（柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司 廣西 柳州 545005）

引言

在中國(guó)，隨著乘用車油耗和排放限值的日益嚴(yán)格，越來(lái)越多的整車企業(yè)投入更多的精力開(kāi)發(fā)排量更小，強(qiáng)化程度更高的發(fā)動(dòng)機(jī)以滿足各種日益嚴(yán)格的法規(guī)限值[1]。同樣的車輛匹配排量更小的發(fā)動(dòng)機(jī)后，車輛的起步以及加速性能都會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。因此，如何改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能和瞬態(tài)性能成為發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵因素之一。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)相比傳統(tǒng)自然進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以更好地利用發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣能量，明顯地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能和響應(yīng)性能。

發(fā)動(dòng)機(jī)縮排量及增壓技術(shù)的應(yīng)用，使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)受到的熱輻射顯著增大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料、工藝提出更高要求的同時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定的要求也更為嚴(yán)苛。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在中高負(fù)荷時(shí)增壓器介入工作，提高發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣燃燒時(shí)的溫度和壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)在“爆震”邊界下運(yùn)行，獲得更大的功率和更低的燃油消耗率的同時(shí)也承受極大的熱負(fù)荷。熱負(fù)荷對(duì)增壓器及發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)的潤(rùn)滑和冷卻提出巨大挑戰(zhàn)，因此在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定過(guò)程中必須嚴(yán)格按照溫度限值進(jìn)行控制，渦前排氣溫度測(cè)量的精確性，決定著ECU 排溫模型的準(zhǔn)確性，才能確保發(fā)動(dòng)機(jī)在安全的工況下運(yùn)行。由此可見(jiàn)，研究渦前溫度場(chǎng)十分重要。

1 渦前橫向溫度場(chǎng)研究

本研究選取集成缸蓋如圖1 所示，集成缸蓋顧名思義就是將排氣歧管集成在缸蓋中，研究集成缸蓋的渦前橫向溫度場(chǎng)。

圖1 集成缸蓋

相對(duì)于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣歧管內(nèi)的熱廢氣能夠更好地與缸蓋水套進(jìn)行熱交換，這樣同時(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水來(lái)冷卻，那么相當(dāng)于冷卻系統(tǒng)多了一個(gè)熱源，這樣就能更快地實(shí)現(xiàn)暖機(jī)，減少冷啟動(dòng)造成內(nèi)部構(gòu)件的摩擦，使發(fā)動(dòng)機(jī)更快地進(jìn)入高效的工作狀態(tài)，從而達(dá)到降低排放，節(jié)省油耗的目的[2]。

另一方面，排氣歧管與缸蓋水套的熱交換也能夠降低排氣溫度，這也降低了渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪增壓器的進(jìn)氣溫度，因此可以更進(jìn)一步地提高渦輪的增壓值，從而提升新發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力水平，與此同時(shí)，由于內(nèi)置式氣缸蓋排氣歧管縮短了與渦輪增壓器的氣路長(zhǎng)度，理論上讓渦輪增壓器擁有更快的響應(yīng)速度。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管集成于發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上，無(wú)法直接測(cè)量排氣歧管內(nèi)部溫度，因此渦前溫度、渦后溫度等參數(shù)是表征發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)溫度最重要的參數(shù)之一，是標(biāo)定中用于排氣溫度模型建立和超溫保護(hù)控制的重要參數(shù)。

圖2 為此發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度模型，橫坐標(biāo)為IMEP（缸內(nèi)平均有效壓力），縱坐標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，表述的是在不同IMEP 與不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度。

圖2 排氣溫度模型

本研究中發(fā)動(dòng)機(jī)搭載的渦輪增壓器為雙流道單級(jí)渦輪增壓，增壓器渦輪為徑流式，壓氣機(jī)為離心式，渦前溫度測(cè)點(diǎn)位于渦輪增壓器上。

渦輪增壓器實(shí)際上就是一種空氣壓縮機(jī)，由渦輪和壓氣機(jī)組成。利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與渦輪同軸的葉輪被渦輪帶動(dòng)，從空氣濾清器過(guò)來(lái)的新鮮空氣經(jīng)由葉輪被增壓后進(jìn)入氣缸[3]。按照增壓級(jí)數(shù)一般可劃分為單級(jí)渦輪增壓和二級(jí)渦輪增壓，按照流道數(shù)量劃分為單流道和雙流道渦輪增壓器。雙流道增壓器相對(duì)于單流道增壓器而言，它能夠產(chǎn)生與雙渦輪技術(shù)類似的效果，通過(guò)渦輪增壓器內(nèi)兩個(gè)獨(dú)立的螺旋氣室將脈動(dòng)式尾氣分別導(dǎo)流，有效防止氣流相互干擾，更高效地回收廢氣中的能量，降低寄生性反向損失，改善發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下的響應(yīng)速度[4]。

2 臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)

