增壓直噴汽油機非點火工況機械損失測定與研究

盧維偉 汪 洋 李承運 孫建軍 方會詠 吳海甫

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江方圓檢測集團股份有限公司機械輕工部）

引言

在國家倡導節(jié)能減排的大環(huán)境下，如何提高傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的燃油效率一直是科研院校和汽車企業(yè)的重點研究方向。采用混合動力技術是目前提高燃油效率最有效、最顯著的方案?；旌蟿恿ζ嚥捎脗鹘y(tǒng)內(nèi)燃機和驅(qū)動電機作為車輛動力源，在不同的行駛工況，通過優(yōu)化發(fā)動機和電機的轉(zhuǎn)矩分配，可以實現(xiàn)最佳的燃油經(jīng)濟性[1-3]。國外的豐田汽車公司和本田汽車公司早在十多年前就開始研發(fā)混合動力系統(tǒng)以改善燃油經(jīng)濟性；國內(nèi)的比亞迪股份有限公司，其早期產(chǎn)品F3DM 是國內(nèi)首款混合動力量產(chǎn)車型，上市當初備受矚目。但是，混合動力系統(tǒng)需要額外配備電機、電控系統(tǒng)和電池，相比于同型號的傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，混合動力汽車的生產(chǎn)成本更高。當前，汽車銷售的最大份額依舊是性價比較高的傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，如何提高傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的燃油效率，顯得更加重要。

傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車燃油效率的提高主要有2 種途徑：提高燃燒效率和降低機械損失。提高燃燒效率主要從提高發(fā)動機壓縮比、優(yōu)化燃油噴射、改善混合氣組織、采用高能點火等措施實現(xiàn)燃燒的高效化來實現(xiàn)。高尚志等[4]研究了低壓EGR 對燃油經(jīng)濟性的改善，取得了顯著成果；門欣等[5]通過采用阿特金森循環(huán)有效改善了小負荷發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。內(nèi)燃機的機械損失由3 方面組成：缸內(nèi)高溫工質(zhì)與缸體冷卻水套的熱交換損失（散熱損失）、進排氣過程的泵氣損失、由運動零部件接觸面引起的摩擦損失。目前，對機械損失的研究基本上都是在發(fā)動機正常燃燒的工況進行的，而對發(fā)動機非燃燒工況（非點火工況）的機械損失研究則較少。研究發(fā)動機非點火工況的機械損失是對燃燒工況的機械損失研究的一種重要補充。

為了了解內(nèi)燃機非點火工況的機械損失，本文在一臺2.0 L 增壓直噴汽油發(fā)動機上進行了試驗，輔以氣缸壓力計算，從散熱損失、泵氣損失和摩擦損失3 方面對總機械損失進行了研究；探索了散熱損失、泵氣損失和摩擦損失的影響因素、與發(fā)動機運行工況的關系、在總機械損失中的占比，進而提出了降低發(fā)動機機械損失的手段。

1 試驗裝置和試驗方法

試驗用發(fā)動機為一臺2.0 L 增壓缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機，具有可變氣門正時系統(tǒng)，是一款比較有代表性的傳統(tǒng)發(fā)動機。發(fā)動機的主要技術參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機主要技術參數(shù)

主要試驗設備見表2。

表2 主要試驗設備列表

發(fā)動機運行時的主要執(zhí)行器包含節(jié)氣門、增壓器、可變氣門正時系統(tǒng)（VVT），本文試驗研究非點火工況發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下，不同執(zhí)行器動作對散熱損失、泵氣損失和摩擦損失的影響。泵氣損失和散熱損失可以通過燃燒分析儀的實時氣缸壓力計算得到，摩擦損失可由臺架測功機測定的總機械損失與泵氣損失、散熱損失求差得到，即總機械損失=摩擦損失+泵氣損失+散熱損失。所有指標的計量單位均為N·m。

本文設計了3 組試驗，分別對不同排氣背壓、不同進氣壓力、不同氣門重疊角3 個變量在不同轉(zhuǎn)速下對發(fā)動機總機械損失的影響進行了研究。

具體試驗工況設計如下：

1）保持節(jié)氣門全開，氣門重疊角最小，增壓器廢氣旁通閥開度從0%～100%逐漸變化，實現(xiàn)發(fā)動機排氣背壓的連續(xù)變化。測試轉(zhuǎn)速分別為1 500、2 500、3 500、4 500、5 500 r/min。

2）保持增壓器廢氣旁通閥開度為100%，氣門重疊角最小，節(jié)氣門開度從0%～100%逐漸變化，實現(xiàn)進氣壓力的連續(xù)調(diào)節(jié)。測試轉(zhuǎn)速分別為1 500、2 500、3 500、4 500、5 500 r/min。

3）保持節(jié)氣門全開，增壓器廢氣旁通閥開度處于100%位置，氣門重疊角從最小位置逐漸變化到最大位置，實現(xiàn)進排氣門同時開啟時間連續(xù)調(diào)節(jié)。

以上試驗工況，要求發(fā)動機冷卻水出口溫度維持在（90±3）℃。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

