某雙流道增壓發(fā)動機(jī)渦前橫向溫度場研究

（柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司 廣西 柳州 545005）

引言

在中國，隨著乘用車油耗和排放限值的日益嚴(yán)格，越來越多的整車企業(yè)投入更多的精力開發(fā)排量更小，強(qiáng)化程度更高的發(fā)動機(jī)以滿足各種日益嚴(yán)格的法規(guī)限值[1]。同樣的車輛匹配排量更小的發(fā)動機(jī)后，車輛的起步以及加速性能都會帶來挑戰(zhàn)。因此，如何改善發(fā)動機(jī)的低速性能和瞬態(tài)性能成為發(fā)動機(jī)開發(fā)的關(guān)鍵因素之一。增壓發(fā)動機(jī)相比傳統(tǒng)自然進(jìn)氣發(fā)動機(jī)可以更好地利用發(fā)動機(jī)的排氣能量，明顯地提高發(fā)動機(jī)的低速性能和響應(yīng)性能。

發(fā)動機(jī)縮排量及增壓技術(shù)的應(yīng)用，使發(fā)動機(jī)排氣側(cè)受到的熱輻射顯著增大，對發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料、工藝提出更高要求的同時，對發(fā)動機(jī)標(biāo)定的要求也更為嚴(yán)苛。

發(fā)動機(jī)運(yùn)行在中高負(fù)荷時增壓器介入工作，提高發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣燃燒時的溫度和壓力，發(fā)動機(jī)在“爆震”邊界下運(yùn)行，獲得更大的功率和更低的燃油消耗率的同時也承受極大的熱負(fù)荷。熱負(fù)荷對增壓器及發(fā)動機(jī)排氣側(cè)的潤滑和冷卻提出巨大挑戰(zhàn)，因此在進(jìn)行發(fā)動機(jī)標(biāo)定過程中必須嚴(yán)格按照溫度限值進(jìn)行控制，渦前排氣溫度測量的精確性，決定著ECU 排溫模型的準(zhǔn)確性，才能確保發(fā)動機(jī)在安全的工況下運(yùn)行。由此可見，研究渦前溫度場十分重要。

1 渦前橫向溫度場研究

本研究選取集成缸蓋如圖1 所示，集成缸蓋顧名思義就是將排氣歧管集成在缸蓋中，研究集成缸蓋的渦前橫向溫度場。

圖1 集成缸蓋

相對于傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)，排氣歧管內(nèi)的熱廢氣能夠更好地與缸蓋水套進(jìn)行熱交換，這樣同時采用發(fā)動機(jī)冷卻水來冷卻，那么相當(dāng)于冷卻系統(tǒng)多了一個熱源，這樣就能更快地實(shí)現(xiàn)暖機(jī)，減少冷啟動造成內(nèi)部構(gòu)件的摩擦，使發(fā)動機(jī)更快地進(jìn)入高效的工作狀態(tài)，從而達(dá)到降低排放，節(jié)省油耗的目的[2]。

另一方面，排氣歧管與缸蓋水套的熱交換也能夠降低排氣溫度，這也降低了渦輪增壓發(fā)動機(jī)中渦輪增壓器的進(jìn)氣溫度，因此可以更進(jìn)一步地提高渦輪的增壓值，從而提升新發(fā)動機(jī)的動力水平，與此同時，由于內(nèi)置式氣缸蓋排氣歧管縮短了與渦輪增壓器的氣路長度，理論上讓渦輪增壓器擁有更快的響應(yīng)速度。

發(fā)動機(jī)排氣歧管集成于發(fā)動機(jī)缸蓋上，無法直接測量排氣歧管內(nèi)部溫度，因此渦前溫度、渦后溫度等參數(shù)是表征發(fā)動機(jī)排氣側(cè)溫度最重要的參數(shù)之一，是標(biāo)定中用于排氣溫度模型建立和超溫保護(hù)控制的重要參數(shù)。

圖2 為此發(fā)動機(jī)排氣溫度模型，橫坐標(biāo)為IMEP（缸內(nèi)平均有效壓力），縱坐標(biāo)為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，表述的是在不同IMEP 與不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的排氣溫度。

圖2 排氣溫度模型

本研究中發(fā)動機(jī)搭載的渦輪增壓器為雙流道單級渦輪增壓，增壓器渦輪為徑流式，壓氣機(jī)為離心式，渦前溫度測點(diǎn)位于渦輪增壓器上。

渦輪增壓器實(shí)際上就是一種空氣壓縮機(jī)，由渦輪和壓氣機(jī)組成。利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣慣性沖力帶動渦輪轉(zhuǎn)動，與渦輪同軸的葉輪被渦輪帶動，從空氣濾清器過來的新鮮空氣經(jīng)由葉輪被增壓后進(jìn)入氣缸[3]。按照增壓級數(shù)一般可劃分為單級渦輪增壓和二級渦輪增壓，按照流道數(shù)量劃分為單流道和雙流道渦輪增壓器。雙流道增壓器相對于單流道增壓器而言，它能夠產(chǎn)生與雙渦輪技術(shù)類似的效果，通過渦輪增壓器內(nèi)兩個獨(dú)立的螺旋氣室將脈動式尾氣分別導(dǎo)流，有效防止氣流相互干擾，更高效地回收廢氣中的能量，降低寄生性反向損失，改善發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速下的響應(yīng)速度[4]。

2 臺架測試系統(tǒng)

