廢氣旁通閥開度對增壓直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷性能的影響

黃震， 洪偉， 解方喜， 蘇巖， 黃恩利， 王鑫峰

(1. 吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130022； 2. 河北中興汽車制造有限公司， 河北 保定 071000)

廢氣旁通閥開度對增壓直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷性能的影響

黃震1， 洪偉1， 解方喜1， 蘇巖1， 黃恩利2， 王鑫峰1

(1. 吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130022； 2. 河北中興汽車制造有限公司， 河北 保定 071000)

汽油機(jī)節(jié)氣門產(chǎn)生的節(jié)流損失對增壓發(fā)動機(jī)泵氣損失的影響相當(dāng)嚴(yán)重，尤其是在中小負(fù)荷時，針對這一問題采用試驗(yàn)的方法研究了中小負(fù)荷下旁通閥開度對增壓直噴汽油機(jī)性能的影響。研究結(jié)果表明，在節(jié)氣門開度較小的小負(fù)荷工況下，渦輪增壓器不宜工作，否則排氣背壓過大，對發(fā)動機(jī)非常不利；而廢氣旁通閥全開可以減小排氣背壓，能使發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性提高3%左右。對廢氣旁通閥的合理控制可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)在自然吸氣和渦輪增壓兩種模式之間的轉(zhuǎn)換。

汽油機(jī)； 渦輪增壓； 廢氣旁通閥； 節(jié)流損失

隨著全球氣候的變暖和石油資源的日益枯竭，各個國家都在制定越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)，同時對汽車油耗也提出了越來越高的要求，因此節(jié)能減排就變得越來越重要[1-3]。近年來，增壓小排量是汽車發(fā)動機(jī)的主要發(fā)展方向，增壓可以提高發(fā)動機(jī)的升功率和平均有效壓力[4],與相同排量自然吸氣式發(fā)動機(jī)相比，發(fā)動機(jī)的油耗可以得到很大改善[5]。在各種增壓方式中，廢氣渦輪增壓由于不消耗有用功而被廣泛使用。其中，帶旁通閥的渦輪增壓發(fā)動機(jī)是解決渦輪增壓發(fā)動機(jī)低速扭矩特性不佳的最簡單、成本最低的方案之一[6]，因此在汽油機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。但是，與發(fā)展較為成熟的柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)相比，汽油機(jī)渦輪增壓技術(shù)還不完善[7]。汽油機(jī)與柴油機(jī)的最大不同在于汽油機(jī)由節(jié)氣門控制發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，當(dāng)節(jié)氣門開度較小時，如果渦輪增壓器介入工作，可能會帶來一個矛盾，就是渦輪增壓器給節(jié)氣門前進(jìn)氣道提供高壓進(jìn)氣，而由于節(jié)氣門開度較小，節(jié)流作用強(qiáng)而阻礙進(jìn)氣，這樣會造成排氣背壓高，換氣損失大，缸內(nèi)殘余廢氣增加等現(xiàn)象[8-9]。本研究探討了不同工況下廢氣旁通閥的開度對發(fā)動機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在發(fā)動機(jī)需要渦輪增壓器介入工作時應(yīng)充分利用渦輪增壓器的作用及優(yōu)勢，在不需要渦輪增壓器介入工作時，應(yīng)短接旁通以減小排氣背壓高所帶來的影響。該研究可為電控旁通閥優(yōu)化提供參考依據(jù)，充分挖掘增壓汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性潛力。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)建立

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為某直列4缸增壓直噴汽油機(jī)，匹配渦輪直徑為38.5 mm的渦輪增壓器。對原有缸內(nèi)直噴渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)行改造，使之滿足試驗(yàn)要求，并連接各種所需的傳感器、通信線束、測量裝置以及控制裝置實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的控制。試驗(yàn)用的發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1，試驗(yàn)儀器見表2。

