節(jié)氣門前后補(bǔ)氣對增壓汽油發(fā)動機(jī)動力性能的影響

葉 坦

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,安徽 淮北 235000)

為改善增壓發(fā)動機(jī)的響應(yīng)特性，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究。其中，曼徹斯特理工學(xué)院的LedgerJ.D.和BnesnoR.S.等人提出了在加速時將外接空氣源的高壓空氣噴入壓氣機(jī)的葉輪來改善渦輪增壓柴油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)的方法，以改善柴油機(jī)加速冒煙問題[1]。MAN公司及韓國漢陽大學(xué)的changsik Lee、英國O.S.Gilkes，R.Mishra,J.FieldhouseandV.Rao等人分別在發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)端、壓氣機(jī)后、進(jìn)氣歧管處進(jìn)行補(bǔ)氣來研究發(fā)動機(jī)的加速及排放性能[2]。另外，山西車用發(fā)動機(jī)研究所、上海交通大學(xué)、武漢理工大學(xué)等也分別在發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)出口、壓氣機(jī)葉輪、進(jìn)氣道處進(jìn)行補(bǔ)氣來研究改善發(fā)動機(jī)的加速及排放性。結(jié)合以上研究成果，提出了采用分別在節(jié)氣門前后進(jìn)行補(bǔ)氣的技術(shù)，分析了小負(fù)荷(節(jié)氣門開度20%)、中等負(fù)荷(40%節(jié)氣門開度)和全負(fù)荷(100%節(jié)氣門開度)3種工況下，不同位置補(bǔ)氣技術(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響。研究結(jié)果對提升增壓發(fā)動機(jī)低速轉(zhuǎn)矩有著重要的工程意義。

1 試驗樣機(jī)選擇及試驗方法

1.1 試驗設(shè)備及發(fā)動機(jī)

試驗選擇某汽車量產(chǎn)的四沖程、水冷、直列、屋脊型燃燒室、多點(diǎn)電子燃油噴射、16氣門、雙頂置凸輪軸、正時鏈條傳動、可變氣門正時、渦輪增壓進(jìn)氣中冷、壓力與飛濺復(fù)合式潤滑汽油GW4G15B發(fā)動機(jī)作為研究樣機(jī)，基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

1.2 試驗臺架及方法

柴油機(jī)推廣使用增壓技術(shù)較汽油機(jī)早。目前，對補(bǔ)氣的研究多以商用車、柴油機(jī)為研究對象。商用車相對乘用車排量大，增加補(bǔ)氣系統(tǒng)成本分?jǐn)側(cè)菀祝_(dá)到的節(jié)油減排效果更容易體現(xiàn)。常見的發(fā)動機(jī)補(bǔ)氣位置有壓氣機(jī)端補(bǔ)氣、壓氣機(jī)后補(bǔ)氣、進(jìn)氣道補(bǔ)氣、渦前補(bǔ)氣、缸內(nèi)補(bǔ)氣，補(bǔ)氣位置示意如圖1所示。

圖1 常見發(fā)動機(jī)補(bǔ)氣位置

補(bǔ)氣試驗系統(tǒng)構(gòu)成主要由壓氣機(jī)、儲氣瓶、減壓閥、過濾器、氣軌(噴嘴)以及發(fā)動機(jī)補(bǔ)氣路徑設(shè)計。詳細(xì)示意圖及構(gòu)成如圖2所示。

圖2 補(bǔ)氣試驗系統(tǒng)構(gòu)成

綜合已有的研究結(jié)果，本試驗主要研究不同補(bǔ)氣位置對汽油機(jī)性能的影響。試驗選擇了2種方案，分別為節(jié)氣門前和節(jié)氣門后進(jìn)行補(bǔ)氣，如圖3所示。

圖3 補(bǔ)氣試驗臺架

2 節(jié)氣門前補(bǔ)氣技術(shù)對增壓汽油發(fā)動機(jī)性能的影響

2.1 20%節(jié)氣門開度工況下前補(bǔ)氣對發(fā)動機(jī)性能的影響

試驗中，當(dāng)補(bǔ)氣壓力為200 kPa、轉(zhuǎn)速小于1 600 r/min時，壓氣機(jī)發(fā)生喘振，試驗無法正常進(jìn)行，因此試驗大部分在≥1 600 r/min進(jìn)行。本試驗主要分析了不同轉(zhuǎn)速，補(bǔ)氣壓力為150、200 kPa以及原機(jī)條件下發(fā)動機(jī)的性能，不同轉(zhuǎn)速、不同補(bǔ)氣壓力下轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化如圖4所示。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 燃油消耗率圖4 節(jié)氣門開度20%時轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化

