排氣背壓對發動機性能的影響

楊海軍 湯 鈺 尹建東 沈 源 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315000 2-浙江吉利羅佑發動機有限公司）

引言

通常情況下，滿足國五排放的發動機的后處理系統只需裝配一個單級的三元催化器，而為了滿足國六顆粒物排放，在優化國五三元催化器達到氣體排放物要求的同時，往往需要增加顆粒捕集器（GPF）以滿足顆粒物數量（PN）的排放要求。GPF是一種單邊導通單邊堵塞的壁流式結構催化器，排氣流過時只能從壁面縫隙流出，造成排氣阻力的增加，相應的總排氣背壓增大；另外在使用過程中，碳（soot）在顆粒捕集器中的累積，長時間使用后機油及發動機其它部件磨損脫落形成的灰分（ash）在GPF中不可恢復的累積，造成排氣背壓不斷增加，導致充氣損失不斷增加，發動機的燃燒效率下降，造成發動機動力性和經濟性的惡化。本文通過試驗驗證不同排氣背壓下，探究發動機在外特性上的燃燒狀態進行分析，驗證排氣背壓變化對發動機轉矩、油耗等的影響，為發動機性能開發和匹配提供參考。

1 試驗概述

本次試驗在一款1.0L增壓直噴汽油機上進行，發動機相關參數如表1所示。試驗設備包括AVL發動機臺架控制系統、油耗儀、缸壓傳感器及燃燒分析儀等。試驗利用INCA軟件采集ECU中相關參數。

表1 試驗發動機主要參數

根據GPF供應商提供的相關信息，GPF的碳載量約為3 g/L，故該GPF的最大碳載量約為3.3 g，臺架實測累碳3.3 g的GPF排氣背壓增加約10 kPa；另外根據機油消耗的20×104km排放試驗，灰分增加導致的排氣背壓上升約10 kPa，故本次試驗測試3種排氣背壓下發動機的性能狀態，以及新鮮態GPF對應的排氣背壓P0、最大碳載量（無灰分累積）對應的排氣背壓P0+10 kPa、最大碳載量與最大ash時對應的排氣背壓P0+20 kPa，具體試驗方案如表2所示。試驗過程中排氣背壓通過調節閥進行調節。排氣背壓測量點：三元催化器入口后50 mm處，測壓探頭與管內壁平齊。

上述試驗在AVL性能臺架進行，主要試驗設備如表3所示。

表3 試驗設備

2 試驗結果

2.1 對泵氣損失的影響

排氣背壓增大，導致發動機排氣不順暢，排氣沖程對曲軸做的負功也相應地增大，相應的泵氣損失增加。如圖1所示，隨著排氣背壓增大，整個轉速區間內的泵氣損失呈現出增大的趨勢，轉速越高，泵氣損失增大越明顯[1]。6 000 r/min全負荷工況，排氣背壓增加20 kPa后與初始排氣背壓相比，泵氣損失從298 kPa增加到322 kPa，增加了8.1%。

圖1 發動機泵氣損失

2.2 對燃燒速率的影響

燃燒速率通常用AI50表示，即燃料燃燒50%時對應的發動機曲軸轉角。AI50越小，表明燃燒速率越快，發動機燃燒也較好。本試驗中通過AVL的燃燒分析儀INDICOM和KISTLER火花塞式缸壓傳感器檢測燃燒速率。如圖2所示，在1 500 r/min以前，排氣背壓對AI50的影響不大，發動機轉速越高，排氣流量越大，背壓越大造成缸內的殘余廢氣也越多，內部EGR效果更明顯，導致燃燒速率變慢，燃燒中心AI50也向后移動。

圖2 排氣背壓對燃燒速率的影響

2.3 最大燃燒壓力

通過燃燒分析儀，可以實時觀察隨著排氣背壓的增大，缸內燃燒壓力的變化情況。如圖3所示的缸內最大燃燒壓力，隨著排氣背壓增加，發動機在2 000 r/min以前的最大燃燒壓力基本保持不變，當轉速超過2 000 r/min以后，最大燃燒壓力隨排氣背壓的增加而減少，與發動機的有效輸出轉矩呈正向關系。

圖3 排氣背壓對最大燃燒壓力的影響

2.4 對轉矩的影響

當發動機的排氣背壓在合理的設計范圍內時，排氣順暢，在自由排氣時間內可以排除大量廢氣，在強制排氣時間也能減少活塞上行所消耗的功，從而提高發動機的動力性，反之，則動力性下降。通過測功機測試的不同排氣背壓對應的有效轉矩如圖4所示，在轉速未超過2 000 r/min范圍內，因泵氣損失較少，對發動機的有效輸出轉矩基本無影響；轉速超過2 000 r/min后，隨著排氣背壓增大，泵氣損失也增大較多，發動機指示功的更多部分用于克服泵氣損失，故有效輸出轉矩隨排氣背壓的增大而減小，在6 000 r/min全負荷工況，排氣背壓增加20 kPa，對應的輸出轉矩減少了近12 N·m，轉矩衰減約8%。

圖4 排氣背壓對轉矩的影響

2.5 對燃油消耗率的影響

排氣背壓增加，排氣阻力增大，在正常標定的排氣門關閉時刻，排除的廢氣減少，導致下一循環中廢氣占的比例較大，缸內溫度較高，為降低缸內溫度，往往需要通過增加噴油量的方式降低缸內溫度，減少爆震的傾向；另一方面，由于排氣背壓增加導致泵氣損失增加，相同轉速下要達到相等平均有效壓力（BMEP）同樣需要多噴燃油，進而導致燃油消耗率的增加[2]。如圖5所示，當排氣背壓增加，整個外特性區間的燃油消耗率呈增加趨勢。整體來看，在低轉速區間（1 000～3 000 r/min），燃油消耗率隨排氣背壓的增加不明顯，而在高轉速區間（4 500～6 000 r/min），發動機為了排溫保護和克服更多的泵氣損失，排氣背壓越大，平均燃油消耗率也增加的更多，平均在5 g/（kW·h）以上。

圖5 排氣背壓對燃油消耗率的影響

3 結論

發動機排氣背壓從根源上影響發動機的燃燒狀態，增加發動機的泵氣損失，導致發動機動力性和經濟性出現不同程度的惡化。因此，在發動機設計過程中，需要從發動機內部及排氣管兩部分著手，將排氣背壓控制在合理范圍內，保證排氣順暢，減少排氣所做的負功，從而提升發動機的動力性和經濟性[3]。