小排量汽油機增壓升級節(jié)油潛力的研究與分析*

陽焱屏，劉敬平，王樹青，付建勤，朱國輝

(1.湖南大學先進動力總成技術研究中心，長沙 410082;2.湖南大學教育部汽車電子與控制工程中心，長沙 410082)

前言

為了改善發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能，目前國內(nèi)外絕大部分柴油機都采用了增壓系統(tǒng)，汽油機增壓也呈上升趨勢，并且渦輪增壓汽油機的小型化趨勢越來越明顯［1－4］。本文中研究的增壓樣機是由1.0L自然吸氣式汽油機在不改變發(fā)動機本體設計的前提下進行中度增壓。實測數(shù)據(jù)表明，增壓樣機已基本滿足預定目標，最大功率達到65kW，在轉速2 000～4 000r/min范圍內(nèi)轉矩達到120N·m。但增壓后為了防止爆燃，采取的降低壓縮比和推遲點火提前角等措施導致發(fā)動機的有效熱效率有所下降，在相同轉速和平均有效壓力條件下增壓樣機的有效燃油消耗率比原機的有效燃油消耗率高［5－6］。圖1為原機與增壓樣機的萬有特性油耗曲線圖，圖2為外特性上油耗對比圖。

圖1表明:轉速和平均有效壓力相同條件下，增壓樣機的有效燃油消耗率幾乎全部高于自然吸氣發(fā)動機。圖2所示的1.0L增壓樣機外特性上有效燃油消耗率全部高于欲替代的1.3L NA發(fā)動機。圖1和圖2所示結果容易引起人們對汽油機增壓升級搭載整車后是否能節(jié)油的疑問。為了分析增壓樣機代替整車原1.3L非增壓發(fā)動機后的節(jié)油潛力，本文中利用整車燃油經(jīng)濟性計算軟件GT-Drive并借助發(fā)動機實測萬有特性上的有效燃油消耗率數(shù)據(jù)，分析了同一款車型分別搭載該1.0L增壓樣機與1.3L自然吸氣式汽油機在整車5擋行駛工況和新歐洲道路循環(huán)工況(NEDC)的燃油消耗情況，對其進行節(jié)油原因分析;并為進一步挖掘增壓樣機的節(jié)油潛能提出了改進方向。

1 模型的建立

圖3所示為GT-Drive模型，搭載增壓樣機的整車參數(shù)與搭載1.3L自然吸氣式汽油機的整車參數(shù)相同，只改變發(fā)動機性能MAP，這樣能夠很好地分析整車搭載兩種不同汽油機在燃油經(jīng)濟性方面的優(yōu)劣情況。

2 模擬結果與分析

2.1 整車5擋行駛模擬結果與分析

基于所建的整車模型，在整車5擋行駛工況下進行GT-Drive模擬，其結果如圖4～圖6所示。由圖可見:同一行駛阻力下1.0L增壓樣機在大部分轉速下的有效燃油消耗率比1.3L自然吸氣式汽油機的有效燃油消耗率低;在工況點5 000r/min，1.0L增壓樣機的有效燃油消耗率比1.3L NA發(fā)動機的有效燃油消耗率減少了8.68%，節(jié)油效果非常明顯。

主要原因在于同一整車轉矩需求對應的不同排量的發(fā)動機的負荷不同，由于1.0L增壓樣機排量減小，同一轉矩對應的小排量增壓樣機負荷高，從而1.0L增壓樣機實際使用工況下的有效燃油消耗率要比1.3L自然吸氣式汽油機要低。