為了方便試驗結果比較，本文將燃燒分析儀測得的平均指示壓力轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機械損失評價的標度統(tǒng)一。

2.1 排氣背壓與機械損失的關系

增壓發(fā)動機中，增壓器廢氣旁通閥開度決定了流經(jīng)增壓器葉輪氣體流量的大小，從而影響發(fā)動機的排氣背壓。流經(jīng)葉輪的氣體流量越高，增壓器的增壓能力越強，排氣背壓越大；反之，增壓器的增壓能力越弱，排氣背壓越小。發(fā)動機機械損失與增壓器廢氣旁通閥開度的關系如圖1 所示。

圖1 機械損失與增壓器廢氣旁通閥開度的關系

從圖1a 可以看出，高轉(zhuǎn)速下，泵氣損失與增壓器廢氣旁通閥開度呈線性關系；相同增壓器廢氣旁通閥開度下，泵氣損失隨轉(zhuǎn)速呈線性變化。從圖1b可以看出，增壓器廢氣旁通閥開度對散熱損失影響不顯著。從圖1c 可以看出，增壓器廢氣旁通閥開度對摩擦損失影響不顯著；相同增壓器廢氣旁通閥開度下，摩擦損失隨轉(zhuǎn)速呈線性變化。從圖1d 可以看出，高轉(zhuǎn)速下，總機械損失與增壓器廢氣旁通閥開度呈線性關系；相同增壓器廢氣旁通閥開度下，總機械損失與發(fā)動機轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關系。

2.2 節(jié)氣門開度與機械損失的關系

節(jié)氣門一直被認為是造成汽油機泵氣損失較大的因素，尤其在低負荷時，節(jié)氣門開度小，節(jié)流損失大，導致泵氣損失大。節(jié)氣門開度與機械損失的關系如圖2 所示。

圖2 機械損失與節(jié)氣門開度的關系

從圖2a 可以看出，低轉(zhuǎn)速下，泵氣損失與節(jié)氣門開度呈顯著的線性關系；隨著轉(zhuǎn)速的升高，泵氣損失與節(jié)氣門開度的線性關系減弱；相同節(jié)氣門開度下，泵氣損失與發(fā)動機轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關系。從圖2b 可以看出，相同轉(zhuǎn)速下，散熱損失與節(jié)氣門開度呈顯著的線性關系，說明進氣量越大，散熱損失越大。從圖2c 可以看出，相同節(jié)氣門開度下，摩擦損失與發(fā)動機轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關系。從圖2d 可以看出，低轉(zhuǎn)速下，總機械損失與節(jié)氣門開度的關系不顯著；相同節(jié)氣門開度下，總機械損失與發(fā)動機轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關系。

2.3 氣門重疊角與機械損失關系

具備可變氣門正時系統(tǒng)的發(fā)動機，通過調(diào)節(jié)氣門重疊角，可實現(xiàn)內(nèi)部廢氣再循環(huán)（EGR）率的改變，從而影響發(fā)動機的泵氣損失。通過合理的氣門重疊角設置，可以有效降低泵氣損失，降低油耗。非點火工況下，氣門重疊角與機械損失的關系如圖3 所示。

圖3 機械損失與氣門重疊角的關系

從圖3 可以看出，氣門重疊角變化對泵氣損失、散熱損失和摩擦損失的影響均不顯著，即在非點火工況，氣門重疊角變化不會降低發(fā)動機的總機械損失，這一點與燃燒工況差異明顯。但是，氣門重疊角不變時，總機械損失與發(fā)動機轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關系。

3 降低機械損失的有效手段

降低泵氣損失最有效的手段是取消節(jié)氣門，消除進氣節(jié)流，通過控制氣門開啟與關閉時刻，實現(xiàn)負荷控制[6]；降低散熱損失的有效手段是采用低導熱率涂層噴涂氣缸內(nèi)壁，減少缸內(nèi)工質(zhì)和缸體水套的熱交換；降低摩擦損失的有效手段有：減少摩擦副接觸面積、采用更嚴格的加工工藝控制摩擦副的表面粗糙度、減少運動件數(shù)量、采用低黏度潤滑油等。

4 結論

本文通過燃燒分析儀和臺架測功機測定了傳統(tǒng)汽油機在非點火工況的泵氣損失、散熱損失和摩擦損失，對非點火工況發(fā)動機的總機械損失進行了探索，得出結論如下：

1）節(jié)氣門開度與泵氣損失相關性最顯著；高轉(zhuǎn)速下，增壓器廢氣旁通閥開度變化對泵氣損失影響較大；氣門重疊角對泵氣損失影響較小。

2）節(jié)氣門開度對散熱損失影響顯著，散熱損失隨進氣量增加呈線性增加；增壓器廢氣旁通閥開度和氣門重疊角對散熱損失影響不明顯。

3）節(jié)氣門開度變化、增壓器廢氣旁通閥開度變化和氣門重疊角變化對摩擦損失影響均不顯著；摩擦損失與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的相關性最顯著。