增压直喷汽油机非点火工况机械损失测定与研究.pdf

摘要：通过试验，研究了一台增压直喷汽油发动机非点火工况的总机械损失，分析了非点火工况发动机机械损失的构成，得出了机械损失的影响因素，提出了降低机械损失的有效手段。分析结果表明，在发动机非点火工况，泵气损失、散热损失和摩擦损失是构成机械损失的 3 个主要因素。其中，泵气损失与节气门的节流作用有显著相关性，散热损失主要与节气门开度即进气量强相关，摩擦损失与发动机转速的相关性最显著。关键词：非点火工况机械损失泵气损失散热损失摩擦损失中图分类号：TK412文献标识码：A文章编号：2095-8234（2023）04-0015-04Measurement and Research on Mechanical Loss of Tur-bocharged DI Gasoline Engine under Non-ignition ModeLU Weiwei1;WANG Yang2;LI Chengyun1;SUN Jianjun1;FANG Huiyong1;WU Haifu11-Ningbo Geely Royal Engine Components Co.,Ltd.(Ningbo,Zhejiang,315336,China)2-Zhejiang Fangyuan Test Group Co.,Ltd.Abstract：Through experiments,the total mechanical loss of a turbocharged direct-injection engine undernon-ignition conditions is studied,the composition of the mechanical loss of the engine under non-igni原tion conditions is analyzed,the influencing factors of the mechanical loss are obtained,and the effectivemeans to reduce the mechanical loss are put forward.The results show that the pump loss,heat dissipationloss and friction loss are the three main factors of mechanical loss in non-ignition engine.Among them,the pump air loss has a significant correlation with the throttling effect of the throttle valve.The heat lossis mainly related to the throttle opening,that is,the inlet volume.The friction loss has the most significantcorrelation with engine speed.Keywords：Non-ignition mode;Mechanical loss;Pumping loss;Heat dissipation loss;Friction loss作者简介：卢维伟（1986-），男，本科，工程师，主要研究方向为内燃机性能开发。增压直喷汽油机非点火工况机械损失测定与研究卢维伟1汪洋2李承运1孙建军1方会咏1吴海甫1（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司浙江宁波3153362-浙江方圆检测集团股份有限公司机械轻工部）引言在国家倡导节能减排的大环境下，如何提高传统内燃机汽车的燃油效率一直是科研院校和汽车企业的重点研究方向。采用混合动力技术是目前提高燃油效率最有效、最显著的方案。混合动力汽车采用传统内燃机和驱动电机作为车辆动力源，在不同的行驶工况，通过优化发动机和电机的转矩分配，可以实现最佳的燃油经济性1-3。国外的丰田汽车公司和本田汽车公司早在十多年前就开始研发混合动力系统以改善燃油经济性；国内的比亚迪股份有限公司，其早期产品 F3DM 是国内首款混合动力量产车型，上市当初备受瞩目。但是，混合动力系统需要额外配备电机、电控系统和电池，相比于同型号的传统内燃机汽车，混合动力汽车的生产成本更高。当前，汽车销售的最大份额依旧是性价比较高的传统内燃机汽小 型 内 燃 机 与 车 辆 技 术SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE TECHNIQUE第 52 卷第 4 期圆园23 年 8 月Vol.52 No.4Aug.2023小型内燃机与车辆技术第 52 卷车，如何提高传统内燃机汽车的燃油效率，显得更加重要。传统内燃机汽车燃油效率的提高主要有 2 种途径：提高燃烧效率和降低机械损失。提高燃烧效率主要从提高发动机压缩比、优化燃油喷射、改善混合气组织、采用高能点火等措施实现燃烧的高效化来实现。高尚志等4研究了低压 EGR 对燃油经济性的改善，取得了显著成果；门欣等5通过采用阿特金森循环有效改善了小负荷发动机的燃油经济性。