 輝 王 磊

(1. 上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804；2. 上海市汽車動(dòng)力總成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

0 前言

隨著排放法規(guī)漸趨嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)小型化趨勢(shì)日益明顯，各大廠商通過研究不同技術(shù)以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能及響應(yīng)性，用于彌補(bǔ)小型化帶來的不足[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)水冷中冷(WCAC)技術(shù)目前已逐步應(yīng)用到各大廠商生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)上。大眾EA211 1.4T發(fā)動(dòng)機(jī)已搭載WCAC，將水冷中冷器集成在進(jìn)氣歧管上，以提高瞬態(tài)響應(yīng)。

WCAC采用水冷中冷器，與傳統(tǒng)風(fēng)冷中冷器相比，進(jìn)氣管路較短[2]。因?yàn)閭鹘y(tǒng)風(fēng)冷中冷器布置在車頭前端，增壓后進(jìn)氣先經(jīng)過風(fēng)冷中冷器，再連接至節(jié)氣門，整個(gè)管路較長(zhǎng)。而WCAC不論采用外置式或者集成式，增壓后空氣經(jīng)過WCAC直接進(jìn)入節(jié)氣門，減少繞到車頭的距離，使得進(jìn)氣管路縮短，進(jìn)氣總?cè)莘e減少，瞬態(tài)響應(yīng)提高。圖1為傳統(tǒng)風(fēng)冷和WCAC典型布置圖[3]。

1 簡(jiǎn)介

為研究WCAC因管路縮短帶來的瞬態(tài)響應(yīng)收益，采用了某款搭載傳統(tǒng)風(fēng)冷中冷器的缸內(nèi)直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，將中冷器改成WCAC，將傳統(tǒng)風(fēng)冷中冷與WCAC進(jìn)行對(duì)比，包括瞬態(tài)響應(yīng)、冷卻能力等。為加強(qiáng)對(duì)比，共設(shè)計(jì)了2種WCAC方案，分別為集成式WCAC和外置式WCAC。集成式WCAC指水冷中冷器集成至進(jìn)氣歧管內(nèi)，外置式WCAC指水冷中冷器置于壓氣機(jī)與節(jié)氣門之間，圖1中WCAC即為外置式WCAC。

本文試驗(yàn)在AVL臺(tái)架進(jìn)行，測(cè)功機(jī)參數(shù)見表1。利用Kistler 燃燒分析儀記錄燃燒相關(guān)參數(shù)，缸壓傳感器采用打孔式缸壓傳感器。

表1 測(cè)功機(jī)相關(guān)參數(shù)

整車風(fēng)冷中冷方案與WCAC方案采用相同的控制器和軟件版本，確保試驗(yàn)邊界條件一致。WCAC電子水泵采用手動(dòng)控制。

2 試驗(yàn)方案

整車風(fēng)冷中冷方案，照搬整車中冷器，利用風(fēng)機(jī)對(duì)中冷器進(jìn)行冷卻，整車風(fēng)冷中冷方案臺(tái)架布置，如圖2所示。

圖2 整車風(fēng)冷中冷方案布置圖

外置式WCAC方案，去除整車風(fēng)冷中冷器用水冷中冷器替代，根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架的布置方式，設(shè)計(jì)了水冷中冷器前后進(jìn)氣管，其臺(tái)架布置情況示于圖3。

圖3 外置式WCAC方案布置圖

集成式WCAC方案，去除整車中冷方案后，水冷中冷器設(shè)計(jì)集成在進(jìn)氣歧管內(nèi)，根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上的布置情況，設(shè)計(jì)了壓氣機(jī)至節(jié)氣門的進(jìn)氣管路，由于臺(tái)架的限制，集成式WCAC管路并未做到最優(yōu)，該方案在整車布置管路縮短。集成式WCAC方案在臺(tái)架的布置情況示于圖4。

