排氣背壓對整車燃油經濟性影響的試驗

李海輝，張 偉，趙向兵

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710000）

減少溫室氣體的排放，積極應對氣候變化，已成為全球共識，2020年9月中國向全球宣布二氧化碳排放力爭2030年達到峰值，爭取2060年前實現碳中和。

交通運輸是國民經濟發展的主動脈，將社會生產、交換、分配、消費等各環節緊密聯系起來，保障我國經濟穩步發展。目前，我國交通運輸行業溫室氣體排放量占總量約11%，隨著鄉村振興和人口戰略實施，未來一段時間內仍將呈增長態勢。其中公路運輸占比最大，達到74%，如圖1所示。

圖1 交通運輸各形式CO2排放占比

對中汽協公開數據進行整理，2020年商用車保有量占汽車保有總量約13%，但其碳排達到了5.4億噸，占到汽車總排放量的62%。其中重卡保有量占商用車保有量的27.4%，但其碳排放量占商用車排放量高達57%[1]，如圖2所示，所以減少重卡行業碳排放是未來的重點。

圖2 重型商用車碳排放占比

如何在保證排放的同時，盡可能地提升整車燃油經濟性成為國內各大廠家的研發重心。排氣系統作為發動機附件的重要組成部分，排氣背壓（阻力壓力）的大小直接影響著柴機的經濟性和排放水平。排氣背壓升高會造成泵氣損失增加，從而導致熱效率降低，排氣背壓升高使得殘余廢氣系數增大，導致燃燒不充分，燃燒經濟性惡化[2]。

本文以某柴油發動機為研究對象，結合發動機臺架試驗，測試發動機功率和燃油消耗率隨排氣背壓增大的變化趨勢，在此基礎上利用CRUISE軟件進行燃油經濟性仿真，驗證排氣背壓對整車燃油經濟性的影響，以正確指導排氣系統的設計開發。

1 排氣背壓性能曲線

1.1 排氣背壓試驗

試驗用發動機主要技術規格如表1所示，按Q/SQ 107057—2019進行排氣背壓的測試，發動機布置及排氣背壓控制方式如圖3、圖4所示。

圖3 發動機臺架試驗

圖4 排氣背壓控制閥門圖

表1 柴油機主要技術規格

1.2 試驗數據處理

對試驗數據進行曲線擬合，找到最符合的函數關系，形式函數關系式如表2所示。但由于各設備參數可調范圍有限，導致試驗過程中采集的數據有限，對數據處理所形成的函數關系式均顯示為線性關系。

表2 函數關系式

如圖5所示，隨著排氣背壓的增加，氣缸內殘余廢氣系數隨著增大，導致進氣沖量系數降低，發動機燃燒不充分，相同燃油量產生的能量降低，功率損失越來越大，發動機額定功率降低，影響整車動力性表現[3]。同時，隨著排氣背壓的增大和燃燒惡化，燃油消耗率不斷增大，影響整車經濟性表現。

圖5 不同排氣背壓下的功率/燃油消耗率

2 基于CRUISE的經濟性能仿真

2.1 整車模型搭建

為了進一步驗證排氣背壓變化對整車燃油經濟性的影響，本文以某6×4牽引車為例，根據牽引車的結構和布置形式，搭建整車模型。同時根據汽車配置方案和部件連接關系建立模型的能量連接，如圖6所示。

圖6 整車仿真模型

2.2 市場典型路譜提取

主要用于細分市場車輛的燃油經濟性校核，采用大數據分析方法，提取具有普遍代表性的實際運行道路的速度譜和海拔譜[4-5]，轉鼓上還原市場真實運行工況，真實反映排氣背壓對市場運行車輛燃油經濟性的影響。

路譜的開發主要包含市場樣本車輛篩選、道路地形劃分、特征提取和路譜提取四部分。通過對單輛單趟運行工況與總體工況特征對比分析，篩選典型市場路譜，主要包含運行工況的相似性，包含怠速及地形占比，以及運行數據的一致性，主要包含最大加速度、勻速占比、加速占比、車速標準差等，如表3所示。根據上述規則篩選出與總特征高度相似的一條市場實際路譜，如圖7所示。

圖7 細分市場典型路譜

表3 運行數據一致性對比

2.3 仿真數據輸入

通過整車轉鼓臺架測試和供應商相關部件參數的收集，將動力系統總成參數和整車滑行阻力參數輸入到仿真模型[6]。

動力系統主要包含發動機（排量、最高轉速、怠速轉速、外特性數據和萬有特性數據）、變速器（擋位速比和傳遞效率Map）、驅動橋（后橋速比和傳遞效率Map）和相關部件（轉動慣量、離合器最大傳遞扭矩、制動器有效摩擦半徑）信息。

整車滑行阻力系數按GB/T 12536—1990《汽車滑行試驗方法》進行測試，滑行過程中緊閉汽車門窗、天窗、空調，根據滑行曲線擬合滑行阻力系數，輸入整車模塊，如圖8所示。

圖8 滑行阻力設置

2.4 排氣背壓對整車經濟性影響分析

將不同排氣背壓下的燃油消耗率數據輸入CRUISE仿真軟件，如圖9所示，得到典型工況下不同排氣背壓整車百公里油耗。排氣背壓從5 kPa提升至25 kPa過程中，整車典型工況油耗增加0.71 L/100 km，即排氣背壓每增加1 kPa，整車等速油耗平均增加0.035 5 L/100 km。

圖9 不同排氣背壓下的整車油耗

3 總結

基于本次試驗的試驗參數及仿真結果，發動機匹配排氣系統時，可得到如下結論：

（1）排氣背壓的降低可以明顯改善整車燃油經濟性；

（2）對此次試驗所用發動機，由于10 kPa～17.5 kPa范圍內，不同排氣背壓下，整車油耗變化較為平緩，排氣背壓對整車燃油經濟性的敏感度較弱，且過低的排氣背壓設計要求，會造成較高的設計成本，因此建議排氣背壓控制在17.5 kPa以內；

（3）本次臺架試驗和仿真的方法，可適用于其他柴油發動機的配套開發，以便指導排氣系統的開發設計。