試驗(yàn)系統(tǒng)示意見圖1。本研究對原機(jī)增壓器的具體改造包括：在排氣歧管上打孔并聯(lián)一個旁通管，在旁通管路上連接一個手動調(diào)節(jié)的廢氣旁通閥，起到控制流經(jīng)渦輪機(jī)排氣量進(jìn)而控制渦輪增壓器增壓程度的作用。其中手動廢氣旁通閥的前端與從渦輪機(jī)前排氣歧管上接出的金屬軟管連接，手動廢氣旁通閥后端接出的金屬軟管直接接入到廢氣排放的區(qū)域。當(dāng)手動廢氣旁通閥開度大時，大量的廢氣將從該廢氣旁通閥流過而不經(jīng)過渦輪機(jī)；當(dāng)手動廢氣旁通閥開度小時，絕大部分的廢氣從渦輪機(jī)流過而不經(jīng)過該閥，因而通過對該手動廢氣旁通閥的控制可以達(dá)到控制渦輪增壓器的目的，滿足本研究的試驗(yàn)要求。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可信，在試驗(yàn)之前重新編寫了發(fā)動機(jī)控制程序，在試驗(yàn)中將不用原機(jī)的ECU控制程序，這樣可以過濾掉原機(jī)控制程序中所不清楚的控制參數(shù)和控制思想。單片機(jī)為freescale9S12 系列單片機(jī)。在試驗(yàn)中采用LabVIEW對發(fā)動機(jī)的噴油脈寬、噴油角、噴油軌壓、點(diǎn)火角以及節(jié)氣門開度進(jìn)行實(shí)時控制。

表1 增壓直噴汽油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表2 測量儀器

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)研究了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 550 r/min，不同噴油脈寬即不同負(fù)荷時，發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性隨廢氣旁通閥開度的變化。試驗(yàn)中首先讓發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為2 550 r/min，過量空氣系數(shù)始終為1，噴油脈寬分別為1 000 μs(10%負(fù)荷)，1 500 μs(19%負(fù)荷)，2 000 μs(30%負(fù)荷)，2 500 μs(40%負(fù)荷)，2 800 μs(47%負(fù)荷)，2 900 μs(48%負(fù)荷)，點(diǎn)火角為30°BTDC，不同噴油脈寬時噴油壓力均為8.5 MPa，噴油角均為320°BTDC。然后改變廢氣旁通閥的開度(改變廢氣旁通閥開度會影響渦輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而影響進(jìn)氣量，由于噴油脈寬是定量，此時需要重新調(diào)整節(jié)氣門開度，以保證過量空氣系數(shù)始終為1)，分別為廢氣旁通閥全開、半開及完全關(guān)閉3種狀態(tài)。廢氣旁通閥的直徑為25 mm，當(dāng)廢氣旁通閥全開時，其旁通流通面積為490 mm2,當(dāng)廢氣旁通閥半開時，其旁通流通面積為245 mm2,當(dāng)廢氣旁通閥全閉時，其旁通流通面積為0。試驗(yàn)中其他控制參數(shù)保持不變。此外還研究了部分負(fù)荷工況下不同轉(zhuǎn)速時旁通閥開度對發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的影響，試驗(yàn)方法同上。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 恒轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷下旁通閥開度對發(fā)動機(jī)性能的影響

將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制在2 250 r/min,分析在不同負(fù)荷下旁通閥開度對發(fā)動機(jī)性能的影響。發(fā)動機(jī)扭矩和油耗隨廢氣旁通閥開度的變化規(guī)律見圖2和圖3。

圖2 發(fā)動機(jī)扭矩隨旁通閥開度的變化

圖3 燃油消耗率隨旁通閥開度的變化

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在不同噴油脈寬下，廢氣旁通閥從全關(guān)到半開再到全開的過程可以使發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性得到不同程度的改善。廢氣旁通閥半開和廢氣旁通閥全開所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，因此只對比廢氣旁通閥全關(guān)和全開兩種情況，不同負(fù)荷下廢氣旁通閥由全關(guān)到全開時，發(fā)動機(jī)扭矩和燃油消耗率的改善情況見圖4和圖5?？梢钥闯?，發(fā)動機(jī)扭矩提升百分比和燃油消耗率降低百分比具有相同的變化規(guī)律，隨著負(fù)荷的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢。