内燃机的机械损失由 3 方面组成：缸内高温工质与缸体冷却水套的热交换损失（散热损失）、进排气过程的泵气损失、由运动零部件接触面引起的摩擦损失。目前，对机械损失的研究基本上都是在发动机正常燃烧的工况进行的，而对发动机非燃烧工况（非点火工况）的机械损失研究则较少。研究发动机非点火工况的机械损失是对燃烧工况的机械损失研究的一种重要补充。为了了解内燃机非点火工况的机械损失，本文在一台 2.0 L 增压直喷汽油发动机上进行了试验，辅以气缸压力计算，从散热损失、泵气损失和摩擦损失3 方面对总机械损失进行了研究；探索了散热损失、泵气损失和摩擦损失的影响因素、与发动机运行工况的关系、在总机械损失中的占比，进而提出了降低发动机机械损失的手段。1试验装置和试验方法试验用发动机为一台 2.0 L 增压缸内直喷汽油发动机，具有可变气门正时系统，是一款比较有代表性的传统发动机。发动机的主要技术参数见表 1。主要试验设备见表 2。发动机运行时的主要执行器包含节气门、增压器、可变气门正时系统（VVT），本文试验研究非点火工况发动机不同转速下，不同执行器动作对散热损失、泵气损失和摩擦损失的影响。泵气损失和散热损失可以通过燃烧分析仪的实时气缸压力计算得到，摩擦损失可由台架测功机测定的总机械损失与泵气损失、散热损失求差得到，即总机械损失=摩擦损失+泵气损失+散热损失。所有指标的计量单位均为 N m。本文设计了 3 组试验，分别对不同排气背压、不同进气压力、不同气门重叠角 3 个变量在不同转速下对发动机总机械损失的影响进行了研究。具体试验工况设计如下：1）保持节气门全开，气门重叠角最小，增压器废气旁通阀开度从 0%100%逐渐变化，实现发动机排气背压的连续变化。测试转速分别为 1 500、2 500、3 500、4 500、5 500 r/min。2）保持增压器废气旁通阀开度为 100%，气门重叠角最小，节气门开度从 0%100%逐渐变化，实现进气压力的连续调节。测试转速分别为 1 500、2 500、3 500、4 500、5 500 r/min。3）保持节气门全开，增压器废气旁通阀开度处于 100%位置，气门重叠角从最小位置逐渐变化到最大位置，实现进排气门同时开启时间连续调节。以上试验工况，要求发动机冷却水出口温度维持在（90依3）益。2试验数据分析为了方便试验结果比较，本文将燃烧分析仪测得的平均指示压力转换为转矩，实现机械损失评价的标度统一。2.1排气背压与机械损失的关系增压发动机中，增压器废气旁通阀开度决定了流经增压器叶轮气体流量的大小，从而影响发动机的排气背压。流经叶轮的气体流量越高，增压器的增压能力越强，排气背压越大；反之，增压器的增压能力越弱，排气背压越小。发动机机械损失与增压器废气旁通阀开度的关系如图 1 所示。从图 1a 可以看出，高转速下，泵气损失与增压器废气旁通阀开度呈线性关系；相同增压器废气旁通阀开度下，泵气损失随转速呈线性变化。从图 1b可以看出，增压器废气旁通阀开度对散热损失影响不显著。从图 1c 可以看出，增压器废气旁通阀开度对摩擦损失影响不显著；相同增压器废气旁通阀开度下，摩擦损失随转速呈线性变化。从图 1d 可以看表 1发动机主要技术参数项目参数缸数4排量/L2.0缸径/mm82行程/mm93.2压缩比10.5:1最大功率/kW160（5 500 r/min）最大转矩/（N m）325（1 7504 500 r/min）表 2主要试验设备列表设备名称生产厂家产品型号台架测功机AVLAVL APA 330油耗仪AVLAVL735S燃烧分析仪AVLIndicom气缸压力传感器AVL/16第 4 期出，高转速下，总机械损失与增压器废气旁通阀开度呈线性关系；相同增压器废气旁通阀开度下，总机械损失与发动机转速呈显著的线性关系。2.2节气门开度与机械损失的关系节气门一直被认为是造成汽油机泵气损失较大的因素，尤其在低负荷时，节气门开度小，节流损失大，导致泵气损失大。节气门开度与机械损失的关系如图 2 所示。从图 2a 可以看出，低转速下，泵气损失与节气门开度呈显著的线性关系；随着转速的升高，泵气损失与节气门开度的线性关系减弱；相同节气门开度下，泵气损失与发动机转速呈显著的线性关系。从图2b 可以看出，相同转速下，散热损失与节气门开度呈显著的线性关系，说明进气量越大，散热损失越大。从图 2c 可以看出，相同节气门开度下，摩擦损失与发动机转速呈显著的线性关系。从图 2d 可以看出，低转速下，总机械损失与节气门开度的关系不显著；相同节气门开度下，总机械损失与发动机转速呈显40353025201510500100908070605040302010废气旁通阀开度/%1 500 r/min4 500 r/min2 500 r/min5 500 r/min3 500 r/mina）泵气损失与增压器废气旁通阀开度的关系8.