基于進排氣壓比的柴油機充氣效率測定方法

王云鵬　曹明柱　王曉鵬　周全　陳懷望

摘 要：近年來，排放法規日益嚴格。按照以往的通過控制新鮮進氣量來間接調節EGR率已無法滿足要求，必須直接和精確的EGR率才可能滿足國五排放。因此必須能夠計算發動機總進氣量，而充氣效率是計算總進氣量的基礎。文章從充氣效率的定義出發，提出了基于進排氣壓比的柴油機充氣效率測定方法，結果表明，文章提出的柴油機充氣效率測定方法可行，且具有一定的精度。

關鍵詞：進氣溫度；進氣壓力；充氣效率；測量精度

中圖分類號：TK401 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）27-0003-02

發動機的充氣效率是指發動機在當前進氣壓力和溫度下實際進氣量與理論進氣量的比值，反映了進氣過程的完善程度，是衡量發動機進氣性能的重要指標。對于國四柴油機，排放相對來說并不是很嚴格，通常都是以新鮮進氣量來間接控制EGR率，新鮮進氣量通過安裝在EGR回路前的進氣總管上，通過標定新鮮進氣量來達到排放要求。但隨著排放法規的日益嚴格，僅僅通過控制新鮮進氣量已無法滿足要求，必須能夠直接控制EGR率才可能達到排放要求，這就需要計算發動機總進氣量，而充氣效率是計算總進氣量的基礎。

本文基于充氣效率的基本概念，提出一種采用常規測試設備測定柴油機充氣效率的方法，達到簡潔、快速和有效獲得精確計算柴油機充氣效率的目的。

1 充氣效率的計算方法

1.1 常用的充氣效率計算

發動機的充氣效率是指發動機在當前進氣壓力和溫度下實際進氣量與理論進氣量的比值。針對已定的發動機，充氣效率的測量最終都歸結于總進氣量的測量。進氣量方法有：壓力波法、流量法和根據節氣門開度的計算。壓力波法是用對進氣沖程中的壓力波進行積分求得，在現實的發動機運轉中很難應用。流量法是直接用流量計測量進氣量，但在實際運用過程中由于布置的關系只能安裝在空氣濾清器后，因此只能測量新鮮進氣量，無法測量進氣發動機的總進氣量。而根據節氣門開度計算進氣量的方法在柴油機上也無法應用：①節氣門在EGR回路之前，無法計算通過EGR部分的流量；②柴油機在正常工況下節氣門常開，只有在DPF（柴油機顆粒捕集器Diesel particulate filter）主動再生時才會有動作。

1.2 基于進排氣壓比的充氣效率計算

根據理想氣體狀態方程可以預測進氣管質量流量：

（1）

其中：

為發動機單缸進氣量，kg/str；為發動機進氣歧管絕對壓力，hpa；為發動機單缸容積m3；為發動機進氣效率；為發動機進氣歧管絕對溫度，K；為氣體常數，287.05 J/kg·K 。

根據公式（1），充氣效率無法直接測得，需要間接計算得到。

發動機總進氣量為：

（2）

其中：

為發動機進氣量，kg/s；為動機單缸進氣量，kg/str；為動機轉速，rpm； 為氣缸數； 為單缸做功的循環數（四沖程機為2）。

將公式（2）帶入公式（1）得到所有與充氣效率相關的因子的公式：

（3）

其中：

為發動機充氣效率；為發動機進氣量，kg/s；為發動機進氣歧管絕對溫度，K；為氣體常數，287.05 J/kg·K； 為單缸做功的循環數（四沖程機為2）；為發動機進氣歧管絕對壓力，hpa；為發動機單缸容積，m3；為發動機轉速，rpm；為氣缸數。

2 試驗設備及方案

本文的研究對象是匹配輕型車的高壓共軌國五柴油機，采用VNT+電控EGR空氣系統以及DOC+DPF后處理方案，裸機排放達到國四水平。發動機主要參數，見表1。發動機臺架為AVL電力測功機，臺架布置，如圖1所示。

圖1 臺架布置圖

3 試驗過程

基于進排氣壓比的測量方法測定其在發動機所有工況的充氣效率，需測量的參數，見表2。

當EGR關閉時，通過空氣流量計的進氣量即為發動機總進氣量，本次試驗時關閉EGR，因此公式（3）中的發動機進氣量就可以通過空氣流量計直接測得。其他參數可以通過相關傳感器直接測得。測試模型數據，見表3。

發動機正常熱機后按照下面工況進行掃點。

4 試驗結果與分析

按照上述的測試模型測量結束后，將實際測量參數和發動機相關參數帶入公式（3）計算得到各工況點充氣效率，以3 600 n/min為例。充氣效率計算值，見表4。

由于渦前壓力表征著排氣阻力，也會影響充氣效率，因此在實際應用中充氣效率不是根據發動機轉速和進氣壓力讀取，而是根據發動機轉速、進排氣壓比讀取的充氣效率，如圖2所示。

圖2 基于進排氣壓比的充氣效率

在臺架上進行充氣效率的驗證，結果顯示充氣效率的偏差小于5%，如圖3所示，基于進排氣壓比的柴油機充氣效率測定方法可行，且滿足工程應用要求。

圖3 充氣效率偏差

5 結 語

本文從充氣效率的定義出發，提出了基于進排氣壓比的柴油機充氣效率測試方法，其理論基礎堅實，測量過程可以通過常用的設備完成，且精度滿足工程應用要求，能夠在現有的柴油發動機上應用。

參考文獻：

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[2] 劉萍，王叢祥，姚喜貴.用發動機進氣壓力計算充氣效率的試驗研究[J]. 農機化研究，2001，（2）.