葉 坦

(淮北職業(yè)技術學院 機電工程系,安徽 淮北 235000)

為改善增壓發(fā)動機的響應特性，國內(nèi)外專家學者進行了大量研究。其中，曼徹斯特理工學院的LedgerJ.D.和BnesnoR.S.等人提出了在加速時將外接空氣源的高壓空氣噴入壓氣機的葉輪來改善渦輪增壓柴油機的瞬態(tài)響應的方法，以改善柴油機加速冒煙問題[1]。MAN公司及韓國漢陽大學的changsik Lee、英國O.S.Gilkes，R.Mishra,J.FieldhouseandV.Rao等人分別在發(fā)動機壓氣機端、壓氣機后、進氣歧管處進行補氣來研究發(fā)動機的加速及排放性能[2]。另外，山西車用發(fā)動機研究所、上海交通大學、武漢理工大學等也分別在發(fā)動機壓氣機出口、壓氣機葉輪、進氣道處進行補氣來研究改善發(fā)動機的加速及排放性。結(jié)合以上研究成果，提出了采用分別在節(jié)氣門前后進行補氣的技術，分析了小負荷(節(jié)氣門開度20%)、中等負荷(40%節(jié)氣門開度)和全負荷(100%節(jié)氣門開度)3種工況下，不同位置補氣技術對發(fā)動機性能的影響。研究結(jié)果對提升增壓發(fā)動機低速轉(zhuǎn)矩有著重要的工程意義。

1 試驗樣機選擇及試驗方法

1.1 試驗設備及發(fā)動機

試驗選擇某汽車量產(chǎn)的四沖程、水冷、直列、屋脊型燃燒室、多點電子燃油噴射、16氣門、雙頂置凸輪軸、正時鏈條傳動、可變氣門正時、渦輪增壓進氣中冷、壓力與飛濺復合式潤滑汽油GW4G15B發(fā)動機作為研究樣機，基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

1.2 試驗臺架及方法

柴油機推廣使用增壓技術較汽油機早。目前，對補氣的研究多以商用車、柴油機為研究對象。商用車相對乘用車排量大，增加補氣系統(tǒng)成本分攤?cè)菀?，達到的節(jié)油減排效果更容易體現(xiàn)。常見的發(fā)動機補氣位置有壓氣機端補氣、壓氣機后補氣、進氣道補氣、渦前補氣、缸內(nèi)補氣，補氣位置示意如圖1所示。

圖1 常見發(fā)動機補氣位置

補氣試驗系統(tǒng)構(gòu)成主要由壓氣機、儲氣瓶、減壓閥、過濾器、氣軌(噴嘴)以及發(fā)動機補氣路徑設計。詳細示意圖及構(gòu)成如圖2所示。

圖2 補氣試驗系統(tǒng)構(gòu)成

綜合已有的研究結(jié)果，本試驗主要研究不同補氣位置對汽油機性能的影響。試驗選擇了2種方案，分別為節(jié)氣門前和節(jié)氣門后進行補氣，如圖3所示。

圖3 補氣試驗臺架

2 節(jié)氣門前補氣技術對增壓汽油發(fā)動機性能的影響

2.1 20%節(jié)氣門開度工況下前補氣對發(fā)動機性能的影響

試驗中，當補氣壓力為200 kPa、轉(zhuǎn)速小于1 600 r/min時，壓氣機發(fā)生喘振，試驗無法正常進行，因此試驗大部分在≥1 600 r/min進行。本試驗主要分析了不同轉(zhuǎn)速，補氣壓力為150、200 kPa以及原機條件下發(fā)動機的性能，不同轉(zhuǎn)速、不同補氣壓力下轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化如圖4所示。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 燃油消耗率圖4 節(jié)氣門開度20%時轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化

由圖4(a)可知，發(fā)動機補氣后，轉(zhuǎn)矩有所上升且補氣壓力越高，上升越多。補氣壓力為200 kPa、1 600 r/min時轉(zhuǎn)矩升高最多，為6.6 N·m，上升幅度6.05%；補氣壓力為150 kPa、2 000 r/min時轉(zhuǎn)矩升高最少，為3 N·m，上升幅度2.83%。由圖4(b)可知，補氣后燃油消耗率呈下降趨勢，但下降幅度不明顯。

2.2 40%節(jié)氣門開度工況下前補氣對發(fā)動機性能的影響

試驗中，當補氣壓力為200 kPa、轉(zhuǎn)速<1 400 r/min和補氣壓力250 kPa、轉(zhuǎn)速<1 600 r/min時，壓氣機發(fā)生喘振，試驗無法正常進行。因此試驗在200、250 kPa，轉(zhuǎn)速分別≥1 400和1 600 r/min時進行。本試驗主要分析了不同轉(zhuǎn)速下，補氣壓力為150、200、250 kPa以及原機條件下的性能。不同轉(zhuǎn)速、不同補氣壓力條件下轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化如圖5所示。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 燃油消耗率圖5 節(jié)氣門開度40%時轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化

由圖5(a)可知，轉(zhuǎn)速為1 000～1 400 r/min時，補氣后轉(zhuǎn)矩與原機基本相同；轉(zhuǎn)速為1 600～2 000 r/min時，補氣后轉(zhuǎn)矩升高且補氣壓力越大，增加的幅度越大。補氣壓力250 kPa、轉(zhuǎn)速2 000 r/min工況下轉(zhuǎn)矩比原機上升最多，達到8.4 N·m，上升幅度5.81%。由圖5(b)可知， 補氣后燃油消耗率增加，補氣壓力越大燃油增加幅度越大；補氣壓力250 kPa、1 800 r/min工況下燃油消耗率上升最多，值為8.55 g/kW·h，上升幅度3.11%。

