不同位置补气对增压发动机动力性能的影响.pdf

五邑大学学报（自然科学版）JOURNAL OF WUYI UNIVERSITY （Natural Science Edition）第 37 卷 第 3 期 2023 年 8 月 Vol.37 No.3 Aug.2023 文章编号：1006-7302（2023）03-0066-07 不同位置补气对增压发动机动力性能的影响 叶坦（淮北职业技术学院 机电工程系，安徽 淮北 235000）摘要：涡轮增压器小型化是车载发动机技术发展趋势之一，但小型化会导致转矩损失等诸多问题.为了提高进气量弥补损失，本文基于一台量产涡轮增压汽油机，分别在小负荷（20%节气门开度）、中等负荷（40%节气门开度）和全负荷（100%节气门开度）3 种工况下，在不同位置（压气机后和进气歧管内）进行补气试验，研究不同位置补气对发动机性能的影响.试验结果表明，全负荷1600 r/min下压气机后补气0.206 MPa，输出扭矩最大增加10.5 N m，增加幅度为 6.42%；但全负荷1200 r/min下补气0.145 MPa，扭矩仅仅上升0.2 N m，燃油消耗率却增加17.7 g/(kW h)；小负荷2000 r/min下进气歧管补气0.25 MPa，输出扭矩最大增加30 N m，增加幅度为 29.24%，但全负荷1400 r/min下补气0.18 MPa，转矩仅仅增加2 N m，燃油消耗率却增加27 g/(kW h).可见，不论在压气机后还是进气歧管内进行补气均可有效增加发动机的扭矩，但会恶化发动机的爆震强度，并导致发动机外特性工况燃油消耗率的增加.关键词：补气技术；增压发动机；小型化；爆震 中图分类号：TK417 文献标志码：A The Influence of Air Replenishment at Different Positions on the Power Performance of Supercharged Engines YE Tan(Department of Mechanical and Electrical Engineering,Huaibei Vocational and Technical College,Huaibei 235000,China)Abstract:Abstract:The downsizing of the turbocharger is one of the development trends of on-board engine technology,but the downsizing leads to many problems such as torque loss.In order to improve the intake volume and make up for the loss,based on a mass-produced turbocharged gasoline engine,air replenishment tests were carried out at different positions(behind the compressor and on the intake manifold)to study the influence of air replenishment techniques at different positions on engine performance,respectively under three working conditions:20%throttle opening at a small load,40%throttle opening at a medium load and 100%throttle opening at full load.The test results and analysis show that:At full load,the output torque of the 1600 r/min0.206 MPa compressor after filling air increased by 10.5 N m,and the increase was 6.42%.However,under the full load of 1200 r/min aeration 0.145 MPa,the torque only increased by 0.2 N m,but the fuel consumption increased by 17.7 g/(kW h);Under small load,air replenishment at 2000 r/min is 0.25 MPa,and the maximum 收稿日期：2022-11-17 基金项目：2021 年安徽省教育厅自然科学研究重点项目（KJ2021A1375）；2020 年安徽省教育厅质量工程项目（2020jxtd236）；2021 安徽省职业与成人教育学会重点研究项目（Azcj2021050）；2021年淮北职业技术学院教研重点项目液压与气动技术课程教学改革研究（2021jyxm-01）.