2.2 新歐洲道路循環(huán)工況模擬結果分析

在新歐洲道路循環(huán)工況 NEDC(總時間為1 180s)下的模擬結果如圖7所示。從圖中可明顯看出搭載1.0L增壓樣機的整車燃油消耗較低。

本文中把新歐洲道路循環(huán)分為轉矩輸出、怠速停車和制動3個階段來闡述節(jié)油的原因，圖8所示為新歐洲道路循環(huán)各階段所占時間。

發(fā)動機轉矩輸出階段:圖9和圖10分別為轉矩輸出階段1.0L增壓樣機和1.3L發(fā)動機的實際運行工況點，由圖可知，在同等動力性的條件下，增壓發(fā)動機由于排量小從而使用負荷較大，使發(fā)動機大部分運行工況點更接近萬有特性圖的經(jīng)濟油耗區(qū)域。這是增壓發(fā)動機在轉矩輸出階段達到節(jié)油的主要原因。

發(fā)動機怠速停車階段:此階段發(fā)動機處于怠速狀態(tài)，此時發(fā)動機不需要向外輸出動力，只要克服發(fā)動機本身的平均摩擦有效壓力和泵氣損失，由于發(fā)動機的怠速油耗與發(fā)動機的排量成正比，所以1.0L增壓樣機比1.3L NA汽油機怠速油耗低，實測結果表明低10.06%。

發(fā)動機制動階段:此階段節(jié)氣門全關，發(fā)動機從高轉速逐漸過渡到低轉速或者怠速狀態(tài)，此階段的油耗為不同轉速下能維持發(fā)動機正常運轉的最低油耗的積分，即發(fā)動機不同轉速下怠速油耗的累加。

表1所示為兩款發(fā)動機搭載同一整車NEDC循環(huán)油耗對比，搭載1.0L增壓樣機比搭載1.3L發(fā)動機整車總油耗節(jié)省了5.18%，達到了整車油耗下降5%的預定目標。

表1 兩款發(fā)動機搭載同一整車NEDC循環(huán)油耗對比

3 進一步節(jié)油潛力分析

發(fā)動機在增壓升級開發(fā)過程中，一個非常重要但往往被忽視的環(huán)節(jié)是進排氣系統(tǒng)流通面積須隨著通過發(fā)動機的氣體流量的增加而增大［7－8］。圖11和圖12分別為增壓樣機不同轉速下排氣背壓與1.3L NA發(fā)動機排氣背壓的對比。由圖可見:雖然1.0L增壓樣機已經(jīng)采用了1.3L NA發(fā)動機的排氣系統(tǒng)，但由于增壓樣機在高轉速高負荷時排氣背壓高于1.3L NA發(fā)動機，說明增壓樣機的排氣系統(tǒng)流通面積設計得不夠大。

另一方面，也是更重要的方面，由于該1.0L增壓樣機沒有采用電控放氣閥，在發(fā)動機中、小負荷下，渦輪對發(fā)動機增壓，而進氣側又受到節(jié)流(負荷控制)，導致發(fā)動機的背壓(渦前壓力)在不增壓時仍遠遠高于1.3L NA發(fā)動機，增大了1.0L增壓樣機的泵氣損失。

為進一步挖掘1.0L增壓樣機的節(jié)油潛能，本文中從理論上分析排氣背壓對增壓發(fā)動機油耗的影響。假設降低該1.0L增壓樣機的排氣背壓后，發(fā)動機平均有效壓力和平均摩擦損失壓力跟原1.0L增壓樣機的實驗值相同，即在動力性不變的情況下，分析排氣背壓對油耗的影響。排氣背壓對油耗影響的推導公式如下:

3種校正方法的對比如圖5和表1所示。從圖5中可見，二次擬合優(yōu)于分段擬合，分段擬合優(yōu)于線性擬合。對于利用FPGA等硬件實現(xiàn)非均勻性校正，除了從校正效果進行考核外，還應從校正參數(shù)的存儲空間，獲取時間和校正處理時間等方面考慮[11-13]。從表1可見，二次擬合的參數(shù)量和處理時間優(yōu)于分段校正。綜合考慮，二次擬合校正是最佳的選擇。

