發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部功耗研究

趙責(zé)竣，張春龍

江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330003

0 引言

當(dāng)今，在全球范圍內(nèi)，燃油經(jīng)濟(jì)性的重要性日益凸顯。隨著世界能源消耗的不斷增長(zhǎng)和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性成了國(guó)際社會(huì)亟待解決的問題[1-3]。汽車燃油經(jīng)濟(jì)性是衡量車輛運(yùn)行過程中燃油消耗效率的重要指標(biāo)，它反映了汽車在滿足一定運(yùn)輸需求下，對(duì)燃油資源的利用程度，在汽車性能評(píng)價(jià)中，燃油經(jīng)濟(jì)性占據(jù)重要地位，而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性也隨之成為發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)者目前最重要的工作[4]。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)硬件，改善運(yùn)動(dòng)件的功耗、摩擦功耗也迫在眉睫。鑒于此，本文通過測(cè)試研究附件和摩擦功耗，判斷各附件和各摩擦副在功耗中的占比，并據(jù)此改進(jìn)附件功耗和摩擦功耗以達(dá)到改善燃油經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)[5]。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部功耗測(cè)試參數(shù)及計(jì)算

（1）測(cè)功機(jī)扭矩計(jì)算公式為：

式中，MMEP為倒拖平均有效壓力，Pa；vd發(fā)動(dòng)機(jī)排量，m3；nd為沖程數(shù)，四沖程內(nèi)燃機(jī)沖程數(shù)為2。

Md可由測(cè)功機(jī)直接測(cè)量出，單位是N·m。

（2）指示扭矩計(jì)算公式為：

式中，IMEP為單位氣缸容積所做的循環(huán)指示功，其直觀示意如圖1所示。

圖1 平均指示壓力的直觀示意

圖1中，Pi為指示平均有效壓力，Vi為指示平均有效速度。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖時(shí)，其壓力曲線如圖2所示，此時(shí)由缸壓傳感器可測(cè)出缸內(nèi)壓力大小，故上止點(diǎn)位置的確定對(duì)缸壓測(cè)量值影響較大。上止點(diǎn)位置確定后,發(fā)動(dòng)機(jī)壓力曲線應(yīng)與圖3所示的壓力曲線吻合。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)做功時(shí)的壓力曲線

圖3 缸壓曲線

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部總功耗的計(jì)算公式：

式中，Mf為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部總功耗；Md為發(fā)動(dòng)機(jī)總倒托功耗；Mi為發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失。

（4）測(cè)量結(jié)果如下。

①裝上缸壓傳感器進(jìn)行倒拖時(shí)，為得出各部件的總功耗，關(guān)注的測(cè)量值有測(cè)功機(jī)扭矩及缸壓大小，前者以M來(lái)定義，后者以p來(lái)定義，所測(cè)部件上的總功耗能大小為：

其簡(jiǎn)化公式如下：

當(dāng)?shù)雇线M(jìn)行到第i步時(shí)，測(cè)功機(jī)力矩記錄為Mi，缸壓記錄為Pi（注意單位的換算）； 拆卸某部件后（比如機(jī)油泵），即為第i+1 步操作時(shí),測(cè)功機(jī)力矩記錄為Mi+1，缸壓記錄為Pi+1，按式（4）就可以得出該部件上消耗功值。

②拆卸連桿活塞組時(shí)，此時(shí)測(cè)功機(jī)所測(cè)力矩大小即為總功耗能，某部件上的總功耗能計(jì)算如下：

即把式（4）中后1項(xiàng)去掉，得到該部件上的消耗功。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部功耗測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及技術(shù)要求

（1）布置安裝所有的傳感器。傳感器不能安裝在彎曲處，以零部件入口或出口前 5～10 cm 合適位置為準(zhǔn)，應(yīng)垂直于管內(nèi)氣體或液體流動(dòng)方向。

（2）標(biāo)定相關(guān)零部件溫度、壓力及流量傳感器或儀器。

（3）設(shè)定臺(tái)架環(huán)境溫度，使其恒定在 30～35℃。

（4）確定防凍液配比。根據(jù)不同機(jī)型選用對(duì)應(yīng)的防凍液配比。

（5）確定機(jī)油型號(hào)。根據(jù)不同機(jī)型選用對(duì)應(yīng)機(jī)油型號(hào)。

（6）根據(jù)圖4所示臺(tái)架搭建原理搭建試驗(yàn)臺(tái)。

圖4 臺(tái)架搭建原理

（7）標(biāo)定臺(tái)架溫度控制系統(tǒng)。臺(tái)架溫度控制系統(tǒng)能覆蓋所測(cè)機(jī)型外特性上的溫度范圍。

（8）標(biāo)定臺(tái)架機(jī)油壓力控制系統(tǒng)。臺(tái)架機(jī)油壓力控制系統(tǒng)能覆蓋所測(cè)機(jī)型外特性上的機(jī)油壓力范圍。

