馬少康　梁　　濤　蘇艷君　喬佳偉　喬　　闖（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心　河北　保定　071000　2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

排氣背壓對發(fā)動機性能影響的研究

馬少康1，2梁濤1，2蘇艷君1，2喬佳偉1，2喬闖1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

摘要：研究了在WOT工況下不同的排氣背壓對GDI發(fā)動機泵氣損失、扭矩以及油耗率的影響，理論分析了排氣背壓對泵氣損失的影響，主要通過分析背壓對殘余廢氣系數(shù)以及充量系數(shù)的影響，來研究其對泵氣損失的影響。利用boost軟件建立一維仿真模型，并通過臺架試驗獲得發(fā)動機性能曲線，驗證模擬與試驗的匹配性，結(jié)果表明仿真結(jié)果與臺架試驗基本相符：隨著排氣背壓的增大，泵氣損失與油耗率均增加；在1000～1500 r/min范圍內(nèi)，排氣背壓對扭矩基本無影響，在1500~5500 r/min，扭矩隨著背壓的減小而增大。

關(guān)鍵詞：boost模擬排氣背壓扭矩油耗泵氣損失

引言

在發(fā)動機的燃燒開發(fā)以及排氣系統(tǒng)的開發(fā)過程中，排氣背壓對發(fā)動機經(jīng)濟性、動力性以及聲音品質(zhì)有著重要影響，是開發(fā)設(shè)計過程中參衡的重要指標(biāo)之一。排氣背壓過大，導(dǎo)致充氣損失增加，發(fā)動機燃燒效率下降，功率輸出降低，燃油經(jīng)濟性惡化；排氣背壓過小會使排氣系統(tǒng)開發(fā)成本增大，聲品質(zhì)變差。因此合理的排氣背壓對發(fā)動機的性能至關(guān)重要。

隨著流體力學(xué)的發(fā)展，CFD成為預(yù)估排氣背壓的重要方法。董森等[1～3]人分別利用模擬軟件對催化器、后處理等系統(tǒng)的背壓進行了仿真分析。吳義磊[4]的研究表明降低排氣背壓使額定功率點的動力性提高15%，并認為在不同轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，排氣背壓對發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性和動力性的影響也不同。但排氣背壓對充氣效率、泵氣損失等的影響報道不多?；诖耍疚睦碚摲治隽伺艢獗硥簩Πl(fā)動機充氣效率和泵氣損失的影響，在排氣背壓分別為50 kPa和65 kPa時，利用AVL BOOST軟件，對發(fā)動機的泵氣損失、扭矩、油耗進行一維模擬，并結(jié)合試驗驗證了排氣背壓對扭矩、油耗以及泵氣損失的影響，為發(fā)動機性能開發(fā)及匹配提供參考。

1　理論分析

發(fā)動機進入缸內(nèi)的新鮮氣體越多，燃燒越理想，油耗越低，每循環(huán)輸出的扭矩越大。而減小發(fā)動機的排氣背壓能夠降低缸內(nèi)殘余氣體量，減小泵氣損失，增大充氣量。

在發(fā)動機的泵氣損失中，主要包含兩部分的排氣損失和一部分進氣損失[5]。而排氣背壓對排氣損失有直接影響，對于進氣損失，排氣背壓則通過影響在氣門重疊期的進氣量，進而影響發(fā)動機的性能。

殘余廢氣系數(shù)計算如下：

式中：γ為絕熱指數(shù)（γ=1.4）；ρa為排氣壓力、進氣溫度下的氣體密度；n為計算氣門重疊系數(shù)；pem為排氣壓力；pim為進氣壓力；rc為壓縮比；λ為空燃比；OF為氣門重疊系數(shù)；k′、c1、c2均為系數(shù)。

式中：Di為進氣門座的內(nèi)徑；De為排氣門座的內(nèi)徑；Li為進氣門實際升程；Le為排氣門實際升程；θ為曲軸轉(zhuǎn)角。

進排氣VVT的變化如圖1所示。

由式3、4、5可知，在穩(wěn)定工況下，氣門重疊角系數(shù)OF保持不變，當(dāng)排氣壓力小于進氣壓力時，符號函數(shù)sign（pem-pim）為恒負，當(dāng)排氣壓力大于進氣壓力時，符號函數(shù)sign（pem-pim）為恒正。排氣背壓隨著排氣壓力的增大而增大，因此由式1、2可知，隨著排氣壓力的增大，廢氣殘余系數(shù)增大，而充量系數(shù)減小。