本次研究采用李斯特內(nèi)燃機(jī)及測(cè)試設(shè)備公司（AVL List GmbH）PUMA OPEN 系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)使用INTIME 實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架設(shè)備包括冷卻液恒溫系統(tǒng)、機(jī)油恒溫系統(tǒng)、燃油恒溫系統(tǒng)、中冷控制系統(tǒng)以及油門踏板控制系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)冷卻液溫度、機(jī)油溫度、燃油溫度等參數(shù)的控制能夠真實(shí)還原發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的運(yùn)行環(huán)境。

表1 為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)的組成以及控制/測(cè)量精度，此臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)精度能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備列表

發(fā)動(dòng)機(jī)在測(cè)試臺(tái)架上的安裝與整車上發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝盡量一致，為了使排氣背壓能夠滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，使進(jìn)氣狀態(tài)能與整車上進(jìn)氣狀態(tài)一致，所以使用整車排氣系統(tǒng)及進(jìn)氣系統(tǒng)且保證走向與安裝角度一致；使用風(fēng)機(jī)吹拂發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)面，模擬整車狀態(tài)；圖3 為發(fā)動(dòng)機(jī)在測(cè)試臺(tái)架上的安裝狀態(tài)。

圖3 測(cè)試臺(tái)架

3 測(cè)試方法及結(jié)果分析

3.1 渦前溫度測(cè)點(diǎn)布置

渦前溫度的測(cè)點(diǎn)布置在增壓器渦輪前的流道上，傳感器安裝軸線應(yīng)該處于流道中心，因發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋為集成缸蓋，所以傳感器安裝位置靠近增壓器端面，測(cè)量值才更趨近于排氣歧管內(nèi)的排氣溫度，因工裝焊接時(shí)干涉等因素，本研究選取增壓器距離端面10 mm 處為測(cè)點(diǎn)，采用K 傳感器，測(cè)量范圍0～1 000℃，圖4 為傳感器安裝位置示意圖。

圖4 傳感器測(cè)點(diǎn)布置

3.2 工況選取

此發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速為5 300 r/min，每次調(diào)整傳感器位置進(jìn)行試驗(yàn)前為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)處于正常狀態(tài)，必須將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行至5 300 r/min 滿負(fù)荷確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，以此判斷發(fā)動(dòng)機(jī)正常與否；為了減小工作量，選取5 300 r/min 滿負(fù)荷為渦前溫度場(chǎng)研究的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況。

3.3 試驗(yàn)方法

渦前橫向溫度場(chǎng)的研究是通過(guò)溫度傳感器的不同插入深度測(cè)量出增壓器流道中的溫度分布，通過(guò)增壓器兩個(gè)流道的溫度對(duì)比說(shuō)明不同缸號(hào)間的燃燒差異。

溫度傳感器頭部與增壓器流道壁面的距離取X mm，X 的取值如表2 所示。

表2 X 取值 mm

確保臺(tái)架內(nèi)能源均已開(kāi)啟，調(diào)整好傳感器插入深度，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始暖機(jī)，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，垂直于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)平面吹拂，直至發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為88±5 ℃，中冷后溫度45±1 ℃，機(jī)油溫度大于90 ℃后將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高至功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速，節(jié)氣門全開(kāi)狀態(tài)，待渦前溫度穩(wěn)定后測(cè)量，測(cè)量時(shí)間為10 s。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)比較兩個(gè)流道的溫度差異，將選擇溫度高的流道作為發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定時(shí)的主要參考；通過(guò)不同傳感器插入深度下渦前溫度的分布，確定發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定時(shí)溫度傳感器的插入深度，以此保證排氣溫度的控制處于限值之內(nèi)。經(jīng)過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)，整理得出試驗(yàn)結(jié)果，如表3 所示。

圖5 為渦前溫度分布圖，由圖5 可知，T2曲線為兩邊低中間高且平緩，說(shuō)明在流道內(nèi)溫度分布為中間高兩邊低，X 在2～22 mm 范圍內(nèi)溫度變化不大；T1曲線隨著X 的增大而下降，這是由于T1位置沒(méi)有增壓器隔熱罩遮擋來(lái)自風(fēng)機(jī)吹拂的冷風(fēng)，導(dǎo)致越靠近外壁面溫度越低。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 渦前溫度分布

圖6 為兩流道溫差圖，由圖6 可知，越靠近外壁面兩流道溫差越大，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中T2溫度高于T1位置的溫度，T2為發(fā)動(dòng)機(jī)2、3 缸排氣溫度，T1為1、4 缸排氣溫度，說(shuō)明2、3 缸內(nèi)的燃燒溫度相對(duì)于1、4 缸更高。

圖6 兩流道溫差圖

4 結(jié)論

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)渦前橫向溫度場(chǎng)的研究，為發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定提供強(qiáng)有力的依據(jù)，能夠確保發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定時(shí)各模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)結(jié)果分析可得出以下結(jié)論：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定時(shí)應(yīng)選擇T2流道的溫度作為排氣溫度的主要參考。

2）溫度傳感器的插入深度X=10 mm 時(shí)為渦前溫度測(cè)量的最佳測(cè)量位置。