機械增壓器旁通閥控制方式與油耗及試驗研究

尹紫恒

(上海交通大學)

與渦輪增壓器的發動機系統布置有所不同，機械增壓器在發動機上的系統布置一般采用節氣門前置的設計。機械增壓器能夠在低于大氣壓時工作，這樣當發動機部分負荷時，節氣門半開進氣處于低壓情況，流經機械增壓器的流量減少，因而大大減少了對功率的損耗。這種布置是對于瞬時響應和增壓器功率減小到最少來說時最好的結構。

圖1 典型上游布置機械增壓系統的構造

旁通閥則將增壓中冷后與增壓器進口處連接起來，根據發動機的扭矩需要調節機械增壓器的壓比和流量。在低速和低負荷工況時，旁通閥門仍然是打開的。這樣就能保證增壓器的增壓比較小，消耗的能量最少。保持旁通閥打開，可以將燃油消耗降到最低。

1 旁通閥的控制方式與油耗

機械增壓器主要采用兩種旁通閥，電子旁通閥和真空旁通閥，分別如圖2(a)和(b)所示。真空旁通閥多用在汽油機上，在節氣門半開狀態下，利用進氣岐管真空度推開旁通閥。在進氣閥全開狀態下，它也可以加裝一個壓力孔利用增壓壓力打開旁通閥，用來限定在進氣閥全開情況下的最大增壓比。電子旁通閥和電子節氣門類似，且旁通閥失效時將打開，避免對增壓器造成傷害。電子旁通閥將由ECU進行精確控制，且只有在機械增壓器進氣壓力接近環境壓力時才開始關閉。

圖2 電子旁通閥和真空旁通閥

真空旁通閥里面是一個膜片彈簧，發動機節氣門后面產生的真空度對膜片產生吸力，克服彈簧力使蝶閥產生動作。其開啟行程和真空度的對應關系如圖3所示，在負25Kpa時開始關閉，在－10Kpa時全部關閉。

圖3 真空旁通閥壓力－行程曲線

由于真空控制旁通閥固有的依靠節氣門后真空打開旁通閥的驅動模式，導致增壓系統在全部的部分負荷下，機械增壓器的進氣口都處于負壓的環境，因而在期望的壓比 (增壓器出口:環境壓力)和增壓器工作壓比 (增壓器出口:增壓器進口)之間有一個偏差，具體的說就是增壓器總是工作在比期望壓比高的條件下，根據膜片彈簧的開啟條件，壓比一般要高0.2左右。而機械增壓器的輸入功率由壓比和轉速絕對，壓比高導致增壓器消耗功率增大。而電子控制旁通閥由ECU控制和驅動，可以根據實際的流量和壓比需要，精確地控制旁通閥的開度，因此可以降低增壓器在部分負荷下的輸入功率，從而降低部分負荷下的燃油消耗。

圖4 真空旁通閥和電子旁通閥壓比差異

2 發動機試驗研究

為了實際了解真空旁通閥和電子旁通閥控制方式對發動機油耗的影響和定量的分析，進行了實際發動機是試驗研究。本實驗所用發動機為美國通用GM LSJ 2.0L直列4缸汽油發動機，安裝有Eaton第五代M62機械增壓器，匹配了真空控制的旁通閥。圖5為發動機的外觀視圖。

圖5 實驗用GM LSJ2.0L發動機

發動機主要參數見下表:

表1 發動機主要參數

2.1 原機萬有特性實驗

獲取萬有特性的實驗方法主要有兩種。一種稱為等分扭矩法，其過程為在某一固定轉速下，在某一較低扭矩值和根據外特性測得的該轉速最大扭矩之間等分幾個扭矩點，分別測量在這幾個扭矩點的燃油消耗率;另一種是等分進氣壓力法，即將最大進氣歧管絕對壓力等分幾個點，分別測量在這幾個壓力點的燃油消耗率。因為扭矩和進氣歧管壓力均可表征發動機的負荷，因此這兩種方法是等同的。等分扭矩法在國內是一種主流的萬有特性試驗方法。但由于本試驗需要研究的是旁通閥在不同進氣歧管壓力下的開度優化控制策略，因此相對而言等分進氣歧管絕對壓力顯得更合適一些，因此，進行了等分進氣壓力法的萬有特性試驗。

