废气旁通阀开度对增压直喷汽油机部分负荷性能的影响

黄震， 洪伟， 解方喜， 苏岩， 黄恩利， 王鑫峰

(1. 吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室， 吉林 长春 130022； 2. 河北中兴汽车制造有限公司， 河北 保定 071000)

废气旁通阀开度对增压直喷汽油机部分负荷性能的影响

黄震1， 洪伟1， 解方喜1， 苏岩1， 黄恩利2， 王鑫峰1

(1. 吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室， 吉林 长春 130022； 2. 河北中兴汽车制造有限公司， 河北 保定 071000)

汽油机节气门产生的节流损失对增压发动机泵气损失的影响相当严重，尤其是在中小负荷时，针对这一问题采用试验的方法研究了中小负荷下旁通阀开度对增压直喷汽油机性能的影响。研究结果表明，在节气门开度较小的小负荷工况下，涡轮增压器不宜工作，否则排气背压过大，对发动机非常不利；而废气旁通阀全开可以减小排气背压，能使发动机的动力性和经济性提高3%左右。对废气旁通阀的合理控制可以实现发动机在自然吸气和涡轮增压两种模式之间的转换。

汽油机； 涡轮增压； 废气旁通阀； 节流损失

随着全球气候的变暖和石油资源的日益枯竭，各个国家都在制定越来越严格的排放法规，同时对汽车油耗也提出了越来越高的要求，因此节能减排就变得越来越重要[1-3]。近年来，增压小排量是汽车发动机的主要发展方向，增压可以提高发动机的升功率和平均有效压力[4],与相同排量自然吸气式发动机相比，发动机的油耗可以得到很大改善[5]。在各种增压方式中，废气涡轮增压由于不消耗有用功而被广泛使用。其中，带旁通阀的涡轮增压发动机是解决涡轮增压发动机低速扭矩特性不佳的最简单、成本最低的方案之一[6]，因此在汽油机上得到了广泛的应用。但是，与发展较为成熟的柴油机涡轮增压技术相比，汽油机涡轮增压技术还不完善[7]。汽油机与柴油机的最大不同在于汽油机由节气门控制发动机的进气量，当节气门开度较小时，如果涡轮增压器介入工作，可能会带来一个矛盾，就是涡轮增压器给节气门前进气道提供高压进气，而由于节气门开度较小，节流作用强而阻碍进气，这样会造成排气背压高，换气损失大，缸内残余废气增加等现象[8-9]。本研究探讨了不同工况下废气旁通阀的开度对发动机性能的影响，发现在发动机需要涡轮增压器介入工作时应充分利用涡轮增压器的作用及优势，在不需要涡轮增压器介入工作时，应短接旁通以减小排气背压高所带来的影响。该研究可为电控旁通阀优化提供参考依据，充分挖掘增压汽油机的经济性潜力。

1 试验系统

1.1 试验样机建立

试验用发动机为某直列4缸增压直喷汽油机，匹配涡轮直径为38.5 mm的涡轮增压器。对原有缸内直喷涡轮增压汽油机进行改造，使之满足试验要求，并连接各种所需的传感器、通信线束、测量装置以及控制装置实现对发动机的控制。试验用的发动机主要技术参数见表1，试验仪器见表2。

试验系统示意见图1。本研究对原机增压器的具体改造包括：在排气歧管上打孔并联一个旁通管，在旁通管路上连接一个手动调节的废气旁通阀，起到控制流经涡轮机排气量进而控制涡轮增压器增压程度的作用。其中手动废气旁通阀的前端与从涡轮机前排气歧管上接出的金属软管连接，手动废气旁通阀后端接出的金属软管直接接入到废气排放的区域。当手动废气旁通阀开度大时，大量的废气将从该废气旁通阀流过而不经过涡轮机；当手动废气旁通阀开度小时，绝大部分的废气从涡轮机流过而不经过该阀，因而通过对该手动废气旁通阀的控制可以达到控制涡轮增压器的目的，满足本研究的试验要求。为了保证试验数据真实可信，在试验之前重新编写了发动机控制程序，在试验中将不用原机的ECU控制程序，这样可以过滤掉原机控制程序中所不清楚的控制参数和控制思想。单片机为freescale9S12 系列单片机。在试验中采用LabVIEW对发动机的喷油脉宽、喷油角、喷油轨压、点火角以及节气门开度进行实时控制。