作者简介：叶坦（1981），男，安徽宿州人，副教授，硕士，研究方向为汽车动力学.第 37 卷 第 3 期 67 叶坦：不同位置补气对增压发动机动力性能的影响 output torque of air replenishment at intake manifold is increased by 30 N m,with an increase of 29.24%.However,under full load of 1400 r/min,air replenishment at 0.18 MPa,torque is only increased by 2 N m,and fuel consumption is increased by 27 g/(kW h).In short,either behind the compressor or inside the intake manifold can effectively increase the torque of the engine,but it will worsen the knock strength of the engine and lead to increased fuel consumption under the external characteristic of the engine.Key words:Key words:Air-refilling technology;Supercharged engines;Downsizing;Knocking 涡轮增压技术通过提高进气量，能有效提高发动机的升功率和扭矩，不仅可以减轻发动机质量，还具有很好的节油效果.然而，增压小型化也会导致低速扭矩的损失，增压强度的提高，会使增压器的响应滞后并带来加速迟滞问题.加速时由于增压器的惯性作用，压气机转速无法迅速提升，造成进气压力低，进气量少，发动机功率提升过程慢，加速性能较差1.同时，低速时发动机的废气能量较低，压气机转速也无法快速提升，造成发动机低速扭矩较低.为改善增压发动机的响应特性，常规的解决方案有：机械增压、电子增压、电辅助涡轮增压、可变截面涡轮增压、ISG（轻混）、补气技术等2.不同增压方式或增压位置会对压气机有不同增压效果，进而对发动机性能有不同效果.为了从试验角度研究补气技术对增压发动机性能影响，本文建立了压缩空气补气系统试验台架，分别进行 20%节气门开度、40%节气门开度和 100%节气门开度3 种工况下不同位置（压气机后和进气歧管内）补气的试验，研究不同位置补气对增压发动机的动力性能影响.1 实验样机选择及实验方法 试验选择某量产的单缸 4 气门、双顶置凸轮轴、可变气门正时、1.5 L排量、压缩比为 10.2、使用 92 号燃油的涡轮增压进气中冷发动机作为研究样机.补气试验系统构成如图 1 所示，本实验主要研究压气机后和进气歧管进行补气后对发动机动力性能的影响，具体位置如图 2 所示.实验设备如表 1 所示.以下补气位置试验主要关注动力性和经济性两个重要指标.表 1 实验设备清单 序号 型号 设备名称 1 GW320 电涡流测功机 2 AVL 202/12 Sx 电力测功机 减压阀 压力表 CNG 气瓶 过滤器 充气阀 瓶口阀 发动机 燃气 导轨 图 1 实验系统组成 图 2 补气位置 压气机后补气 进气歧管内补气 压气机 补气 压气机 涡轮前补气 气缸内补气 五邑大学学报（自然科学版）2023 年 68 续上表 序号 型号 设备名称 3 AVL Indicom621 燃烧分析仪 4 Lambda CAN5220 空燃比分析仪 5 FC2210 6 AVL 油耗测试仪 7 GH15DK 缸压传感器 8 各种温度、压力传感器及通道 9 usb_6363 采集卡 2 压气机后补气对增压汽油机性能的影响 2.1 20%节气门开度压气机后补气试验 当补气压力为0.2 MPa时，转速为1 600 r/min以下转速点，压气机发生喘振，出现异常响声，所以没有试验数据.节气门开度为 20%时不同转速、不同补气压力下扭矩、燃油消耗率变化如图 3 所示.由图 3-a 可知，补气后发动机转速和扭矩同时升高，且随着补气压力的升高而升高.补气压力为0.2 MPa、转速为1800 r/min 点扭矩比原机上升最多，扭矩上升6.5 N m，上升幅度 6.09%.补气压力0.15 MPa、2 000 r/min 工况点扭矩比原机上升最少，上升3.07 N m，上升幅度 2.96%.另外，从图中可知，随着转速增加，不同补气压力下对发动机转矩影响呈减小趋势，这主要是由于发动机转速增加，进气量增加所致.由图 3-b 可知，补气后燃油消耗率随着转速升高而下降；但补气压力0.15 MPa，2 000 r/min 工况点的燃油消耗率明显比原机要高，主要是补气使发动机爆震强度增加，为了抑制爆震发生，发动机点火角推后，从而恶化了发动机燃油消耗率.2.2 40%节气门开度压气机后补气实验 当补气压力为0.2 MPa、转速为1 600 r/min以下转速点，及补气压力为0.25 MPa、转速为1800 r/min 以下转速点时，压气机发生喘振，出现异常响声，所以没有试验数据.节气门开度为 40%时不同转速、不同补气压力下扭矩、燃油消耗率变化如图 4 所示.