楊 弢， 杜愛民， 萬(wàn) 玉

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804)

0 引言

傳統(tǒng)汽油機(jī)采用節(jié)氣門控制負(fù)荷，在部分負(fù)荷工況時(shí)通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行控制，由于進(jìn)氣壓力降低，使缸內(nèi)壓力遠(yuǎn)低于大氣壓，活塞運(yùn)行過程中需要消耗較多的功來(lái)克服兩端的壓力差，形成泵氣損失，造成熱效率的降低.這是影響汽油機(jī)部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性的主要原因之一.因此，研究汽油機(jī)部分負(fù)荷工況下泵氣損失特性及其對(duì)性能的影響，分析如何降低泵氣損失，對(duì)提高汽油機(jī)部分負(fù)荷熱效率，降低燃油經(jīng)濟(jì)性有重要意義.

本文通過對(duì)某型號(hào)1.8L汽油機(jī)工作過程的模擬，分析了其泵氣損失特性及其對(duì)汽油機(jī)性能的影響.

1 仿真計(jì)算模型建立

1.1 仿真模型建立

利用GT－POWER模擬仿真軟件搭建某型號(hào)1.8L自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型.根據(jù)原機(jī)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，包括管道長(zhǎng)度、直徑、彎曲半徑、熔劑元件體積(空氣濾清器、諧振腔、三元催化器、消聲器)等，建立如實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)較為相符的計(jì)算模型，模型的主要元件有:進(jìn)氣管道、空氣濾清器、節(jié)氣門、進(jìn)氣道、噴油器、進(jìn)氣門、排氣門、氣缸、曲軸箱、排氣道、排氣管以及傳感器和監(jiān)視器等.

部分負(fù)荷時(shí)，利用傳統(tǒng)的PID(Proportion Integration Differentiation)控制模塊的來(lái)控制計(jì)算過程中進(jìn)氣流量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷的控制.根據(jù)試驗(yàn)確定仿真計(jì)算模型各工況邊界條件，該汽油機(jī)為進(jìn)氣門單VVT，各工況條件下排氣門正時(shí)保持不變.根據(jù)相關(guān)幾何條件及物理邊界條件，在GT－POWER平臺(tái)上建立一維仿真計(jì)算模型，如圖1所示:

1.2 萬(wàn)有特性模擬及驗(yàn)證

根據(jù)試驗(yàn)提供的邊界條件，從1000r/min到6000r/min，每隔500r/min取一個(gè)工況點(diǎn)，共11個(gè)工況點(diǎn)，建立汽油機(jī)部分負(fù)荷模型，模擬仿真汽油機(jī)負(fù)荷特性，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析處理，得到汽油機(jī)油耗特性Map和流量特性Map，如圖2、圖3所示:

與汽油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比和差值計(jì)算，得到仿真模型油耗特性和流量特性的誤差Map如圖4、圖5所示:

由圖2、圖3、圖4、圖5可以看出，仿真計(jì)算得到的油耗特性和流量特性趨勢(shì)以及變化方位與原汽油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為匹配，且油耗特性和流量特性與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差基本在±5%之間，只有流量特性在個(gè)別工況點(diǎn)出現(xiàn)了大于5%情況，這些工況點(diǎn)為低速第負(fù)荷或者為高速高負(fù)荷，是仿真計(jì)算處理較為困難的區(qū)域，而且其誤差在9%以內(nèi)，不會(huì)對(duì)后期的計(jì)算產(chǎn)生太大的影響.由此可見，根據(jù)試驗(yàn)建立的一維仿真計(jì)算模型，可以較為準(zhǔn)確模擬汽油機(jī)的工作過程，為后期的分析和改進(jìn)提供基礎(chǔ).

圖1 1.8L自然吸氣汽油機(jī)GT－Power仿真模型

圖2 模擬值油耗特性Map

圖3 模擬值流量特性Map

2 泵氣損失特性及其對(duì)性能的影響

2.1 泵氣損失特性

從1000r/min到6000r/min，每隔500r/min取一個(gè)工況點(diǎn)，共11個(gè)工況點(diǎn)，模擬仿真發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性，計(jì)算過程中排氣正時(shí)保持不變，排氣提前角為47.2deg BBDC，排氣遲閉角為 8.5deg ATDC.圖6、圖7分別為不同工況下泵氣損失(PMEP)以及泵氣損失在IMEP中所占的比例.

圖4 模擬值油耗特性誤差Map

圖5 模擬值流量特性誤差Map

由模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，泵氣損失及其在IMEP中所占的比例增加;隨著負(fù)荷的降低，泵氣損失增加，而且泵氣損失在IMEP中所占的比例也隨著負(fù)荷的降低而增加，且這種趨勢(shì)在低速時(shí)更加明顯.以2000r/min為例，IMEP從8bar降低到2bar，泵氣損失從0.35bar增加到0.62bar，其在 IMEP中所占比例也由4.2%上升到31.4%.

圖6 泵氣損失特性

圖7 IMEP中泵氣損失比例

圖8 熱效率與IMEP關(guān)系特性曲線

2.2 泵氣損失對(duì)指示熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

隨著負(fù)荷的降低，泵氣損失及其在IMEP中的比例增加;負(fù)荷降低，可燃混合氣充量降低，缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度降低，燃燒效率降低，對(duì)指示熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響.

圖8、圖9、圖10、圖11是指示熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性隨著IMEP和泵氣損失的變化趨勢(shì).

