發動機內部功耗研究

趙責竣，張春龍

江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330003

0 引言

當今，在全球范圍內，燃油經濟性的重要性日益凸顯。隨著世界能源消耗的不斷增長和環境問題的日益嚴峻，汽車的燃油經濟性成了國際社會亟待解決的問題[1-3]。汽車燃油經濟性是衡量車輛運行過程中燃油消耗效率的重要指標，它反映了汽車在滿足一定運輸需求下，對燃油資源的利用程度，在汽車性能評價中，燃油經濟性占據重要地位，而提高發動機的燃油經濟性也隨之成為發動機開發者目前最重要的工作[4]。對于發動機硬件，改善運動件的功耗、摩擦功耗也迫在眉睫。鑒于此，本文通過測試研究附件和摩擦功耗，判斷各附件和各摩擦副在功耗中的占比，并據此改進附件功耗和摩擦功耗以達到改善燃油經濟性的目標[5]。

1 發動機內部功耗測試參數及計算

（1）測功機扭矩計算公式為：

式中，MMEP為倒拖平均有效壓力，Pa；vd發動機排量，m3；nd為沖程數，四沖程內燃機沖程數為2。

Md可由測功機直接測量出，單位是N·m。

（2）指示扭矩計算公式為：

式中，IMEP為單位氣缸容積所做的循環指示功，其直觀示意如圖1所示。

圖1 平均指示壓力的直觀示意

圖1中，Pi為指示平均有效壓力，Vi為指示平均有效速度。

當發動機倒拖時，其壓力曲線如圖2所示，此時由缸壓傳感器可測出缸內壓力大小，故上止點位置的確定對缸壓測量值影響較大。上止點位置確定后,發動機壓力曲線應與圖3所示的壓力曲線吻合。

圖2 發動機做功時的壓力曲線

圖3 缸壓曲線

（3）發動機內部總功耗的計算公式：

式中，Mf為發動機內部總功耗；Md為發動機總倒托功耗；Mi為發動機泵氣損失。

（4）測量結果如下。

①裝上缸壓傳感器進行倒拖時，為得出各部件的總功耗，關注的測量值有測功機扭矩及缸壓大小，前者以M來定義，后者以p來定義，所測部件上的總功耗能大小為：

其簡化公式如下：

當倒拖進行到第i步時，測功機力矩記錄為Mi，缸壓記錄為Pi（注意單位的換算）； 拆卸某部件后（比如機油泵），即為第i+1 步操作時,測功機力矩記錄為Mi+1，缸壓記錄為Pi+1，按式（4）就可以得出該部件上消耗功值。

②拆卸連桿活塞組時，此時測功機所測力矩大小即為總功耗能，某部件上的總功耗能計算如下：

即把式（4）中后1項去掉，得到該部件上的消耗功。

2 發動機內部功耗測試

2.1 實驗準備及技術要求

（1）布置安裝所有的傳感器。傳感器不能安裝在彎曲處，以零部件入口或出口前 5～10 cm 合適位置為準，應垂直于管內氣體或液體流動方向。

（2）標定相關零部件溫度、壓力及流量傳感器或儀器。

（3）設定臺架環境溫度，使其恒定在 30～35℃。

（4）確定防凍液配比。根據不同機型選用對應的防凍液配比。

（5）確定機油型號。根據不同機型選用對應機油型號。

（6）根據圖4所示臺架搭建原理搭建試驗臺。

圖4 臺架搭建原理

（7）標定臺架溫度控制系統。臺架溫度控制系統能覆蓋所測機型外特性上的溫度范圍。

（8）標定臺架機油壓力控制系統。臺架機油壓力控制系統能覆蓋所測機型外特性上的機油壓力范圍。

（9）油底殼容量標定。發動機靜止狀態下，臺架機油溫控系統對油底殼機油預熱到 90℃時，機油不能超過機油標尺上限刻度。

2.2 試驗測試步驟

（1）安裝缸壓傳感器，完成試驗前準備工作，發動機啟動后，進行發動機功耗試驗的倒拖工況下的測試。同時，應控制水溫及機油溫度。每個點需要穩定10 s再進行測量。另外，根據不同機型可調整測量點，保證測量 8～15 個即可。記錄測功機扭矩值及缸壓值。

（2）拆卸進排氣系統，記錄測量結果。此步可得出進排氣系統帶來的泵氣損失值。

（3）拆卸動力轉向泵，記錄測量結果。此步可得出動力轉向泵上消耗功。

（4）拆卸前端皮帶及燃油泵，利用臺架機油壓力系統進行壓力控制，記錄測量結果。此步可得出機油泵上消耗功。

（5）拆卸連桿活塞，記錄測量結果。此步可得出連桿活塞組上消耗功。

（6）拆卸燃油泵滾輪，記錄測量結果。此步可得出燃油泵上消耗功。

（7）拆卸真空泵。為保證密封，只拆卸真空泵連接軸滾針，記錄測量結果。此步可得出真空泵上消耗功。

（8）拆卸水泵。可只拆水泵葉片，記錄測量結果。此步可得出水泵上消耗功。

（9）拆卸前端皮帶，記錄測量結果。此步可得出前端輪系上消耗功。

（10）拆卸正時鏈條，記錄測量結果。此步可得出曲軸上消耗功。

（11）裝回正時鏈條，拆卸搖臂挺柱，記錄測量結果。此步可分別得出氣門閥系中凸輪軸、搖臂挺柱的消耗功。

2.3 測量結束

測量結束后，將測量值與理論值誤差控制在±5%以內為合格。

3 發動機內部功耗分布

由圖5可知，發動機功耗占比主要集中在連桿活塞組、機油泵、真空泵三大塊。

圖5 發動機功耗占比

4 發動機內部功耗改善優化

發動機內部功耗主要集中在活塞連桿機構、機油泵、燃油泵。活塞連桿機構可以通過選擇合適的氣缸內壁和活塞環材料、表面處理方式進行優化，以達到在保證氣缸密封性和活塞間隙適當的情況下降低接觸和滑動摩擦的目標。

機油泵和真空泵都是功能部件，為了降低這兩個部件功耗，可在不影響使用功能的情況下降低零部件的輸出壓力，同時使用低功耗的加壓模式。它們消耗的功率隨發動機的轉速和潤滑油黏度的增加而增大，因此應嚴格把控相關控油品質。

5 結論

在發動機開發階段，對發動機整機以及各零部件功耗的測試是非常有必要的。此測試方法可以用來分析發動機整機功耗及各零部件功耗。發動機內部功耗的測試主要是為了識別發動機功耗的源頭，支持工程師改進設計，提高發動機的凈功率。為了更有效地進行功耗測量以及數據的對比分析，應建立完善的功耗數據庫，對發動機功耗進行有效的評價及控制，從而為發動機功耗改進提供基礎。