本次研究采用李斯特內(nèi)燃機(jī)及測試設(shè)備公司（AVL List GmbH）PUMA OPEN 系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)使用INTIME 實(shí)時監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。發(fā)動機(jī)臺架設(shè)備包括冷卻液恒溫系統(tǒng)、機(jī)油恒溫系統(tǒng)、燃油恒溫系統(tǒng)、中冷控制系統(tǒng)以及油門踏板控制系統(tǒng)，通過測試系統(tǒng)對冷卻液溫度、機(jī)油溫度、燃油溫度等參數(shù)的控制能夠真實(shí)還原發(fā)動機(jī)在整車上的運(yùn)行環(huán)境。

表1 為發(fā)動機(jī)臺架測試系統(tǒng)的組成以及控制/測量精度，此臺架測試系統(tǒng)精度能夠滿足發(fā)動機(jī)性能測試國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 測試系統(tǒng)設(shè)備列表

發(fā)動機(jī)在測試臺架上的安裝與整車上發(fā)動機(jī)的安裝盡量一致，為了使排氣背壓能夠滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，使進(jìn)氣狀態(tài)能與整車上進(jìn)氣狀態(tài)一致，所以使用整車排氣系統(tǒng)及進(jìn)氣系統(tǒng)且保證走向與安裝角度一致；使用風(fēng)機(jī)吹拂發(fā)動機(jī)排氣側(cè)面，模擬整車狀態(tài)；圖3 為發(fā)動機(jī)在測試臺架上的安裝狀態(tài)。

圖3 測試臺架

3 測試方法及結(jié)果分析

3.1 渦前溫度測點(diǎn)布置

渦前溫度的測點(diǎn)布置在增壓器渦輪前的流道上，傳感器安裝軸線應(yīng)該處于流道中心，因發(fā)動機(jī)缸蓋為集成缸蓋，所以傳感器安裝位置靠近增壓器端面，測量值才更趨近于排氣歧管內(nèi)的排氣溫度，因工裝焊接時干涉等因素，本研究選取增壓器距離端面10 mm 處為測點(diǎn)，采用K 傳感器，測量范圍0～1 000℃，圖4 為傳感器安裝位置示意圖。

圖4 傳感器測點(diǎn)布置

3.2 工況選取

此發(fā)動機(jī)功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速為5 300 r/min，每次調(diào)整傳感器位置進(jìn)行試驗(yàn)前為了確保發(fā)動機(jī)處于正常狀態(tài)，必須將發(fā)動機(jī)運(yùn)行至5 300 r/min 滿負(fù)荷確認(rèn)發(fā)動機(jī)功率是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，以此判斷發(fā)動機(jī)正常與否；為了減小工作量，選取5 300 r/min 滿負(fù)荷為渦前溫度場研究的發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況。

3.3 試驗(yàn)方法

渦前橫向溫度場的研究是通過溫度傳感器的不同插入深度測量出增壓器流道中的溫度分布，通過增壓器兩個流道的溫度對比說明不同缸號間的燃燒差異。

溫度傳感器頭部與增壓器流道壁面的距離取X mm，X 的取值如表2 所示。

表2 X 取值 mm

確保臺架內(nèi)能源均已開啟，調(diào)整好傳感器插入深度，啟動發(fā)動機(jī)開始暖機(jī)，開啟風(fēng)機(jī)，垂直于發(fā)動機(jī)排氣側(cè)平面吹拂，直至發(fā)動機(jī)出水溫度為88±5 ℃，中冷后溫度45±1 ℃，機(jī)油溫度大于90 ℃后將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高至功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速，節(jié)氣門全開狀態(tài)，待渦前溫度穩(wěn)定后測量，測量時間為10 s。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過比較兩個流道的溫度差異，將選擇溫度高的流道作為發(fā)動機(jī)標(biāo)定時的主要參考；通過不同傳感器插入深度下渦前溫度的分布，確定發(fā)動機(jī)標(biāo)定時溫度傳感器的插入深度，以此保證排氣溫度的控制處于限值之內(nèi)。經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn)，整理得出試驗(yàn)結(jié)果，如表3 所示。

圖5 為渦前溫度分布圖，由圖5 可知，T2曲線為兩邊低中間高且平緩，說明在流道內(nèi)溫度分布為中間高兩邊低，X 在2～22 mm 范圍內(nèi)溫度變化不大；T1曲線隨著X 的增大而下降，這是由于T1位置沒有增壓器隔熱罩遮擋來自風(fēng)機(jī)吹拂的冷風(fēng)，導(dǎo)致越靠近外壁面溫度越低。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 渦前溫度分布

圖6 為兩流道溫差圖，由圖6 可知，越靠近外壁面兩流道溫差越大，發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中T2溫度高于T1位置的溫度，T2為發(fā)動機(jī)2、3 缸排氣溫度，T1為1、4 缸排氣溫度，說明2、3 缸內(nèi)的燃燒溫度相對于1、4 缸更高。

圖6 兩流道溫差圖

4 結(jié)論

通過發(fā)動機(jī)渦前橫向溫度場的研究，為發(fā)動機(jī)標(biāo)定提供強(qiáng)有力的依據(jù)，能夠確保發(fā)動機(jī)標(biāo)定時各模型的準(zhǔn)確性。通過結(jié)果分析可得出以下結(jié)論：

1）發(fā)動機(jī)標(biāo)定時應(yīng)選擇T2流道的溫度作為排氣溫度的主要參考。

2）溫度傳感器的插入深度X=10 mm 時為渦前溫度測量的最佳測量位置。