（9）油底殼容量標(biāo)定。發(fā)動(dòng)機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，臺(tái)架機(jī)油溫控系統(tǒng)對(duì)油底殼機(jī)油預(yù)熱到 90℃時(shí)，機(jī)油不能超過機(jī)油標(biāo)尺上限刻度。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試步驟

（1）安裝缸壓傳感器，完成試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)功耗試驗(yàn)的倒拖工況下的測(cè)試。同時(shí)，應(yīng)控制水溫及機(jī)油溫度。每個(gè)點(diǎn)需要穩(wěn)定10 s再進(jìn)行測(cè)量。另外，根據(jù)不同機(jī)型可調(diào)整測(cè)量點(diǎn)，保證測(cè)量 8～15 個(gè)即可。記錄測(cè)功機(jī)扭矩值及缸壓值。

（2）拆卸進(jìn)排氣系統(tǒng)，記錄測(cè)量結(jié)果。此步可得出進(jìn)排氣系統(tǒng)帶來(lái)的泵氣損失值。

（3）拆卸動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵，記錄測(cè)量結(jié)果。此步可得出動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵上消耗功。

（4）拆卸前端皮帶及燃油泵，利用臺(tái)架機(jī)油壓力系統(tǒng)進(jìn)行壓力控制，記錄測(cè)量結(jié)果。此步可得出機(jī)油泵上消耗功。

（5）拆卸連桿活塞，記錄測(cè)量結(jié)果。此步可得出連桿活塞組上消耗功。

（6）拆卸燃油泵滾輪，記錄測(cè)量結(jié)果。此步可得出燃油泵上消耗功。

（7）拆卸真空泵。為保證密封，只拆卸真空泵連接軸滾針，記錄測(cè)量結(jié)果。此步可得出真空泵上消耗功。

（8）拆卸水泵?？芍徊鹚萌~片，記錄測(cè)量結(jié)果。此步可得出水泵上消耗功。

（9）拆卸前端皮帶，記錄測(cè)量結(jié)果。此步可得出前端輪系上消耗功。

（10）拆卸正時(shí)鏈條，記錄測(cè)量結(jié)果。此步可得出曲軸上消耗功。

（11）裝回正時(shí)鏈條，拆卸搖臂挺柱，記錄測(cè)量結(jié)果。此步可分別得出氣門閥系中凸輪軸、搖臂挺柱的消耗功。

2.3 測(cè)量結(jié)束

測(cè)量結(jié)束后，將測(cè)量值與理論值誤差控制在±5%以內(nèi)為合格。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部功耗分布

由圖5可知，發(fā)動(dòng)機(jī)功耗占比主要集中在連桿活塞組、機(jī)油泵、真空泵三大塊。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)功耗占比

4 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部功耗改善優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部功耗主要集中在活塞連桿機(jī)構(gòu)、機(jī)油泵、燃油泵。活塞連桿機(jī)構(gòu)可以通過選擇合適的氣缸內(nèi)壁和活塞環(huán)材料、表面處理方式進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到在保證氣缸密封性和活塞間隙適當(dāng)?shù)那闆r下降低接觸和滑動(dòng)摩擦的目標(biāo)。

機(jī)油泵和真空泵都是功能部件，為了降低這兩個(gè)部件功耗，可在不影響使用功能的情況下降低零部件的輸出壓力，同時(shí)使用低功耗的加壓模式。它們消耗的功率隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑油黏度的增加而增大，因此應(yīng)嚴(yán)格把控相關(guān)控油品質(zhì)。

5 結(jié)論

在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)階段，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)以及各零部件功耗的測(cè)試是非常有必要的。此測(cè)試方法可以用來(lái)分析發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)功耗及各零部件功耗。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部功耗的測(cè)試主要是為了識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)功耗的源頭，支持工程師改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的凈功率。為了更有效地進(jìn)行功耗測(cè)量以及數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，應(yīng)建立完善的功耗數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功耗進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)及控制，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)功耗改進(jìn)提供基礎(chǔ)。