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

在國家倡導節能減排的大環境下，如何提高傳統內燃機汽車的燃油效率一直是科研院校和汽車企業的重點研究方向。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內燃機和驅動電機作為車輛動力源，在不同的行駛工況，通過優化發動機和電機的轉矩分配，可以實現最佳的燃油經濟性[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混合動力系統以改善燃油經濟性；國內的比亞迪股份有限公司，其早期產品F3DM 是國內首款混合動力量產車型，上市當初備受矚目。但是，混合動力系統需要額外配備電機、電控系統和電池，相比于同型號的傳統內燃機汽車，混合動力汽車的生產成本更高。當前，汽車銷售的最大份額依舊是性價比較高的傳統內燃機汽車，如何提高傳統內燃機汽車的燃油效率，顯得更加重要。

傳統內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動機壓縮比、優化燃油噴射、改善混合氣組織、采用高能點火等措施實現燃燒的高效化來實現。高尚志等[4]研究了低壓EGR 對燃油經濟性的改善，取得了顯著成果；門欣等[5]通過采用阿特金森循環有效改善了小負荷發動機的燃油經濟性。內燃機的機械損失由3 方面組成：缸內高溫工質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動機正常燃燒的工況進行的，而對發動機非燃燒工況（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，進而提出了降低發動機機械損失的手段。

1 試驗裝置和試驗方法

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

表1 發動機主要技術參數

主要試驗設備見表2。

表2 主要試驗設備列表

發動機運行時的主要執行器包含節氣門、增壓器、可變氣門正時系統（VVT），本文試驗研究非點火工況發動機不同轉速下，不同執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 個變量在不同轉速下對發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，實現發動機排氣背壓的連續變化。測試轉速分別為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，節氣門開度從0%～100%逐漸變化，實現進氣壓力的連續調節。測試轉速分別為1 500、2 500、3 500、4 500、5 500 r/min。

3）保持節氣門全開，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，實現進排氣門同時開啟時間連續調節。

以上試驗工況，要求發動機冷卻水出口溫度維持在（90±3）℃。

2 試驗數據分析

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換為轉矩，實現機械損失評價的標度統一。

2.1 排氣背壓與機械損失的關系

增壓發動機中，增壓器廢氣旁通閥開度決定了流經增壓器葉輪氣體流量的大小，從而影響發動機的排氣背壓。流經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，摩擦損失隨轉速呈線性變化。從圖1d 可以看出，高轉速下，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，總機械損失與發動機轉速呈顯著的線性關系。

2.2 節氣門開度與機械損失的關系

節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，節氣門開度小，節流損失大，導致泵氣損失大。節氣門開度與機械損失的關系如圖2 所示。

圖2 機械損失與節氣門開度的關系

從圖2a 可以看出，低轉速下，泵氣損失與節氣門開度呈顯著的線性關系；隨著轉速的升高，泵氣損失與節氣門開度的線性關系減弱；相同節氣門開度下，泵氣損失與發動機轉速呈顯著的線性關系。從圖2b 可以看出，相同轉速下，散熱損失與節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，相同節氣門開度下，摩擦損失與發動機轉速呈顯著的線性關系。從圖2d 可以看出，低轉速下，總機械損失與節氣門開度的關系不顯著；相同節氣門開度下，總機械損失與發動機轉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的發動機，通過調節氣門重疊角，可實現內部廢氣再循環（EGR）率的改變，從而影響發動機的泵氣損失。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，總機械損失與發動機轉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氣門，消除進氣節流，通過控制氣門開啟與關閉時刻，實現負荷控制[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壁，減少缸內工質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，對非點火工況發動機的總機械損失進行了探索，得出結論如下：

1）節氣門開度與泵氣損失相關性最顯著；高轉速下，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；摩擦損失與發動機轉速的相關性最顯著。