圖4 集成式WCAC方案布置圖

外置式WCAC、集成式WCAC與整車風(fēng)冷中冷方案由于布置差異，進(jìn)氣管路差異較大，進(jìn)氣管路參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 各方案進(jìn)氣管路長(zhǎng)度

管路長(zhǎng)短影響進(jìn)氣管路容積，同時(shí)外置式WCAC、集成式WCAC與整車風(fēng)冷中冷方案采用的中冷器不同，體積略有差異，進(jìn)氣容積參數(shù)對(duì)比見表3。

表3 各方案進(jìn)氣容積

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 瞬態(tài)響應(yīng)

臺(tái)架進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)，試驗(yàn)方法為固定轉(zhuǎn)速，平均有效壓力(BMEP)維持在0.2 MPa，在0.1 s內(nèi)將節(jié)氣門拉至全開，計(jì)算節(jié)氣門動(dòng)作至該轉(zhuǎn)速最大扭矩90%的時(shí)間，該時(shí)間即為該轉(zhuǎn)速下瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

試驗(yàn)選取轉(zhuǎn)速分別在1 500 r/min和2 000 r/min時(shí)的工況進(jìn)行比較。試驗(yàn)控制水溫、機(jī)油溫度、進(jìn)氣溫度、排氣背壓調(diào)節(jié)閥開度等邊界條件一致。

圖5為各方案在轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)扭矩圖，圖6為各方案在轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)扭矩圖。

圖5 各方案在轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)

圖6 各方案在轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)

根據(jù)上述瞬態(tài)響應(yīng)扭矩圖，計(jì)算瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。表4為各方案瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間及WCAC方案較整車風(fēng)冷中冷方案瞬態(tài)響應(yīng)收益。

表4 各方案瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間

從瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果來看，外置式WCAC和集成式WCAC較整車風(fēng)冷中冷方案均有提升，集成式WCAC提升效果更顯著。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證進(jìn)氣管路長(zhǎng)度及容積對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)的影響，針對(duì)外置式WCAC方案，進(jìn)行管路縮短及加長(zhǎng)，上文中的外置式WCAC方案定義為外置式WCAC 基礎(chǔ)方案，管路縮短命名為縮短方案，2種方式加長(zhǎng)管路分別命名為加長(zhǎng)1方案和加長(zhǎng)2方案。由于進(jìn)氣管路直徑一致，故只比較外置式WCAC各方案進(jìn)氣管路長(zhǎng)度，見表5。

表5 外置式WCAC各方案進(jìn)氣管路長(zhǎng)度

針對(duì)上述外置式WCAC方案分別進(jìn)行轉(zhuǎn)速1 500 r/min和2 000 r/min時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)，瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果及相對(duì)基礎(chǔ)方案收益見表6。

從外置式WCAC各方案瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，管路長(zhǎng)短對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)影響較小，但管路越短瞬態(tài)響應(yīng)越快。在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，管路長(zhǎng)短對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)影響較大，縮短方案較基礎(chǔ)方案，瞬態(tài)響應(yīng)提升約10%，而加長(zhǎng)1和加長(zhǎng)2方案瞬態(tài)響應(yīng)均出現(xiàn)惡化現(xiàn)象。

表6 外置式WCAC各方案瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間

3.2 瞬態(tài)冷卻能力

整車風(fēng)冷中冷與水冷中冷所采用的冷卻介質(zhì)不同，由此會(huì)影響到瞬態(tài)冷卻能力。冷卻能力的提升，有助于增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率及扭矩。

針對(duì)整車風(fēng)冷中冷與集成式WCAC方案進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)工況為轉(zhuǎn)速在1 500 r/min和2 000 r/min下的瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)。圖7為2方案中冷后進(jìn)氣溫度曲線圖。

圖7 2方案中冷后進(jìn)氣溫度曲線

圖7顯示，整車風(fēng)冷中冷方案在瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行過程中，中冷后進(jìn)氣溫度顯著上升，而集成式WCAC方案在短時(shí)間內(nèi)，冷卻能力較強(qiáng)，中冷后進(jìn)氣溫度基本維持不變。