由圖4(a)可知，發(fā)動機(jī)補(bǔ)氣后，轉(zhuǎn)矩有所上升且補(bǔ)氣壓力越高，上升越多。補(bǔ)氣壓力為200 kPa、1 600 r/min時轉(zhuǎn)矩升高最多，為6.6 N·m，上升幅度6.05%；補(bǔ)氣壓力為150 kPa、2 000 r/min時轉(zhuǎn)矩升高最少，為3 N·m，上升幅度2.83%。由圖4(b)可知，補(bǔ)氣后燃油消耗率呈下降趨勢，但下降幅度不明顯。

2.2 40%節(jié)氣門開度工況下前補(bǔ)氣對發(fā)動機(jī)性能的影響

試驗中，當(dāng)補(bǔ)氣壓力為200 kPa、轉(zhuǎn)速<1 400 r/min和補(bǔ)氣壓力250 kPa、轉(zhuǎn)速<1 600 r/min時，壓氣機(jī)發(fā)生喘振，試驗無法正常進(jìn)行。因此試驗在200、250 kPa，轉(zhuǎn)速分別≥1 400和1 600 r/min時進(jìn)行。本試驗主要分析了不同轉(zhuǎn)速下，補(bǔ)氣壓力為150、200、250 kPa以及原機(jī)條件下的性能。不同轉(zhuǎn)速、不同補(bǔ)氣壓力條件下轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化如圖5所示。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 燃油消耗率圖5 節(jié)氣門開度40%時轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化

由圖5(a)可知，轉(zhuǎn)速為1 000～1 400 r/min時，補(bǔ)氣后轉(zhuǎn)矩與原機(jī)基本相同；轉(zhuǎn)速為1 600～2 000 r/min時，補(bǔ)氣后轉(zhuǎn)矩升高且補(bǔ)氣壓力越大，增加的幅度越大。補(bǔ)氣壓力250 kPa、轉(zhuǎn)速2 000 r/min工況下轉(zhuǎn)矩比原機(jī)上升最多，達(dá)到8.4 N·m，上升幅度5.81%。由圖5(b)可知， 補(bǔ)氣后燃油消耗率增加，補(bǔ)氣壓力越大燃油增加幅度越大；補(bǔ)氣壓力250 kPa、1 800 r/min工況下燃油消耗率上升最多，值為8.55 g/kW·h，上升幅度3.11%。

2.3 100%節(jié)氣門開度工況下前補(bǔ)氣對發(fā)動機(jī)性能的影響

節(jié)氣門開度100%時，原機(jī)進(jìn)氣壓力已較高，特別是高速工況時補(bǔ)氣使進(jìn)氣歧管壓力升高即發(fā)生異響，無法進(jìn)行補(bǔ)氣試驗。低速工況下能少量補(bǔ)氣，補(bǔ)氣壓力為接近異響時軌壓傳感器示值，工況轉(zhuǎn)速、補(bǔ)氣壓力和流量值如表2所示。

不同轉(zhuǎn)速、不同補(bǔ)氣壓力下轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化如圖6所示。

由圖6可知，補(bǔ)氣之后轉(zhuǎn)矩和燃油效率均有所增加。在1 400 r/min時，轉(zhuǎn)矩增加值8 N·m， 但燃油消耗率增加值23 g/(kW·h)。

表2 節(jié)氣門開度100%時補(bǔ)氣工況轉(zhuǎn)速、補(bǔ)氣壓力和流量

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 燃油消耗率圖6 節(jié)氣門開度100%時轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化

3 節(jié)氣門后補(bǔ)氣技術(shù)對增壓汽油發(fā)動機(jī)性能的影響

3.1 20%節(jié)氣門開度工況下后補(bǔ)氣對發(fā)動機(jī)性能的影響

試驗中，當(dāng)補(bǔ)氣壓力為200 kPa、轉(zhuǎn)速小于1 600 r/min和補(bǔ)氣壓力為250 kPa、轉(zhuǎn)速小于1 800 r/min時，壓氣機(jī)發(fā)生喘振，試驗無法正常進(jìn)行。因此，試驗在200、250 kPa時，轉(zhuǎn)速分別≥1 600和1 800 r/min進(jìn)行。本試驗主要分析了不同轉(zhuǎn)速下，補(bǔ)氣壓力150、250、250 kPa以及原機(jī)條件下的發(fā)動機(jī)性能，試驗結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)可知，補(bǔ)氣后各轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩增加，且補(bǔ)氣壓力越高，轉(zhuǎn)矩增加越多。補(bǔ)氣壓力250 kPa、2 000 r/min工況時轉(zhuǎn)矩比原機(jī)增加最多，轉(zhuǎn)矩增加了31.6 N·m，增加幅度30.74%；補(bǔ)氣壓力150 kPa、1 000 r/min工況時轉(zhuǎn)矩比原機(jī)增加最少，轉(zhuǎn)矩增加8.5 N·m，增加幅度8.99%。由圖7(b)知，補(bǔ)氣后燃油消耗率呈現(xiàn)增加趨勢；同轉(zhuǎn)速下補(bǔ)氣壓力越高，燃油消耗率越大。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 燃油消耗率圖7 節(jié)氣門開度20%時轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化