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.00100908070605040302010废气旁通阀开度/%1 500 r/min4 500 r/min2 500 r/min5 500 r/min3 500 r/minb）散热损失与增压器废气旁通阀开度的关系262422201816141210860100908070605040302010废气旁通阀开度/%1 500 r/min4 500 r/min2 500 r/min5 500 r/min3 500 r/minc）摩擦损失与增压器废气旁通阀开度的关系706050403020100100908070605040302010废气旁通阀开度/%1 500 r/min4 500 r/min2 500 r/min5 500 r/min3 500 r/mind）总机械损失与增压器废气旁通阀开度的关系图 1机械损失与增压器废气旁通阀开度的关系25201510500100908070605040302010节气门开度/%1 500 r/min4 500 r/min2 500 r/min5 500 r/min3 500 r/mina）泵气损失与节气门开度的关系65432100100908070605040302010节气门开度/%1 500 r/min4 500 r/min2 500 r/min5 500 r/min3 500 r/minb）散热损失与节气门开度的关系302520151050100908070605040302010节气门开度/%1 500 r/min4 500 r/min2 500 r/min5 500 r/min3 500 r/minc）摩擦损失与节气门开度的关系555045403530252015100100908070605040302010节气门开度/%1 500 r/min4 500 r/min2 500 r/min5 500 r/min3 500 r/mind）总机械损失与节气门开度的关系图 2机械损失与节气门开度的关系卢维伟等：增压直喷汽油机非点火工况机械损失测定与研究17小型内燃机与车辆技术第 52 卷著的线性关系。2.3气门重叠角与机械损失关系具备可变气门正时系统的发动机，通过调节气门重叠角，可实现内部废气再循环（EGR）率的改变，从而影响发动机的泵气损失。通过合理的气门重叠角设置，可以有效降低泵气损失，降低油耗。非点火工况下，气门重叠角与机械损失的关系如图 3 所示。从图 3 可以看出，气门重叠角变化对泵气损失、散热损失和摩擦损失的影响均不显著，即在非点火工况，气门重叠角变化不会降低发动机的总机械损失，这一点与燃烧工况差异明显。但是，气门重叠角不变时，总机械损失与发动机转速呈显著的线性关系。3降低机械损失的有效手段降低泵气损失最有效的手段是取消节气门，消除进气节流，通过控制气门开启与关闭时刻，实现负荷控制6；降低散热损失的有效手段是采用低导热率涂层喷涂气缸内壁，减少缸内工质和缸体水套的热交换；降低摩擦损失的有效手段有：减少摩擦副接触面积、采用更严格的加工工艺控制摩擦副的表面粗糙度、减少运动件数量、采用低黏度润滑油等。4结论本文通过燃烧分析仪和台架测功机测定了传统汽油机在非点火工况的泵气损失、散热损失和摩擦损失，对非点火工况发动机的总机械损失进行了探索，得出结论如下：1）节气门开度与泵气损失相关性最显著；高转速下，增压器废气旁通阀开度变化对泵气损失影响较大；气门重叠角对泵气损失影响较小。2）节气门开度对散热损失影响显著，散热损失随进气量增加呈线性增加；增压器废气旁通阀开度和气门重叠角对散热损失影响不明显。3）节气门开度变化、增压器废气旁通阀开度变化和气门重叠角变化对摩擦损失影响均不显著；摩擦损失与发动机转速的相关性最显著。参考文献1邱先文.插电式混合动力汽车技术及研发状况分析J.小型内燃机与车辆技术，2018，47（3）：85-91.2宁大方.混合动力汽车的节能控制模式设计与实现J.现代电子技术，2017，40（21）：136-140.3曾小华，董兵兵，李广含，等.混合动力系统节油影响因素J.浙江大学学报（工学版），2019，53（4）：645-653.4高尚志，潘建考，杨陈，等.低压 EGR 对 GDI 发动机燃烧和燃油经济性的影响J.小型内燃机与车辆技术，2018，47（6）：7-9+91.5门欣，高莹，刘洪岐，等.Atkinson 循环汽油机小负荷燃油经济性优化J.科学技术与工程，2018，18（6）：251-256.6魏枫展，张晋群，常英杰，等.全可变液压气门运动特性及其泵气损失J.内燃机学报，2020，38（1）：57-63.（收稿日期：2021-11-01）252015105008070605040302010气门重叠角/毅CA1 500 r/min4 500 r/min2 500 r/min5 500 r/min3 500 r/mina）泵气损失与气门重叠角的关系3025201510508070605040302010气门重叠角/毅CA1 500 r/min4 500 r/min2 500 r/min5 500 r/min3 500 r/minc）摩擦损失与气门重叠角的关系5550454035302520151008070605040302010气门重叠角/毅CA1 500 r/min4 500 r/min2 500 r/min5 500 r/min3 500 r/mind）总机械损失与气门重叠角的关系图 3机械损失与气门重叠角的关系8.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.008070605040302010气门重叠角/毅CAb）散热损失与气门重叠角的关系1 500 r/min4 500 r/min2 500 r/min5 500 r/min3 500 r/min18