付友 李慧軍 孫飛 由毅
(蓋斯特動力總成技術(shù)(蘇州)有限責(zé)任公司)
進(jìn)排氣系統(tǒng)作為發(fā)動機(jī)的重要組成部分,對發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性起著至關(guān)重要的作用,其中重要的指標(biāo)為排氣背壓與進(jìn)氣壓損。排氣背壓的大小主要受排氣歧管、廢棄渦輪增壓器、三元催化器及消聲器等零部件結(jié)構(gòu)的影響;進(jìn)氣壓力損失的大小主要受整車進(jìn)氣管、空氣濾清器、中冷器及進(jìn)氣歧管等零部件結(jié)構(gòu)的影響。文章通過AVL-BOOST軟件建立了某增壓發(fā)動機(jī)一維熱力學(xué)模型[1],分析了排氣背壓與進(jìn)氣壓力損失在不同壓力損失時對發(fā)動機(jī)性能的影響[2],為以后發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計提供了可參考值。
發(fā)動機(jī)基本參數(shù),如表1所示。
表1 某增壓發(fā)動機(jī)基本參數(shù)
測量某增壓發(fā)動機(jī)實際進(jìn)排氣管路尺寸、進(jìn)排氣道長度及內(nèi)徑等參數(shù),建立一維熱力學(xué)分析模型,模型包括整車進(jìn)氣系統(tǒng)、空氣濾清器、節(jié)流閥體、進(jìn)氣歧管、氣缸參數(shù)(包含缸體和缸蓋的參數(shù))、排氣歧管及整車三元催化器等主要零部件。熱力學(xué)模型,如圖1所示。
1.3.1 空濾器基本參數(shù)
發(fā)動機(jī)空氣濾清器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和相關(guān)特性參數(shù),如表2所示。
表2 空濾器基本參數(shù)
1.3.2 進(jìn)排氣歧管基本參數(shù)
發(fā)動機(jī)1~4缸進(jìn)氣歧管管長均為73 mm,截面直徑均為30 mm;排氣歧管管長均為300 mm,截面直徑均為28 mm。
1.3.3 發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)基本參數(shù)
發(fā)動機(jī)氣缸參數(shù)主要對進(jìn)排氣門升程曲線和氣道流量系數(shù)進(jìn)行設(shè)置,并合理設(shè)置缸內(nèi)燃燒參數(shù)。
圖2示出該發(fā)動機(jī)基準(zhǔn)進(jìn)排氣門升程曲線圖,其中進(jìn)氣門最大升程為8mm,排氣門最大升程為7.4mm。
上述氣門升程曲線的基本情況,如表3所示。
表3 某增壓發(fā)動機(jī)氣門升程曲線基本情況
圖3示出模擬計算中,該發(fā)動機(jī)的實際進(jìn)排氣道流量系數(shù)隨著氣門升程的變化關(guān)系。
發(fā)動機(jī)的基本燃燒參數(shù),如表4所示。
表4 某增壓發(fā)動機(jī)燃燒參數(shù)
該發(fā)動機(jī)缸內(nèi)活塞頂部表面積5 000 mm2,氣缸蓋燃燒室表面積5 600 mm2,活塞Ⅰ環(huán)和Ⅱ環(huán)側(cè)面積之和300 mm2。
1.3.4 渦輪增壓器參數(shù)
渦輪增壓器技術(shù)參數(shù),如表5所示。
表5 某增壓發(fā)動機(jī)渦輪增壓器參數(shù)
1.3.5 中冷器參數(shù)
中冷器技術(shù)參數(shù),如表6所示。
表6 某增壓發(fā)動機(jī)中冷器參數(shù)
1.3.6 三元催化器參數(shù)
三元催化器技術(shù)參數(shù),如表7所示。
表7 某增壓發(fā)動機(jī)三元催化器參數(shù)
1.3.7 消音器參數(shù)
消音器出入口管長均為500 mm,體積5 L。
1.4.1 邊界條件
邊界條件的選取對于模型分析結(jié)果影響較大,而環(huán)境參數(shù)又多變,選定一個合理的邊界條件十分重要。根據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)理想環(huán)境,進(jìn)排氣邊界條件為進(jìn)排氣壓力100 kPa,溫度均為25℃,進(jìn)氣系統(tǒng)壓力損失為5.2kPa@5500r/min,排氣背壓為40.9kPa@5500r/min。
1.4.2 分析方法
在模擬分析中,沿用了該增壓發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)機(jī)型的缸內(nèi)燃燒參數(shù)以及摩擦功數(shù)值。為了分析計算不同進(jìn)氣壓力損失與排氣背壓對發(fā)動機(jī)性能的影響,分析排氣背壓時,設(shè)定進(jìn)氣壓力損失為定值;反之,分析進(jìn)氣壓力損失時,設(shè)定排氣背壓為定值。
根據(jù)分析方法,發(fā)動機(jī)在進(jìn)氣壓力損失為5.2 kPa,排氣背壓分別為27.6,40.9,47.9 kPa時的功率和扭矩,如圖4和圖5所示。
發(fā)動機(jī)在排氣背壓為40.9 kPa,進(jìn)氣壓力損失分別為2.3,5.2,7.9,11.7 kPa時的功率和扭矩,如圖6和圖7所示。
根據(jù)不同排氣背壓及不同進(jìn)氣壓力損失的分析計算數(shù)據(jù),統(tǒng)計在不同進(jìn)排氣壓力損失下的最大功率、最大扭矩及低速(1 500 r/min)扭矩數(shù)據(jù),如表8所示。
表8 不同進(jìn)排氣壓力損失時最大功率、最大扭矩及低速扭矩
1)在進(jìn)氣壓力損失一定時,隨著排氣背壓的增大,發(fā)動機(jī)性能降低;在排氣背壓一定時,隨著進(jìn)氣壓力損失的增加,發(fā)動機(jī)的性能隨之降低;
2)從低速扭矩的變化情況來看,發(fā)動機(jī)在低速工況時,隨著進(jìn)排氣壓力損失的改變,扭矩值變化幅度不大,說明進(jìn)排氣系統(tǒng)壓力損失對發(fā)動機(jī)在中高速工況時的性能影響顯著;
3)在發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)開發(fā)中,排氣背壓建議不超過40 kPa,進(jìn)氣壓力損失不超過6 kPa。