盧維偉 汪 洋 李承運(yùn) 孫建軍 方會(huì)詠 吳海甫
(1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司機(jī)械輕工部)
在國(guó)家倡導(dǎo)節(jié)能減排的大環(huán)境下,如何提高傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的燃油效率一直是科研院校和汽車企業(yè)的重點(diǎn)研究方向。采用混合動(dòng)力技術(shù)是目前提高燃油效率最有效、最顯著的方案?;旌蟿?dòng)力汽車采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為車輛動(dòng)力源,在不同的行駛工況,通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配,可以實(shí)現(xiàn)最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性[1-3]。國(guó)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(dòng)力系統(tǒng)以改善燃油經(jīng)濟(jì)性;國(guó)內(nèi)的比亞迪股份有限公司,其早期產(chǎn)品F3DM 是國(guó)內(nèi)首款混合動(dòng)力量產(chǎn)車型,上市當(dāng)初備受矚目。但是,混合動(dòng)力系統(tǒng)需要額外配備電機(jī)、電控系統(tǒng)和電池,相比于同型號(hào)的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車,混合動(dòng)力汽車的生產(chǎn)成本更高。當(dāng)前,汽車銷售的最大份額依舊是性價(jià)比較高的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車,如何提高傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的燃油效率,顯得更加重要。
傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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(jī)械損失。提高燃燒效率主要從提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比、優(yōu)化燃油噴射、改善混合氣組織、采用高能點(diǎn)火等措施實(shí)現(xiàn)燃燒的高效化來實(shí)現(xiàn)。高尚志等[4]研究了低壓EGR 對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)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(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。內(nèi)燃機(jī)的機(jī)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(jìn)排氣過程的泵氣損失、由運(yùn)動(dòng)零部件接觸面引起的摩擦損失。目前,對(duì)機(jī)械損失的研究基本上都是在發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒的工況進(jìn)行的,而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)非燃燒工況(非點(diǎn)火工況)的機(jī)械損失研究則較少。研究發(fā)動(dòng)機(jī)非點(diǎn)火工況的機(jī)械損失是對(duì)燃燒工況的機(jī)械損失研究的一種重要補(bǔ)充。
為了了解內(nèi)燃機(jī)非點(diǎn)火工況的機(jī)械損失,本文在一臺(tái)2.0 L 增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn),輔以氣缸壓力計(jì)算,從散熱損失、泵氣損失和摩擦損失3 方面對(duì)總機(jī)械損失進(jìn)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(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的關(guān)系、在總機(jī)械損失中的占比,進(jìn)而提出了降低發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失的手段。
試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)2.0 L 增壓缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī),具有可變氣門正時(shí)系統(tǒng),是一款比較有代表性的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
主要試驗(yàn)設(shè)備見表2。
表2 主要試驗(yàn)設(shè)備列表
發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的主要執(zhí)行器包含節(jié)氣門、增壓器、可變氣門正時(shí)系統(tǒng)(VVT),本文試驗(yàn)研究非點(diǎn)火工況發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下,不同執(zhí)行器動(dòng)作對(duì)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(shí)時(shí)氣缸壓力計(jì)算得到,摩擦損失可由臺(tái)架測(cè)功機(jī)測(cè)定的總機(jī)械損失與泵氣損失、散熱損失求差得到,即總機(jī)械損失=摩擦損失+泵氣損失+散熱損失。所有指標(biāo)的計(jì)量單位均為N·m。
本文設(shè)計(jì)了3 組試驗(yàn),分別對(duì)不同排氣背壓、不同進(jìn)氣壓力、不同氣門重疊角3 個(gè)變量在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總機(jī)械損失的影響進(jìn)行了研究。
具體試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓的連續(xù)變化。測(cè)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(shí)現(xiàn)進(jìn)氣壓力的連續(xù)調(diào)節(jié)。測(cè)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(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣門同時(shí)開啟時(shí)間連續(xù)調(diào)節(jié)。
以上試驗(yàn)工況,要求發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水出口溫度維持在(90±3)℃。
為了方便試驗(yàn)結(jié)果比較,本文將燃燒分析儀測(cè)得的平均指示壓力轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)機(jī)械損失評(píng)價(jià)的標(biāo)度統(tǒng)一。
增壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(qiáng),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(dòng)機(jī)機(jī)械損失與增壓器廢氣旁通閥開度的關(guān)系如圖1 所示。
圖1 機(jī)械損失與增壓器廢氣旁通閥開度的關(guān)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(guān)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(duì)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(duì)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(jī)械損失與增壓器廢氣旁通閥開度呈線性關(guān)系;相同增壓器廢氣旁通閥開度下,總機(jī)械損失與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關(guān)系。
節(jié)氣門一直被認(rèn)為是造成汽油機(jī)泵氣損失較大的因素,尤其在低負(fù)荷時(shí),節(jié)氣門開度小,節(jié)流損失大,導(dǎo)致泵氣損失大。節(jié)氣門開度與機(jī)械損失的關(guān)系如圖2 所示。
圖2 機(jī)械損失與節(jié)氣門開度的關(guān)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(guān)系;隨著轉(zhuǎn)速的升高,泵氣損失與節(jié)氣門開度的線性關(guān)系減弱;相同節(jié)氣門開度下,泵氣損失與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關(guān)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(guān)系,說明進(jìn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關(guān)系。從圖2d 可以看出,低轉(zhuǎn)速下,總機(jī)械損失與節(jié)氣門開度的關(guān)系不顯著;相同節(jié)氣門開度下,總機(jī)械損失與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關(guān)系。
具備可變氣門正時(shí)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī),通過調(diào)節(jié)氣門重疊角,可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部廢氣再循環(huán)(EGR)率的改變,從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失。通過合理的氣門重疊角設(shè)置,可以有效降低泵氣損失,降低油耗。非點(diǎn)火工況下,氣門重疊角與機(jī)械損失的關(guān)系如圖3 所示。
圖3 機(jī)械損失與氣門重疊角的關(guān)系
從圖3 可以看出,氣門重疊角變化對(duì)泵氣損失、散熱損失和摩擦損失的影響均不顯著,即在非點(diǎn)火工況,氣門重疊角變化不會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的總機(jī)械損失,這一點(diǎn)與燃燒工況差異明顯。但是,氣門重疊角不變時(shí),總機(jī)械損失與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈顯著的線性關(guān)系。
降低泵氣損失最有效的手段是取消節(jié)氣門,消除進(jìn)氣節(jié)流,通過控制氣門開啟與關(guān)閉時(shí)刻,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制[6];降低散熱損失的有效手段是采用低導(dǎo)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(yán)格的加工工藝控制摩擦副的表面粗糙度、減少運(yùn)動(dòng)件數(shù)量、采用低黏度潤(rùn)滑油等。
本文通過燃燒分析儀和臺(tái)架測(cè)功機(jī)測(cè)定了傳統(tǒng)汽油機(jī)在非點(diǎn)火工況的泵氣損失、散熱損失和摩擦損失,對(duì)非點(diǎn)火工況發(fā)動(dòng)機(jī)的總機(jī)械損失進(jìn)行了探索,得出結(jié)論如下:
1)節(jié)氣門開度與泵氣損失相關(guān)性最顯著;高轉(zhuǎn)速下,增壓器廢氣旁通閥開度變化對(duì)泵氣損失影響較大;氣門重疊角對(duì)泵氣損失影響較小。
2)節(jié)氣門開度對(duì)散熱損失影響顯著,散熱損失隨進(jìn)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(duì)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(duì)摩擦損失影響均不顯著;摩擦損失與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的相關(guān)性最顯著。
小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)2023年4期