式中:pe為發(fā)動機平均有效壓力;pi為發(fā)動機平均指示壓力;pp為發(fā)動機的平均泵氣損失壓力;pm為發(fā)動機的平均摩擦損失壓力。

根據(jù)式(1)可得

式中:pe1和pe2為1.0L增壓樣機排氣背壓修正前后的平均有效壓力;pi1和pi2為增壓樣機排氣背壓修正前后的平均指示壓力;pp1和pp2為增壓樣機排氣背壓修正前后的平均泵氣損失壓力;pm1和pm2為增壓樣機排氣背壓修正前后的平均摩擦損失壓力。

根據(jù)式(2)和式(3)可以得到平均泵氣損失壓力與平均指示壓力的關系為

其中平均泵氣損失壓力可根據(jù)進排氣壓力值求出:

式中:pex為發(fā)動機排氣歧管處排氣壓力;Pin為發(fā)動機的進氣歧管處進氣壓力。

為分析排氣背壓對油耗的影響，假定進氣壓力值相同，則根據(jù)式(4)和式(5)可以求出排氣背壓修正前后平均泵氣損失壓力的差值:

式中:Δpp為排氣背壓修正前后平均泵氣損失壓力的差值;Δpex為排氣背壓修正前后的差值。

結合式(4)和式(6)可得排氣背壓差值與修正前后1.0L增壓樣機平均指示壓力的關系:

式中:Δmfuel1和Δmfuel2分別為排氣背壓修正前后燃油質(zhì)量流量。

結合式(9)和式(10)可以得到:

將式(8)代入式(11)得

對式(12)進行轉換后就可以得到排氣背壓修正前后油耗的表達式為

根據(jù)式(13)分析可得:降低增壓樣機排氣背壓能夠進一步節(jié)省油耗。

從圖11和圖12所示的1.0L增壓樣機渦前壓力來看，在5 000r/min時增壓樣機渦前最大壓力達到0.255MPa，而此時增壓壓力才0.158MPa，導致較高的泵氣損失;從1.0L增壓樣機渦后排氣背壓來看，增壓樣機的最高排氣背壓達到0.062MPa，而發(fā)動機排氣背壓應該控制在0.040MPa以下才合理，排氣背壓偏高，導致渦前的壓力也跟著偏高，最終導致泵氣損失和油耗增加。

結合式(13)分析可知，在合理范圍內(nèi)降低發(fā)動機的排氣背壓是節(jié)油的一個重要方面。如果將1.0L增壓樣機的排氣背壓在無須增壓的工作段降低到1.3L自然吸氣式發(fā)動機水平(通過采用電控放氣閥和增大渦后排氣系統(tǒng)流通面積的方式實現(xiàn))，降低排氣背壓后對油耗的改善預測結果如圖13所示，各轉速下油耗都有所降低，低轉速油耗由于排氣流量不是太大，排氣背壓不是太高，節(jié)油率不是非常明顯，高轉速和高轉矩油耗改善非常明顯，最高油耗節(jié)省率超過了6%，這點與文獻［10］的分析結果較為吻合。

4 結論

(1)同一行駛阻力條件下，1.0L增壓樣機使用負荷較高，故使用狀態(tài)下有效燃油消耗率要低于1.3L自然吸氣式汽油機，節(jié)油效果非常明顯。

(2)在新歐洲道路循環(huán)工況下進行模擬計算，動力性保持一致的情況下搭載1.0L增壓樣機的整車比搭載1.3L NA發(fā)動機的整車總燃油消耗率節(jié)省5.18%。

(3)增壓與降排量措施結合起來后發(fā)動機的節(jié)油效果來自于使用負荷的增加，使得大部分運行工況點更接近萬有特性圖經(jīng)濟油耗區(qū)域。

(4)汽油機增壓升級過程中對放氣閥控制策略及渦后排氣系統(tǒng)的通流能力必須重點優(yōu)化，該二項參數(shù)對整車油耗的影響也非常明顯。

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