由图 4-a 可知，补气后发动机转速和扭矩同时升高，且随着补气压力的升高而升高.补气压力为0.25 MPa、转速为2 000 r/min点扭矩比原机上升最多，为9.0 N m，上升幅度 6.36%.另外，在中等负荷下，随着转速增加，不同补气压力对发动机转矩影响变化更小，这主要是由于节气门开度增a.扭矩 b.燃油消耗率 图 3 节气门开度为 20%时扭矩、燃油消耗率变化 扭矩/（Nm）900 1 100 1 300 1 500 1 700 1 900 2 100 转速/（r/min）120.0 110.0 100.0 90.0 原机 1.5bar 2.0bar 燃油消耗率/（g/（kWh）900 1 100 1 300 1 500 1 700 1 900 2 100 转速/（r/min）320.0 300.0 280.0 260.0 原机 1.5bar 2.0bar 第 37 卷 第 3 期 69 叶坦：不同位置补气对增压发动机动力性能的影响 加，节流损失减小，进气量增加所致.由图 4-b 可知，补气后燃油消耗率呈现上升趋势；但2 000 r/min的点的燃油消耗率却比原机降低3.这主要是由于补气降低了节流损失的影响，较高转速点的燃油消耗率下降明显.2.3 100%节气门开度压气机后补气实验 当节气门开度为 100%时，发动机低速运转时增压器同样处于低转速，补气系统只要提高进气歧管压力就会发生异响，从而影响补气效果.该试验补气压力为接近异响时轨压传感器示值，转速、补气压力和空气流量见表 2.节气门开度为 100%时不同转速、不同补气压力下扭矩、燃油消耗率变化如图 5 所示.由图 5 可见补气压力为0.206 MPa、转速为1 600 r/min点扭矩上升10.5 N m，增幅 6.42%.转速为1 200 r/min补气后油耗上升较多，为17.7 g/kW h.图 5-a 中所示，转速为1 200 r/min以下时，补气对发动机转矩影响较小，这主要是发动机全负荷下节气门全开减小节气门节流效果，影响节气门后补气量所致；但随着转速增加，进气速度增加补气的效果明显改善.图 5-b 中所示补气导致燃油消耗率增加，主要是由于点火提前角推迟所致.表 2 节气门开度 100%时转速、补气压力和空气流量 转速/（r/min）补气压力/MPa 空气流量/（kg/h）1 000 0.131 12.59 1 200 0.145 13.13 1 400 0.183 20.46 1 600 0.206 26.38 a.扭矩 b.燃油消耗率 图 4 节气门开度为 40%时扭矩、燃油消耗率变化 扭矩/（Nm）900 1 100 1 300 1 500 1 700 1 900 2 100 转速/（r/min）160.0 140.0 120.0 100.0 原机 1.5bar 2.0bar 2.5bar 900 1 100 1 300 1 500 1 700 1 900 2 100 转速/（r/min）330.0 310.0 290.0 270.0 原机 1.5bar 2.0bar 2.5bar 燃油消耗率/（g/（kWh）扭矩/（Nm）a.扭矩 b.燃油消耗率 图 5 节气门开度为 100%时扭矩、燃油消耗率变化 900 1 100 1 300 1 500 1 700 转速/（r/min）180.0 160.0 140.0 120.0 100.0 原机 补气 燃油消耗率/（g/（kWh）900 1 100 1 300 1 500 1 700 转速/（r/min）340.0 330.0 320.0 310.0 300.0 原机 补气 五邑大学学报（自然科学版）2023 年 70 3 进气歧管内补气对增压汽油机性能的影响 3.1 20%节气门开度进气歧管补气实验 当补气压力为0.2 MPa时，1 600 r/min以下转速点，压气机发生喘振，出现异常响声，所以没有试验数据.节气门开度为 20%时不同转速、不同补气压力下扭矩、燃油消耗率变化如图 6 所示.由图 6-a 可得出，补气后发动机转速和扭矩同时升高，且和补气压力成正比.补气压力为0.25 MPa、转速为2 000 r/min点扭矩比原机上升最多，扭矩上升30 N m，上升幅度 29.24%；补气压力0.15 MPa、转速为1 000 r/min工况点扭矩比原机上升最少，扭矩上升8.8 N m，上升幅度 8.98%.发动机的有效输出扭矩增加的主要原因是补气作用使发动机充量系数增加，增加了循环进气量.另外，随着补气压力增加，转矩增加幅度呈现减小趋势，而随着补气压力增加，转速增加转矩呈现增大趋势.这可能是由于进气歧管内部受节流损失影响较小所致，与压气机之后有所不同.由图 6-b可知，补气后燃油消耗率上升；不同补气压力在发动机2 000 r/min时的燃油消耗率都比原机要低.另外，从图 6-b 总体趋势可知，小负荷下，节气门开度较小，补气降低了节流损失的影响，相对比较而言燃油消耗率呈现下降趋势4.3.2 40%节气门开度进气歧管补气实验 当补气压力为0.2 MPa、转速为1 600 r/min以下转速点，及补气压力为0.25 MPa、1 800 r/min以下转速点时，压气机发生喘振，出现异常响声，所以没有试验数据.