圖4 發(fā)動機(jī)扭矩提升百分比

圖5 發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率降低百分比

在10%～48%負(fù)荷時，節(jié)氣門開度較小，此時如果保持廢氣旁通閥關(guān)閉，則在渦輪增壓器增壓的同時，節(jié)氣門的節(jié)流作用較強(qiáng)，換氣損失大，此時如果廢氣旁通閥全開 ，既可以降低排氣背壓、減小排氣阻力，又可以通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度以保持進(jìn)氣量，使換氣更加順暢，從而使發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性都有所提升。發(fā)動機(jī)扭矩和燃油消耗率的改善隨負(fù)荷的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這與發(fā)動機(jī)排氣背壓的變化相關(guān)。試驗(yàn)測得的排氣背壓隨旁通閥開度變化見圖6。

由圖6可知，不同負(fù)荷下隨著旁通閥開度由全閉到半開，排氣背壓減小，并且負(fù)荷越大排氣背壓下降幅度越大，而在半開到全開的過程中排氣背壓基本保持不變。發(fā)動機(jī)的燃油消耗率與缸內(nèi)的燃燒情況、換氣過程以及摩擦損失相關(guān)，在相同轉(zhuǎn)速的情況下，可以認(rèn)為摩擦損失的影響較小，而應(yīng)主要考慮缸內(nèi)燃燒情況以及換氣過程的影響。在10%～30%小負(fù)荷工況時，旁通閥開度增大使流過渦輪的廢氣減少，增壓壓力下降使得進(jìn)氣量減少，從而導(dǎo)致燃燒情況變差，雖然同時也導(dǎo)致排氣背壓降低，但排氣背壓降低的幅度大于進(jìn)氣量減少的幅度，進(jìn)而使泵氣損失減小，因此發(fā)動機(jī)的燃油消耗率在小負(fù)荷時隨負(fù)荷的增大而減小，發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性得到了提高。但是隨著負(fù)荷的進(jìn)一步增大，節(jié)氣門的開度也相應(yīng)增大，而此時增壓壓力進(jìn)一步減小，排氣背壓也在減小，此時雖然節(jié)氣門的開度增大，而進(jìn)氣量卻并沒有增加，缸內(nèi)燃燒情況沒有得到很大的改善，反而隨著負(fù)荷的增加發(fā)動機(jī)扭矩提高百分比和燃油消耗率降低百分比都在減小。

圖6 不同負(fù)荷下旁通閥開度對排氣背壓的影響

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，噴油脈寬在1 200～2 900 μs時廢氣旁通閥全開可有效提高發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性，在噴油脈寬小于1 200 μs時，廢氣旁通閥的開或關(guān)對發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性沒有影響，而在噴油脈寬大于2 900 μs時，為了使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)換為渦輪增壓模式，應(yīng)使廢氣旁通閥關(guān)閉。綜合上述分析可得在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 550 r/min時對廢氣旁通閥的控制策略：噴油脈寬小于2 800 μs(47%負(fù)荷)時，廢氣旁通閥應(yīng)全開，以降低排氣背壓；噴油脈寬達(dá)到2 800 μs(47%負(fù)荷)及以上時，廢氣旁通閥應(yīng)全關(guān)，以利用渦輪增壓器。

2.2 不同轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷時廢氣旁通閥開度對發(fā)動機(jī)性能的影響

試驗(yàn)樣機(jī)在與整車匹配時，當(dāng)車輛處于2擋和3擋且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過2 500 r/min時，發(fā)動機(jī)負(fù)荷已超過50%，因此以下分別選取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，1 750 r/min，2 000 r/min，2 250 r/min進(jìn)行發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動力性試驗(yàn)研究，具體試驗(yàn)方法與上節(jié)2 250 r/min時一樣。各轉(zhuǎn)速時發(fā)動機(jī)扭矩隨旁通閥開度的變化規(guī)律見圖7。各轉(zhuǎn)速時發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率隨旁通閥開度的變化規(guī)律見圖8。