2.3 100%節(jié)氣門開度工況下前補氣對發(fā)動機性能的影響

節(jié)氣門開度100%時，原機進氣壓力已較高，特別是高速工況時補氣使進氣歧管壓力升高即發(fā)生異響，無法進行補氣試驗。低速工況下能少量補氣，補氣壓力為接近異響時軌壓傳感器示值，工況轉(zhuǎn)速、補氣壓力和流量值如表2所示。

不同轉(zhuǎn)速、不同補氣壓力下轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化如圖6所示。

由圖6可知，補氣之后轉(zhuǎn)矩和燃油效率均有所增加。在1 400 r/min時，轉(zhuǎn)矩增加值8 N·m， 但燃油消耗率增加值23 g/(kW·h)。

表2 節(jié)氣門開度100%時補氣工況轉(zhuǎn)速、補氣壓力和流量

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 燃油消耗率圖6 節(jié)氣門開度100%時轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化

3 節(jié)氣門后補氣技術對增壓汽油發(fā)動機性能的影響

3.1 20%節(jié)氣門開度工況下后補氣對發(fā)動機性能的影響

試驗中，當補氣壓力為200 kPa、轉(zhuǎn)速小于1 600 r/min和補氣壓力為250 kPa、轉(zhuǎn)速小于1 800 r/min時，壓氣機發(fā)生喘振，試驗無法正常進行。因此，試驗在200、250 kPa時，轉(zhuǎn)速分別≥1 600和1 800 r/min進行。本試驗主要分析了不同轉(zhuǎn)速下，補氣壓力150、250、250 kPa以及原機條件下的發(fā)動機性能，試驗結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)可知，補氣后各轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩增加，且補氣壓力越高，轉(zhuǎn)矩增加越多。補氣壓力250 kPa、2 000 r/min工況時轉(zhuǎn)矩比原機增加最多，轉(zhuǎn)矩增加了31.6 N·m，增加幅度30.74%；補氣壓力150 kPa、1 000 r/min工況時轉(zhuǎn)矩比原機增加最少，轉(zhuǎn)矩增加8.5 N·m，增加幅度8.99%。由圖7(b)知，補氣后燃油消耗率呈現(xiàn)增加趨勢；同轉(zhuǎn)速下補氣壓力越高，燃油消耗率越大。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 燃油消耗率圖7 節(jié)氣門開度20%時轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化

3.2 40%節(jié)氣門開度工況下后補氣對發(fā)動機性能的影響

試驗中，當補氣壓力為200 kPa、轉(zhuǎn)速<1 600 r/min和補氣壓力250 kPa、轉(zhuǎn)速<1 800 r/min時，壓氣機發(fā)生喘振，試驗無法正常進行。因此，試驗在200、250 kPa，轉(zhuǎn)速分別≥1 600和1 800 r/min時進行。本試驗主要分析了不同轉(zhuǎn)速下，補氣壓力150、200、250 kPa以及原機條件下發(fā)動機的性能，試驗結(jié)果如圖8所示。

由圖8(a)可知，補氣后各轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩增加，而且補氣壓力越高，轉(zhuǎn)矩增加越多。補氣壓力250 kPa、2 000 r/min工況時轉(zhuǎn)矩比原機增加最多，轉(zhuǎn)矩增加值為4.7 N·m，增加幅度3.25%。由圖8(b)可知，補氣后燃油消耗率呈現(xiàn)增加趨勢；不同補氣壓力下，2 000 r/min工況時的燃油消耗率卻均比原機降低。補氣效果降低了節(jié)流損失的影響，較高轉(zhuǎn)速點燃油消耗率下降明顯[3]。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 燃油消耗率圖8 節(jié)氣門開度40%時轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化

3.3 100%節(jié)氣門開度工況下后補氣對發(fā)動機性能的影響

節(jié)氣門開度100%低速時增壓器轉(zhuǎn)速低，補氣使進氣歧管壓力稍有升高即發(fā)生異響， 影響補氣效果。該試驗補氣壓力為接近異響時軌壓傳感器示值，工況轉(zhuǎn)速、補氣壓力和流量如表3所示。

表3 節(jié)氣門開度100%時補氣工況轉(zhuǎn)速、補氣壓力和流量

不同轉(zhuǎn)速、不同補氣壓力下轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化如圖9所示。

由圖9可知不同補氣條件下， 1 400 r/min 時轉(zhuǎn)矩增加5.3 N·m，燃油消耗率卻增加29 g/(kW·h)。補氣后油耗升高，但1 200 r/min時補氣后燃油消耗增加較少，其它轉(zhuǎn)速下，補氣后燃油消耗率增加較多[4]。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 燃油消耗率圖9 節(jié)氣門開度100%時轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率變化

4 結(jié)論

1) 補氣技術可以增加增壓汽油機輸出轉(zhuǎn)矩[5]，當節(jié)氣門開度20%時，節(jié)氣門后補氣輸出轉(zhuǎn)矩可增加30 N·m以上，增幅30%左右；不同節(jié)氣門開度的其他工況下補氣輸出轉(zhuǎn)矩增加量在10 N·m以內(nèi)。

2) 除了20%節(jié)氣門開度工況外，其他穩(wěn)態(tài)試驗轉(zhuǎn)矩與補氣位置弱相關，不同補氣位置對應工況達到的輸出轉(zhuǎn)矩值基本一致。

3) 補氣技術增加了汽油機爆震強度，為了抑制爆震，推遲汽油機點火提前角，從而使汽油機油耗普遍增加(個別工況點下降)，最大增幅達到29.1 g/(kW·h)，增幅約10%。