圖1進排氣門升程

2　BOOST模擬結(jié)果與分析

運用AVL BOOST軟件提供的模塊建立相應(yīng)的物理模型，包括進排氣系統(tǒng)設(shè)計。其中包括確定進排氣系統(tǒng)的溫度、壓力、直徑、長度、夾角等，根據(jù)熱力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)等方面的知識，將物理模型進行定量的數(shù)學(xué)描述，將發(fā)動機數(shù)據(jù)輸入到相應(yīng)的模塊中以建立數(shù)學(xué)模型。在模型建立過程中，需確定模型的邊界條件，邊界條件的選取會直接影響模擬結(jié)果，燃燒模型選用單區(qū)Vibe模型。在BOOST軟件中，沒有直接提供節(jié)氣門模型，由于發(fā)動機的進氣流量與節(jié)氣門開度和節(jié)氣門前后壓差有關(guān)。因此選擇阻力控件來模擬節(jié)氣門，通過控制閥門的流量系數(shù)模擬節(jié)氣門開度，模型如圖2所示。

重要邊界條件確認如下：

空濾壓損：<8 kPa，

中冷器壓損：<8 kPa，

排氣背壓：50 kPa、65 kPa，

排氣溫度：<950℃。

確定排氣背壓值65 kPa與50 kPa，輸入到所建模型中，進行仿真模擬。在模擬過程中，排氣背壓為絕對壓力參與計算。

泵氣損失的變化基本上呈現(xiàn)出先減小的趨勢，隨著轉(zhuǎn)速的增大，排氣背壓對泵氣損失的影響也越大，在轉(zhuǎn)速為4000~5500 r/min的范圍內(nèi)，排氣背壓為50 kPa的扭矩較60 kPa低30 kPa左右，如圖3所示。

從模擬結(jié)果可以看到，隨著排氣背壓的降低，在轉(zhuǎn)速1000～1500 r/min區(qū)間內(nèi)，扭矩基本一致；但在1500～4800 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，扭矩呈現(xiàn)出增大的趨勢。在4800 r/min，排氣背壓為50 kPa的扭矩較60 kPa上升8N·m，如圖4所示。

在不同的排氣背壓下，隨著轉(zhuǎn)速的增大，油耗率基本上呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。排氣背壓越低，油耗率越小，如圖5所示。

圖2 發(fā)動機模型圖

圖3 泵氣損失隨背壓變化圖

圖4　扭矩隨背壓變化

圖5　油耗隨背壓變化圖

3　試驗結(jié)果

為了評價本次模擬分析的合理性，驗證AVL BOOST仿真結(jié)果的準確性。本文進行臺架試驗，得到發(fā)動機性能曲線，并與模擬結(jié)果進行對比。

試驗在一款增壓電控直噴汽油機上進行，發(fā)動機的參數(shù)如表1所示，試驗設(shè)備包含自主開發(fā)電控系統(tǒng)、電渦流測功機、控制柜、油耗儀、排氣分析儀、線性氧傳感器等。試驗中利用ECU進行燃燒系統(tǒng)的控制以及數(shù)據(jù)的采集。

表1 汽油機主要技術(shù)參數(shù)

排氣背壓測量點：渦輪增壓器出口75mm處，測壓頭與管內(nèi)壁平齊。

3.1對泵氣損失的影響

如圖6所示，隨著排氣背壓的增大，在整個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，泵氣損失呈現(xiàn)出增大的趨勢，并且隨著轉(zhuǎn)速的升高，該趨勢更加明顯。隨著轉(zhuǎn)速的升高，相同的排氣提前角所對應(yīng)的排氣時間減短，排出的廢氣量減少，膨脹損失減少。此時，如果排氣背壓增大，則阻礙廢氣的排出，使膨脹損失加大。同時缸內(nèi)壓力升高，從而使活塞的推出功增大。因此總體上，排氣損失隨著背壓的增大以及轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)出增加的趨勢。另一方面，在氣門重疊期，一部分廢氣通過排氣門進入進氣歧管，導(dǎo)致發(fā)動機充量系數(shù)下降。隨著排氣背壓的增大，這部分損失將加大。在轉(zhuǎn)速為5500r/min時，泵氣損失最大差值達到0.25 bar。之上升。

如圖8所示，隨著排氣背壓的降低，在整個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，油耗率呈現(xiàn)出下降趨勢，該趨勢隨著轉(zhuǎn)速升高而逐漸增大。這與利用軟件模擬的結(jié)果一致。在4800～5500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，由于排溫保護，使發(fā)動機油耗惡化，從而使排氣背壓不同產(chǎn)生的油耗差異格外明顯，最大差值可達10 g/（kW·h）。