由在進氣歧管壓力為60kPa以下時，增壓器旁通閥均為全開狀態;在160kPa以上時，旁通閥為全閉狀態。因此在等分壓力的時候我們便可以分別以60kPa和160kPa為上下界點，每個20kPa測量一次，這樣便使得工作量有所減少而不影響實驗結果。本次實驗所測量的轉速點分別為1000rpm、2000rpm、3000rpm、4000rpm、4400rpm、5000rpm、5600rpm、6000rpm、6400rpm。高速范圍內所測轉速的間隔較小。

為了保證進氣歧管壓力保持在一個相對恒定的值，就必須不斷調整節氣門開度或者扭矩。實驗獲得的發動機等分進氣歧管壓力燃油消耗率萬有特性曲線如圖6所示。

圖6 原機萬有特性曲線 (等分進氣歧管壓力)

2.2 更改旁通閥的控制方法

為了實現旁通閥的手動精確控制，首先應該將真空控制閥取下，或將其取真空度的管子拔下，使其不能工作。其次，安裝設計好的旁通閥外部連線裝置，將其焊接在原機旁通閥的外部。外部連線裝置的圓心焊接在原機旁通閥的旋轉中心軸線上，可以和旁通閥實現同軸旋轉。

控制端我們采用了旁通閥驅動單元，其基本原理就是根據電壓值的不同，可以操控旁通閥執行器搖臂擺動不同的角度。旋動旋鈕即可以實現電壓值的改變。

圖7 旁通閥手動控制示意圖

旁通閥驅動單元通過電路連接到安置在臺架上的旁通閥執行器，控制系統如圖7所示。旁通閥執行器根據驅動單元所發出的電壓信號的不同，可以控制搖臂擺動不同的角度。電壓增大，旁通閥執行器的搖臂向一個方向擺動，則拉動旁通閥開啟一定角度;電壓減小，旁通閥執行器搖臂向另一個方向擺動，則旁通閥在自身蝶閥彈簧的作用下復位一定角度，直到旁通閥全關。

本實驗通過調整旁通閥驅動單元內部電阻值以及連線的長度，使得在0V時對應旁通閥全閉的狀態即0°，4V時對應旁通閥全開的狀態即90°。也就是說旁通閥驅動單元的指示表中一小格代表的旁通閥開度為4.5°，這中對應關系的確定是獲得較為準確的旁通閥開度值的基礎。實驗過程中，通過讀出驅動單元指示表中的讀數，便可以推算得到旁通閥的開度。

2.3 基于最低燃油消耗率的旁通閥開度標定實驗

旁通閥開度標定實驗的目的是尋找在某一轉速和負荷下最低燃油消耗率。本實驗是以等分進氣歧管壓力萬有特性實驗為基礎，將發動機運行狀態調至相同轉速和進氣歧管壓力 (MAP)，以所記錄的原機旁通閥開度為中心，向增加開度和減小開度兩個方向上分別調節旁通閥的開度，測量并記錄發動機的燃油消耗率。在一定的轉速和負荷下會記錄一組因旁通閥開度不同而不同的燃油消耗率值，從中找出一個最小值。實驗過程可由圖12簡單表示。

圖8 旁通閥開度標定過程

實驗所測的轉速范圍為1000rpm到6400rpm，在低轉速區域轉速點的間隔為1000rpm，在中高轉速區域由于靠近最大扭矩點，所以間隔劃分得較小。實驗過程中為了保證進氣歧管壓力 (MAP)基本不變，需要不斷調節發動機節氣門的開度。

改變了旁通閥開度，發動機燃油消耗率就發生了改變。在同轉速同負荷的情況下，改變一組旁通閥開度值，從中可找到一個燃油消耗率的最小值。該最小值所對應的旁通閥開度，就是增壓器旁通閥的優化開度。結果如圖9所示。圖中黑色數據為原機旁通閥開度，紅色數值即為可以取得最低燃油消耗率的增壓器旁通閥開度。通過比較可以發現，所獲得的優化開度均大于原機通過真空控制閥自動控制的開度。