圖7 不同負(fù)荷下旁通閥開度對扭矩的影響

圖8 不同負(fù)荷下旁通閥開度對燃油消耗率的影響

通過以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動機(jī)小負(fù)荷工況時，旁通閥開度的增大會提高發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性。在相同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和旁通閥開度下，發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性隨負(fù)荷的增加而顯著提高。例如，在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，旁通閥開度為245 mm2時,40%負(fù)荷相比于10%負(fù)荷燃油消耗率下降21%左右，扭矩提高52.7%左右。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高時燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性改善效果會更為顯著，例如，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 250 r/min時，40%負(fù)荷相比于10%負(fù)荷燃油消耗率降低25.3%，扭矩提高60.1%。這是由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高使其進(jìn)氣量增加，能夠滿足充分燃燒的需求。雖然轉(zhuǎn)速提高使摩擦損失增加，但增加的程度小于燃燒情況改善的程度，發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性都得到了改善。負(fù)荷較大時，采用大旁通閥開度會使發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性下降，例如，負(fù)荷為47%，轉(zhuǎn)速為2 250 r/min時，旁通閥開度由關(guān)閉改為全開，發(fā)動機(jī)燃油消耗率增加了0.5%，扭矩減小了0.4%，由此可以看出發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性反而都降低了。這是由于旁通閥開度較大時，排氣背壓降低，進(jìn)而引起進(jìn)氣壓力減?。贿M(jìn)氣壓力變小后，燃燒持續(xù)期變長，熱量利用率變低[10]；雖然排氣背壓減小，但這并不能彌補(bǔ)由于進(jìn)氣壓力減小而導(dǎo)致的燃燒情況惡化，使發(fā)動機(jī)性能變差。

通過分析可知，在小負(fù)荷工況時，不同轉(zhuǎn)速下旁通閥開度較大可以帶來發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的提升，此外，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速越高其性能提高越顯著。但是，負(fù)荷的增大限制了性能的提高。不同轉(zhuǎn)速，不同負(fù)荷時廢氣旁通閥的開度MAP圖見圖9。

圖9 常用工況下廢氣旁通閥開度控制MAP圖

從圖中可以看出，不同轉(zhuǎn)速時的廢氣旁通閥開度規(guī)律可以分為兩個階段。第一階段：各轉(zhuǎn)速下，當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷低于47%時，廢氣旁通閥應(yīng)該完全開啟。原因是此時發(fā)動機(jī)負(fù)荷較小，節(jié)氣門開度較小，發(fā)動機(jī)以自然吸氣模式運(yùn)轉(zhuǎn)就能達(dá)到負(fù)荷要求，還能夠減小排氣背壓，降低換氣損失。第二階段：各轉(zhuǎn)速下，當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷大于47%時，廢氣旁通閥應(yīng)該完全關(guān)閉。原因是此時發(fā)動機(jī)負(fù)荷較大，節(jié)氣門開度較大，發(fā)動機(jī)繼續(xù)按照自然吸氣模式運(yùn)轉(zhuǎn)并不經(jīng)濟(jì)，可以使發(fā)動機(jī)以渦輪增壓模式運(yùn)轉(zhuǎn)，以充分利用廢氣能量，提高進(jìn)氣量，充分利用渦輪增壓的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

a) 在中小負(fù)荷時，旁通閥全開能夠使發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性得到提高；

b) 隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加，需要的進(jìn)氣量也增加，為了保證足夠的增壓壓力，此時旁通閥的開度應(yīng)相應(yīng)減小，并且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高相應(yīng)的旁通閥開度越小。

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[編輯： 潘麗麗]

Effects of Waste Gate Opening on Turbocharged GDI Engine Performance under Partial Load

HUANG Zhen1, HONG Wei1, XIE Fangxi1, SU Yan1, HUANG Enli2， WANG Xinfeng1

(1. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022, China;2. Hebei ZhongXing Automobile Manufacturing Co., Ltd., Baoding 071000, China)

The throttle loss produced by the throttle of gasoline engine had a serious effect on turbocharged engine pumping loss especially at medium and low load. In order to solve the problem, the effects of waste gate opening on turbocharged GDI engine performance were researched at medium and low load. The results showed that the running of turbocharger at low load and small throttle opening would lead to too high exhaust back pressure influencing adversely on engine performance. However, the full opening of waste gate could reduce the exhaust back pressure so that the power and economy of engine improved by about 3%. Accordingly, the appropriate control of exhaust gas bypass valve could realize the switch between the naturally aspirated and turbocharged mode.

gasoline engine； turbocharging; exhaust gas bypass valve； throttle loss

2016-06-24；

2016-10-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51276080)；吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(吉教科合字[2016]第423號)

黃震(1991—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)工作過程優(yōu)化與控制；120804645@qq.com。

解方喜(1982—)，男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)工作過程優(yōu)化與控制；jluxfx@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.004

TK411.8；TK417.124

B

1001-2222(2017)01-0021-05