圖9 熱效率與PMEP關(guān)系特性曲線

圖10 BSFC與IMEP關(guān)系特性曲線

圖11 BSFC與PMEP關(guān)系特性曲線

由模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相同負(fù)荷，隨著轉(zhuǎn)速的增加，熱效率降低，比油耗增加;相同轉(zhuǎn)速下，隨著負(fù)荷的降低，熱效率降低，比油耗增加;相同轉(zhuǎn)速下，隨著泵氣損失的增加，熱效率降低，比油耗增加.

以2000r/min為例，IMEP從8bar降低到2bar，熱效率從36.75%降低到29.71%，比油耗從增加到.可見，隨著負(fù)荷的降低，泵氣損失增加，造成熱效率降低，燃油經(jīng)濟(jì)性惡化.而且在低速的時(shí)候，隨著負(fù)荷的降低，泵氣損失的增加，熱效率降低和比油耗增加的趨勢(shì)要明顯比高速時(shí)快.

圖12 2000r/min時(shí)不同負(fù)荷示功圖

圖13 進(jìn)氣壓力與IMEP變化關(guān)系

圖14 節(jié)氣門處壓力降與IMEP變化關(guān)系

2.3 泵氣損失產(chǎn)生的原因分析

通過示功圖分析汽油機(jī)工作過程中泵氣損失產(chǎn)生的原因.以2000r/min為例，圖12為2000r/min不同負(fù)荷時(shí)仿真得到的示功圖.

圖16 進(jìn)氣門壓力與IMEP變化關(guān)系

圖17 進(jìn)氣門壓力降與IMEP變化關(guān)系

可見，隨著負(fù)荷的降低，進(jìn)氣過程中缸內(nèi)壓力降低，而排氣壓力基本保持不變，換氣過程中做功面積增加，泵氣損失增加.

模擬結(jié)果如圖13、圖14、圖15、圖16、圖17所示:

可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的變化，進(jìn)氣壓力變化不大，且在節(jié)氣門處的壓力降也變化不大，進(jìn)氣門壓力變化不大，進(jìn)氣門壓力損失隨著速度的增加有略微增加，說明相同負(fù)荷下隨著速度增加，進(jìn)氣泵氣損失增加量較小，結(jié)合前面關(guān)于相同負(fù)荷下泵氣損失隨著速度的增加而增加的結(jié)論，可以得出:相同負(fù)荷下，隨著速度的增加，進(jìn)氣泵氣損失略微增加，排氣泵氣損失的增加是整體泵氣損失增加的主要部分.

隨著負(fù)荷的降低，進(jìn)氣過程中節(jié)氣門和進(jìn)氣門處的進(jìn)氣壓力也隨之降低，流經(jīng)節(jié)氣門和進(jìn)氣門處產(chǎn)生的壓力損失越大，對(duì)應(yīng)的泵氣損失也越大.由圖12可以看出，低速小負(fù)荷下，節(jié)氣門處的泵氣損失是整體泵氣損失的主要部分.泵氣損失大小與節(jié)氣門處壓力降和氣門處壓力降基本成正比，但是進(jìn)氣門隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后就無(wú)法改變了.這樣，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，泵氣損失是隨著節(jié)氣門處壓力損失的增大而增大，節(jié)氣門開度越小，節(jié)流作用越強(qiáng)，節(jié)氣門處壓力損失越大，進(jìn)氣壓力越低，泵氣損失越大［1］.隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增加，排氣壓力增加，這造成在高速高負(fù)荷時(shí)泵氣壓力增加.

進(jìn)一步分析節(jié)氣門控制模式對(duì)進(jìn)氣量的影響可知，傳統(tǒng)汽油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣相位一定，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻不變，進(jìn)而進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的缸內(nèi)容積基本一致.這樣，在均質(zhì)混合氣情況下，如果要調(diào)整負(fù)荷，就必須控制進(jìn)氣量.而在缸內(nèi)容積一定的情況下，進(jìn)氣量的控制只能通過降低混合氣的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就需要降低進(jìn)氣壓力.在傳統(tǒng)汽油機(jī)中主要通過控制節(jié)氣門的開度來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的控制.然而，在這種負(fù)荷控制模式中，進(jìn)氣壓力隨負(fù)荷降低而降低，這必然導(dǎo)致泵氣損失的增大［1］.

由以上的計(jì)算分析可以看出，部分負(fù)荷時(shí)控制節(jié)氣門處的壓力損失是降低泵氣損失關(guān)鍵所在，對(duì)提高熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性有重要意義.

3 結(jié)論

1)建立的某型號(hào)1.8L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真模型可以在不同負(fù)荷下很好的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程，其誤差在工程可允許范圍內(nèi).

2)相同負(fù)荷下，隨著速度的增加，進(jìn)氣泵氣損失略微增加，排氣泵氣損失的增加是整體泵氣損失增加的主要部分.

3)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的降低，節(jié)氣門的開度減小，由于節(jié)氣門的節(jié)流作用，使得節(jié)氣門處壓力損失增加，導(dǎo)致泵氣損失增加［1］，指示熱效率降低，燃油經(jīng)濟(jì)性惡化.

4)部分負(fù)荷時(shí)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失關(guān)鍵在于降低節(jié)氣門處的壓力損失，這對(duì)提高熱效率，降低燃油消耗有重要意義.

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