圖9 旁通閥的優化開度

實驗完成后將所測量的燃油消耗率和原機進行對比，數據如表2所示。

表2 燃油消耗率對比

轉速(rpm)優化后燃油消耗率(g/kWh)4400 140 296.8 296.84400 160 301.2 301.25000 60 336.8 336.85000 80 294.8 289.55000 100 300.6 290.45000 120 301.5 293.75000 140 305.3 292.55000 160 311.1 311.15600 60 354.5 354.55600 80 302.5 299.15600 100 304.8 296.45600 120 327.6 320.55600 140 329.3 318.45600 160 313.2 313.26000 60 372.4 372.46000 80 315.2 311.16000 100 327.7 323.06000 120 328.6 316.96000 140 336.8 327.16000 160 327.9 327.96400 60 389.9 389.96400 80 366.7 355.76400 100 353.0 345.66400 120 359.5 335.76400 140 368.5 352.16400 160 388.7 388.7進氣歧管絕對壓力(kPa)原機燃油消耗率(g/kWh)

通過對比可以發現，優化旁通閥開度后，部分負荷下燃油消耗率較明顯地降低。尤其在低速和高速時效果比較明顯。在1000轉MAP 80Mpa時，節油11.6g/Kwh，節油率4.02%;在6400轉時MAP 120Mpa時，節油23.8g/kwh，節油率6.62%。最低燃油消耗率由原機的260.1g/kWh下降為257.3g/kWh，節油率為1.42%。為了更明顯地體現出這種變化，將優化旁通閥開度后所獲得的最低燃油消耗率繪制成萬有特性曲線，和原機等分進氣歧管壓力萬有特性曲線對比，結果如圖10所示。)圖中黑色曲線為原機等分進氣歧管壓力萬有特性曲線，紅色曲線為在旁通閥優化開度下獲得的萬有特性曲線。由圖可見，優化旁通閥開度后，低油耗區域 (260g/kWh)面積大幅度增加，且低油耗的轉速范圍也增大。表3列舉了較低的燃油消耗率 (280g/kWh以下)，相同的等燃油消耗率曲線在原機狀態下的轉速和進氣歧管壓力(MAP)的范圍與優化后的等燃油消耗率曲線的對比。通過對比，這種變化更加明顯得顯示了出來。

圖10 萬有特性對比

表3 等燃油消耗率曲線范圍比較

由此可以說明優化增壓器旁通閥開度，可以較大程度降低發動機的燃油消耗率，提高燃油經濟性。這可以為制定電子控制旁通閥開啟策略提供標定參考依據。

3 總結

本文論述了機械增壓系統的兩種旁通閥控制方式及其對燃油經濟型的影響，并進行了實際發動機的試驗驗證。通過旁通閥開度標定實驗我們發現優化后的旁通閥開度可以使發動機燃油消耗率較大幅度降低，在低速時，最大節油率4.02%;在高速時，最大節油率6.62%。而在中間轉速時的最低燃油消耗率由原機的260.1g/kWh下降為257.3g/kWh，節油率為1.42%。而且優化旁通閥開度使得發動機在更大的轉速范圍內處于低油耗區域。因此應當更改增壓器旁通閥的控制方法，由原來的通過真空控制閥控制改為和真空度無關的電子控制。本實驗所測量的數據可以為指定電控旁通閥策略提供參考。

〔1〕Engine and Dynamometer Testing Guide for Eaton Superchargers，Eaton Supercharger Engineering，2009，1

〔2〕Mike Lau，Daniel R.Ouwenga，Development Potentials for Superchargers，ATZ 2011，11，32－37

〔3〕錢人一.汽油機的機械增壓 (一)〔J〕.汽車與配件.2003(37):24－25

〔4〕錢人一.汽油機的機械增壓 (二)〔J〕汽車與配件.2003(38):26－28