某雙流道增壓發動機渦前橫向溫度場研究

（柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司 廣西 柳州 545005）

引言

在中國，隨著乘用車油耗和排放限值的日益嚴格，越來越多的整車企業投入更多的精力開發排量更小，強化程度更高的發動機以滿足各種日益嚴格的法規限值[1]。同樣的車輛匹配排量更小的發動機后，車輛的起步以及加速性能都會帶來挑戰。因此，如何改善發動機的低速性能和瞬態性能成為發動機開發的關鍵因素之一。增壓發動機相比傳統自然進氣發動機可以更好地利用發動機的排氣能量，明顯地提高發動機的低速性能和響應性能。

發動機縮排量及增壓技術的應用，使發動機排氣側受到的熱輻射顯著增大，對發動機的設計結構、材料、工藝提出更高要求的同時，對發動機標定的要求也更為嚴苛。

發動機運行在中高負荷時增壓器介入工作，提高發動機缸內混合氣燃燒時的溫度和壓力，發動機在“爆震”邊界下運行，獲得更大的功率和更低的燃油消耗率的同時也承受極大的熱負荷。熱負荷對增壓器及發動機排氣側的潤滑和冷卻提出巨大挑戰，因此在進行發動機標定過程中必須嚴格按照溫度限值進行控制，渦前排氣溫度測量的精確性，決定著ECU 排溫模型的準確性，才能確保發動機在安全的工況下運行。由此可見，研究渦前溫度場十分重要。

1 渦前橫向溫度場研究

本研究選取集成缸蓋如圖1 所示，集成缸蓋顧名思義就是將排氣歧管集成在缸蓋中，研究集成缸蓋的渦前橫向溫度場。

圖1 集成缸蓋

相對于傳統的發動機，排氣歧管內的熱廢氣能夠更好地與缸蓋水套進行熱交換，這樣同時采用發動機冷卻水來冷卻，那么相當于冷卻系統多了一個熱源，這樣就能更快地實現暖機，減少冷啟動造成內部構件的摩擦，使發動機更快地進入高效的工作狀態，從而達到降低排放，節省油耗的目的[2]。

另一方面，排氣歧管與缸蓋水套的熱交換也能夠降低排氣溫度，這也降低了渦輪增壓發動機中渦輪增壓器的進氣溫度，因此可以更進一步地提高渦輪的增壓值，從而提升新發動機的動力水平，與此同時，由于內置式氣缸蓋排氣歧管縮短了與渦輪增壓器的氣路長度，理論上讓渦輪增壓器擁有更快的響應速度。

發動機排氣歧管集成于發動機缸蓋上，無法直接測量排氣歧管內部溫度，因此渦前溫度、渦后溫度等參數是表征發動機排氣側溫度最重要的參數之一，是標定中用于排氣溫度模型建立和超溫保護控制的重要參數。

圖2 為此發動機排氣溫度模型，橫坐標為IMEP（缸內平均有效壓力），縱坐標為發動機轉速，表述的是在不同IMEP 與不同發動機轉速下發動機的排氣溫度。

圖2 排氣溫度模型

本研究中發動機搭載的渦輪增壓器為雙流道單級渦輪增壓，增壓器渦輪為徑流式，壓氣機為離心式，渦前溫度測點位于渦輪增壓器上。

渦輪增壓器實際上就是一種空氣壓縮機，由渦輪和壓氣機組成。利用發動機排出的廢氣慣性沖力帶動渦輪轉動，與渦輪同軸的葉輪被渦輪帶動，從空氣濾清器過來的新鮮空氣經由葉輪被增壓后進入氣缸[3]。按照增壓級數一般可劃分為單級渦輪增壓和二級渦輪增壓，按照流道數量劃分為單流道和雙流道渦輪增壓器。雙流道增壓器相對于單流道增壓器而言，它能夠產生與雙渦輪技術類似的效果，通過渦輪增壓器內兩個獨立的螺旋氣室將脈動式尾氣分別導流，有效防止氣流相互干擾，更高效地回收廢氣中的能量，降低寄生性反向損失，改善發動機低轉速下的響應速度[4]。