3.3 瞬態(tài)響應(yīng)扭矩

同樣，采取整車風(fēng)冷中冷方案與集成式WCAC方案進(jìn)行比較，試驗(yàn)工況為轉(zhuǎn)速1 500 r/min和2 000 r/min瞬態(tài)響應(yīng)。

由于冷卻介質(zhì)不同，集成式WCAC方案較整車風(fēng)冷中冷方案瞬態(tài)冷卻能力更強(qiáng)，中冷后集成式WCAC方案較整車風(fēng)冷中冷方案進(jìn)氣溫度更低，有利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)扭矩。

集成式WCAC方案進(jìn)氣管路較整車風(fēng)冷中冷方案得以顯著縮短，有利于降低進(jìn)氣壓力損失，降低壓力損失同樣利于提升瞬態(tài)響應(yīng)扭矩。

另一方面，在集成式WCAC方案中，中冷器集成在進(jìn)氣歧管內(nèi)，而整車風(fēng)冷中冷方案中冷器后布設(shè)有1 140 mm的進(jìn)氣管。集成式WCAC方案經(jīng)過冷卻后的氣體直接進(jìn)入氣缸，不存在機(jī)體輻射對(duì)中冷后進(jìn)氣進(jìn)行加熱的可能，而是采用整車風(fēng)冷中冷方案。

圖8是轉(zhuǎn)速1 500 r/min瞬態(tài)響應(yīng)扭矩對(duì)比，圖9是轉(zhuǎn)速2 000 r/min瞬態(tài)響應(yīng)扭矩對(duì)比。

圖8 轉(zhuǎn)速1 500 r/min瞬態(tài)響應(yīng)扭矩

圖9 轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)扭矩

在短時(shí)間內(nèi)，在轉(zhuǎn)速1 500 r/min和2 000 r/min時(shí)，集成式WCAC方案較整車風(fēng)冷中冷方案瞬態(tài)響應(yīng)扭矩都更高。由此證明集成式WCAC方案有利于于提升瞬態(tài)響應(yīng)扭矩提升，有助于提升駕駛員感知?jiǎng)恿Α?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過不同水冷中冷方案與整車風(fēng)冷中冷方案進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)外置式WCAC不同方案，包括基礎(chǔ)方案、縮短方案、加長(zhǎng)1和加長(zhǎng)2方案對(duì)比顯示，進(jìn)氣管路越短，瞬態(tài)響應(yīng)更好。(2)外置式WCAC方案、集成式WCAC方案與整車中冷方案比較瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果可知，集成式WCAC方案優(yōu)于外置式WCAC方案，外置式WCAC方案優(yōu)于整車風(fēng)冷中冷方案。(3)集成式WCAC方案與整車風(fēng)冷中冷方案比較瞬態(tài)響應(yīng)冷卻能力，集成式WCAC方案瞬態(tài)冷卻能力明顯優(yōu)于整車風(fēng)冷中冷方案。(4)集成式WCAC方案與整車風(fēng)冷中冷方案比較瞬態(tài)響應(yīng)扭矩，集成式WCAC方案瞬態(tài)響應(yīng)扭矩高于整車風(fēng)冷中冷方案，有利于改善駕乘體驗(yàn)。

上述結(jié)論證明，水冷中冷方案在瞬態(tài)響應(yīng)各方面均優(yōu)于整車風(fēng)冷中冷方案，在發(fā)動(dòng)機(jī)小型化趨勢(shì)下，水冷中冷方案有助于改善瞬態(tài)響應(yīng)。

由于條件尚不成熟，水冷中冷方案與風(fēng)冷中冷方案均在臺(tái)架上完成試驗(yàn)，外置式WCAC和集成式WCAC進(jìn)氣管路設(shè)計(jì)存在一定局限性。待水冷中冷方案設(shè)計(jì)成熟后，計(jì)劃在整車上進(jìn)一步驗(yàn)證水冷中冷與傳統(tǒng)風(fēng)冷中冷的差異。