节气开度为 40%时不同转速、不同补气压力下扭矩、燃油消耗率变化如图 7 所示.由图 7-a 可知，转速在1 0001 400 r/min时，发动机在补气后的扭矩同原机基本相同，转速在1 6002 000 r/min时，发动机补气后的扭矩明显升高，且补气压力升高而升高.补气压力0.25 MPa、转速为2 000 r/min时扭矩比原机提高的最多，扭矩提高6.5 N m，提高幅度 4.6%.由图 7-b 得出，补气后燃油消耗率明显升高，切压力越大，燃油消耗率升高越多，不同补气压力下，转速为1 8002 000 r/min工况点燃油消耗率线基本重合.补气压力0.15 MPa，转速为1 000 r/min工况点燃油消耗率升高最多，为11.02 g/(kW h)，上升幅度 3.62%.补气之后燃油消耗呈增加趋势，主要是由于补气使发动机爆震强度增加，为限制爆震，发动机点火角普遍后推，从而使发动机燃油消耗率总体上趋于升高.扭矩/（Nm）a.扭矩 b.燃油消耗率 图 6 节气门开度为 20%时扭矩、燃油消耗率变化 900 1 100 1 300 1 500 1 700 1 900 2 100 转速/（r/min）150.0 130.0 110.0 90.0 900 1 100 1 300 1 500 1 700 1 900 2 100 转速/（r/min）310.0 300.0 290.0 280.0 270.0 260.0 原机 1.5bar 2.0bar 2.5bar 原机 1.5bar 2.0bar 2.5bar 燃油消耗率/（g/kWh）第 37 卷 第 3 期 71 叶坦：不同位置补气对增压发动机动力性能的影响 3.3 100%节气门开度进气歧管补气实验 当节气门开度为 100%全开时，原机进气压力已经达到很高，特别在高速工况时，补气系统只要提高进气歧管压力就会发生异响，无法进行补气试验.低速工况可以进行少量补气，当补气压力为异响临界值时轨压传感器显示数值，转速、补气压力和空气流量见表 3.节气门开度为 100%时不同转速、不同补气压力下扭矩、燃油消耗率变化如图 8 所示.图 8-a 为扭矩、燃油消耗率在补气情况下的变化趋势，扭矩上升很少.在1 600 r/min时，补气后油耗有所降低，其他工况下，补气后油耗都不同程度升高.全负荷下，补气对发动机转矩影响较小，主要是稳态试验中补气后发动机消耗空气量并不是原机消耗空气量与补气量的和，补气后进气歧管系统压力升高，使通过压气机流入空气量减少，补气流量在发动机实际消耗空气量中有效占比减小，对发动机进气气缸参与燃烧的空气量影响减小.从图 8-b 中可知，补气后燃油消耗率增加.主要是为了抑制爆震而推迟点火提前角所致.a.扭矩 b.燃油消耗率 图 7 节气门开度为 40%时扭矩、燃油消耗率变化 扭矩/（Nm）900 1 100 1 300 1 500 1 700 1 900 2 100 转速/（r/min）160.0 150.0 140.0 130.0 120.0 110.0 100.0 原机 1.5bar 2.0bar 2.5bar 900 1 100 1 300 1 500 1 700 1 900 2 100 转速/（r/min）320.0 310.0 300.0 290.0 280.0 270.0 原机 1.5bar 2.0bar 2.5bar 燃油消耗率/（g/（kWh）表 3 节气门开度为 100%时转速、补气压力和空气流量 转速/（r/min）补气压力/MPa 空气流量/（kg/h）1 000 0.14 17.47 1 200 0.15 12.85 1 400 0.18 20.43 1 600 0.20 26.09 扭矩/（Nm）a.扭矩 b.燃油消耗率 图 8 节气门开度为 100%时扭矩、燃油消耗率变化 900 1 100 1 300 1 500 1 700 转速/（r/min）180.0 160.0 140.0 120.0 100.0 原机 补气 900 1 100 1 300 1 500 1 700 转速/（r/min）345 335 325 315 305 295 原机 补气 燃油消耗率/(g/kWh)五邑大学学报（自然科学版）2023 年 72 4 结论 本文提出了两种不同位置的发动机补气技术（压气机后和进气歧管内），试验进行节气门开度20%、40%和 100%3 种工况下，不同位置处补气对发动机性能的扭矩和燃油消耗率的影响.压气机后或进气歧管补气均可以增加发动机输出有效转矩，且发动机燃油消耗率呈现增加趋势.另外，压气机后或进气歧管补气均使发动机爆震强度增加，因此为了抑制爆震，发动机点火角普遍推迟.不同工作负荷下，补气对发动机输出转矩影响不同，随着节气门开度增加，补气对发动机转矩增加呈现减小趋势.本文研究结果给出了补气技术对增压发动机性能的影响趋势，为发动机小型化开发提供了可靠的基础数据，研究结果具有一定的工程指导意义.参考文献 1 代志尧，洪伟，韩林沛，等M15 对增压直喷汽油机小负荷工况下燃烧和性能的影响J.科学技术与工程，2016,16(13):201-206.2 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