2 臺架測試系統

本次研究采用李斯特內燃機及測試設備公司（AVL List GmbH）PUMA OPEN 系統，該測量系統使用INTIME 實時監控，能夠實現測量數據的實時采集。發動機臺架設備包括冷卻液恒溫系統、機油恒溫系統、燃油恒溫系統、中冷控制系統以及油門踏板控制系統，通過測試系統對冷卻液溫度、機油溫度、燃油溫度等參數的控制能夠真實還原發動機在整車上的運行環境。

表1 為發動機臺架測試系統的組成以及控制/測量精度，此臺架測試系統精度能夠滿足發動機性能測試國家標準要求。

表1 測試系統設備列表

發動機在測試臺架上的安裝與整車上發動機的安裝盡量一致，為了使排氣背壓能夠滿足設計目標的要求，使進氣狀態能與整車上進氣狀態一致，所以使用整車排氣系統及進氣系統且保證走向與安裝角度一致；使用風機吹拂發動機排氣側面，模擬整車狀態；圖3 為發動機在測試臺架上的安裝狀態。

圖3 測試臺架

3 測試方法及結果分析

3.1 渦前溫度測點布置

渦前溫度的測點布置在增壓器渦輪前的流道上，傳感器安裝軸線應該處于流道中心，因發動機缸蓋為集成缸蓋，所以傳感器安裝位置靠近增壓器端面，測量值才更趨近于排氣歧管內的排氣溫度，因工裝焊接時干涉等因素，本研究選取增壓器距離端面10 mm 處為測點，采用K 傳感器，測量范圍0～1 000℃，圖4 為傳感器安裝位置示意圖。

圖4 傳感器測點布置

3.2 工況選取

此發動機功率點轉速為5 300 r/min，每次調整傳感器位置進行試驗前為了確保發動機處于正常狀態，必須將發動機運行至5 300 r/min 滿負荷確認發動機功率是否達到設計目標，以此判斷發動機正常與否；為了減小工作量，選取5 300 r/min 滿負荷為渦前溫度場研究的發動機運行工況。

3.3 試驗方法

渦前橫向溫度場的研究是通過溫度傳感器的不同插入深度測量出增壓器流道中的溫度分布，通過增壓器兩個流道的溫度對比說明不同缸號間的燃燒差異。

溫度傳感器頭部與增壓器流道壁面的距離取X mm，X 的取值如表2 所示。

表2 X 取值 mm

確保臺架內能源均已開啟，調整好傳感器插入深度，啟動發動機開始暖機，開啟風機，垂直于發動機排氣側平面吹拂，直至發動機出水溫度為88±5 ℃，中冷后溫度45±1 ℃，機油溫度大于90 ℃后將發動機轉速提高至功率點轉速，節氣門全開狀態，待渦前溫度穩定后測量，測量時間為10 s。

3.4 試驗結果分析

通過比較兩個流道的溫度差異，將選擇溫度高的流道作為發動機標定時的主要參考；通過不同傳感器插入深度下渦前溫度的分布，確定發動機標定時溫度傳感器的插入深度，以此保證排氣溫度的控制處于限值之內。經過多次重復試驗，整理得出試驗結果，如表3 所示。

圖5 為渦前溫度分布圖，由圖5 可知，T2曲線為兩邊低中間高且平緩，說明在流道內溫度分布為中間高兩邊低，X 在2～22 mm 范圍內溫度變化不大；T1曲線隨著X 的增大而下降，這是由于T1位置沒有增壓器隔熱罩遮擋來自風機吹拂的冷風，導致越靠近外壁面溫度越低。

表3 試驗數據

圖5 渦前溫度分布

圖6 為兩流道溫差圖，由圖6 可知，越靠近外壁面兩流道溫差越大，發動機運行過程中T2溫度高于T1位置的溫度，T2為發動機2、3 缸排氣溫度，T1為1、4 缸排氣溫度，說明2、3 缸內的燃燒溫度相對于1、4 缸更高。

圖6 兩流道溫差圖

4 結論

通過發動機渦前橫向溫度場的研究，為發動機標定提供強有力的依據，能夠確保發動機標定時各模型的準確性。通過結果分析可得出以下結論：

1）發動機標定時應選擇T2流道的溫度作為排氣溫度的主要參考。

2）溫度傳感器的插入深度X=10 mm 時為渦前溫度測量的最佳測量位置。