3.2 40%節(jié)氣門開度工況下后補(bǔ)氣對發(fā)動機(jī)性能的影響

試驗中，當(dāng)補(bǔ)氣壓力為200 kPa、轉(zhuǎn)速<1 600 r/min和補(bǔ)氣壓力250 kPa、轉(zhuǎn)速<1 800 r/min時，壓氣機(jī)發(fā)生喘振，試驗無法正常進(jìn)行。因此，試驗在200、250 kPa，轉(zhuǎn)速分別≥1 600和1 800 r/min時進(jìn)行。本試驗主要分析了不同轉(zhuǎn)速下，補(bǔ)氣壓力150、200、250 kPa以及原機(jī)條件下發(fā)動機(jī)的性能，試驗結(jié)果如圖8所示。

由圖8(a)可知，補(bǔ)氣后各轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩增加，而且補(bǔ)氣壓力越高，轉(zhuǎn)矩增加越多。補(bǔ)氣壓力250 kPa、2 000 r/min工況時轉(zhuǎn)矩比原機(jī)增加最多，轉(zhuǎn)矩增加值為4.7 N·m，增加幅度3.25%。由圖8(b)可知，補(bǔ)氣后燃油消耗率呈現(xiàn)增加趨勢；不同補(bǔ)氣壓力下，2 000 r/min工況時的燃油消耗率卻均比原機(jī)降低。補(bǔ)氣效果降低了節(jié)流損失的影響，較高轉(zhuǎn)速點(diǎn)燃油消耗率下降明顯[3]。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 燃油消耗率圖8 節(jié)氣門開度40%時轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化

3.3 100%節(jié)氣門開度工況下后補(bǔ)氣對發(fā)動機(jī)性能的影響

節(jié)氣門開度100%低速時增壓器轉(zhuǎn)速低，補(bǔ)氣使進(jìn)氣歧管壓力稍有升高即發(fā)生異響， 影響補(bǔ)氣效果。該試驗補(bǔ)氣壓力為接近異響時軌壓傳感器示值，工況轉(zhuǎn)速、補(bǔ)氣壓力和流量如表3所示。

表3 節(jié)氣門開度100%時補(bǔ)氣工況轉(zhuǎn)速、補(bǔ)氣壓力和流量

不同轉(zhuǎn)速、不同補(bǔ)氣壓力下轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化如圖9所示。

由圖9可知不同補(bǔ)氣條件下， 1 400 r/min 時轉(zhuǎn)矩增加5.3 N·m，燃油消耗率卻增加29 g/(kW·h)。補(bǔ)氣后油耗升高，但1 200 r/min時補(bǔ)氣后燃油消耗增加較少，其它轉(zhuǎn)速下，補(bǔ)氣后燃油消耗率增加較多[4]。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 燃油消耗率圖9 節(jié)氣門開度100%時轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化

4 結(jié)論

1) 補(bǔ)氣技術(shù)可以增加增壓汽油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩[5]，當(dāng)節(jié)氣門開度20%時，節(jié)氣門后補(bǔ)氣輸出轉(zhuǎn)矩可增加30 N·m以上，增幅30%左右；不同節(jié)氣門開度的其他工況下補(bǔ)氣輸出轉(zhuǎn)矩增加量在10 N·m以內(nèi)。

2) 除了20%節(jié)氣門開度工況外，其他穩(wěn)態(tài)試驗轉(zhuǎn)矩與補(bǔ)氣位置弱相關(guān)，不同補(bǔ)氣位置對應(yīng)工況達(dá)到的輸出轉(zhuǎn)矩值基本一致。

3) 補(bǔ)氣技術(shù)增加了汽油機(jī)爆震強(qiáng)度，為了抑制爆震，推遲汽油機(jī)點(diǎn)火提前角，從而使汽油機(jī)油耗普遍增加(個別工況點(diǎn)下降)，最大增幅達(dá)到29.1 g/(kW·h)，增幅約10%。