圖6　泵氣損失隨背壓變化圖

3.2對功率的影響

合理的排氣背壓，能夠排除在自由排氣階段的大部分廢氣，同時減小在強制排氣階段活塞上行的排氣消耗功，因此減小排氣背壓能夠使排氣阻力小，發(fā)動機動力性提高。

由圖7可以看到，在1000～4800 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，隨著排氣背壓的減小，發(fā)動機的扭矩呈現(xiàn)出增大的趨勢，與模擬的結(jié)果一致。在轉(zhuǎn)速為4800 r/min時，差值達到6 N·m，低于模擬值2 N·m。

圖7 扭矩隨背壓變化

3.3對油耗的影響

在排氣門關(guān)閉前，隨著排氣背壓的增大，更多缸內(nèi)EGR進入缸內(nèi)參與燃燒。導(dǎo)致缸內(nèi)進溫升高，在壓縮沖程及燃燒過程中，導(dǎo)致爆震及超級爆震發(fā)生的傾向加大，增加發(fā)動機運行風(fēng)險，因此需增加噴油以降低缸內(nèi)溫度，使油耗率上升[5]。另一方面，隨著排氣背壓的增大，在氣門重疊期，一部分廢氣通過排氣門進入進氣歧管，增大泵氣損失，從而使油耗率也隨

圖8 油耗隨背壓變化

4　結(jié)論

1）針對排氣背壓對泵氣損失的影響進行理論分析，并通過殘余廢氣系數(shù)和充氣系數(shù)的變化來衡量排氣背壓對泵氣損失的影響。理論分析表明，當(dāng)排氣背壓增大到排氣壓力大于進氣壓力時，此時殘余廢氣系數(shù)和充氣系數(shù)的變化率就越大，廢氣殘余系數(shù)越大而充量系數(shù)越小，即排氣背壓的增大帶來的泵氣損失加劇。

2）建立準確的模型能夠模擬出不同的排氣背壓對泵氣損失、扭矩和油耗率的影響。隨著排氣背壓的增大，發(fā)動機的泵氣損失增大，而理論分析也證明了該趨勢。臺架試驗與模擬實驗有較好的一致性。隨著排氣背壓的增大，扭矩、油耗率增大。

參考文獻

1董森，袁兆成.汽油機排氣消聲器對動力性影響的模擬分析[J].現(xiàn)代車用動力.2011（2）：32~36

2劉伯潭，潘書杰.汽車排氣系統(tǒng)總成的計算流體力學(xué)模擬[J].天津汽車，2008（7）：34~36，41

3辛喆，王順喜，張寅，等.Urea-SCR催化器壓力損失及其對柴油機性能的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（8）：169～173

4吳義磊，劉建祥，喬曌，等.排氣背壓預(yù)測及其對發(fā)動機性能的影響研究[J].內(nèi)燃機，2012（3）：10～12

5徐雅齊，王志，王健昕，等.增壓直噴汽油機超級爆震的不同抑制方法[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2014，32（1）：26~31

中圖分類號：TK411+.12

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）02-0012-04

收稿日期：（2015-01-05）

作者簡介：馬少康（1984-），男，碩士，工程師，主要從事發(fā)動機性能開發(fā)、臺架標(biāo)定工作。

Influenceof Exhaust Back Pressureon Engine Perform ance

Ma Shaokang1，2，Liang Tao1，2，Su Yanjun1，2，Qiao Jiawei1，2，Qiao Chuang1，2
1-TechnicalCenter,GreatWallMotor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000,China）
2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Abstract：The presentstudy investigated theeffectofdifferentexhaustback pressures（EBC）on pumping loss torque,fuel consumption rate of GDIengine atWOT load.The influence of exhaustback pressure on pumping losswas theoretic analyzed by the parametersof residual gas coefficientand volumetric efficiency. The boost simulationmodelwas constructed and bench testwas conducted.The result shows thata better match was attained and the simulation was basically accurate.With the increase of exhaustback pressure, fuel consumption rate and pumping losswere increased,exhaustback pressure has insignificanteffect on torque during1000rpm-1500rpm and it is contrary from 1500rpm to 5500rpm with torqueenhanced.

Keywords：Boost simulation，Exhaustback pressure，Torque，F(xiàn)uel consumption，Pumping loss