表1 增压直喷汽油机的主要技术参数

表2 测量仪器

图1 试验系统示意

1.2 试验方法

试验研究了发动机转速为2 550 r/min，不同喷油脉宽即不同负荷时，发动机的经济性和动力性随废气旁通阀开度的变化。试验中首先让发动机稳定运转，转速为2 550 r/min，过量空气系数始终为1，喷油脉宽分别为1 000 μs(10%负荷)，1 500 μs(19%负荷)，2 000 μs(30%负荷)，2 500 μs(40%负荷)，2 800 μs(47%负荷)，2 900 μs(48%负荷)，点火角为30°BTDC，不同喷油脉宽时喷油压力均为8.5 MPa，喷油角均为320°BTDC。然后改变废气旁通阀的开度(改变废气旁通阀开度会影响涡轮的转速，进而影响进气量，由于喷油脉宽是定量，此时需要重新调整节气门开度，以保证过量空气系数始终为1)，分别为废气旁通阀全开、半开及完全关闭3种状态。废气旁通阀的直径为25 mm，当废气旁通阀全开时，其旁通流通面积为490 mm2,当废气旁通阀半开时，其旁通流通面积为245 mm2,当废气旁通阀全闭时，其旁通流通面积为0。试验中其他控制参数保持不变。此外还研究了部分负荷工况下不同转速时旁通阀开度对发动机动力性和经济性的影响，试验方法同上。

2 研究结果与分析

2.1 恒转速不同负荷下旁通阀开度对发动机性能的影响

将发动机转速控制在2 250 r/min,分析在不同负荷下旁通阀开度对发动机性能的影响。发动机扭矩和油耗随废气旁通阀开度的变化规律见图2和图3。

图2 发动机扭矩随旁通阀开度的变化

图3 燃油消耗率随旁通阀开度的变化

由试验结果可知，在不同喷油脉宽下，废气旁通阀从全关到半开再到全开的过程可以使发动机的经济性和动力性得到不同程度的改善。废气旁通阀半开和废气旁通阀全开所得到的试验数据基本一致，因此只对比废气旁通阀全关和全开两种情况，不同负荷下废气旁通阀由全关到全开时，发动机扭矩和燃油消耗率的改善情况见图4和图5。可以看出，发动机扭矩提升百分比和燃油消耗率降低百分比具有相同的变化规律，随着负荷的增加呈现出先增大后降低的变化趋势。

图4 发动机扭矩提升百分比

图5 发动机有效燃油消耗率降低百分比

在10%～48%负荷时，节气门开度较小，此时如果保持废气旁通阀关闭，则在涡轮增压器增压的同时，节气门的节流作用较强，换气损失大，此时如果废气旁通阀全开 ，既可以降低排气背压、减小排气阻力，又可以通过调节节气门开度以保持进气量，使换气更加顺畅，从而使发动机动力性和经济性都有所提升。发动机扭矩和燃油消耗率的改善随负荷的增大呈现先上升后下降的趋势，这与发动机排气背压的变化相关。试验测得的排气背压随旁通阀开度变化见图6。

由图6可知，不同负荷下随着旁通阀开度由全闭到半开，排气背压减小，并且负荷越大排气背压下降幅度越大，而在半开到全开的过程中排气背压基本保持不变。发动机的燃油消耗率与缸内的燃烧情况、换气过程以及摩擦损失相关，在相同转速的情况下，可以认为摩擦损失的影响较小，而应主要考虑缸内燃烧情况以及换气过程的影响。在10%～30%小负荷工况时，旁通阀开度增大使流过涡轮的废气减少，增压压力下降使得进气量减少，从而导致燃烧情况变差，虽然同时也导致排气背压降低，但排气背压降低的幅度大于进气量减少的幅度，进而使泵气损失减小，因此发动机的燃油消耗率在小负荷时随负荷的增大而减小，发动机的燃油经济性和动力性得到了提高。但是随着负荷的进一步增大，节气门的开度也相应增大，而此时增压压力进一步减小，排气背压也在减小，此时虽然节气门的开度增大，而进气量却并没有增加，缸内燃烧情况没有得到很大的改善，反而随着负荷的增加发动机扭矩提高百分比和燃油消耗率降低百分比都在减小。

图6 不同负荷下旁通阀开度对排气背压的影响

通过试验数据发现，喷油脉宽在1 200～2 900 μs时废气旁通阀全开可有效提高发动机的经济性和动力性，在喷油脉宽小于1 200 μs时，废气旁通阀的开或关对发动机动力性和经济性没有影响，而在喷油脉宽大于2 900 μs时，为了使发动机转换为涡轮增压模式，应使废气旁通阀关闭。综合上述分析可得在发动机转速为2 550 r/min时对废气旁通阀的控制策略：喷油脉宽小于2 800 μs(47%负荷)时，废气旁通阀应全开，以降低排气背压；喷油脉宽达到2 800 μs(47%负荷)及以上时，废气旁通阀应全关，以利用涡轮增压器。

2.2 不同转速部分负荷时废气旁通阀开度对发动机性能的影响

试验样机在与整车匹配时，当车辆处于2挡和3挡且发动机转速超过2 500 r/min时，发动机负荷已超过50%，因此以下分别选取发动机转速1 500 r/min，1 750 r/min，2 000 r/min，2 250 r/min进行发动机经济性和动力性试验研究，具体试验方法与上节2 250 r/min时一样。各转速时发动机扭矩随旁通阀开度的变化规律见图7。各转速时发动机有效燃油消耗率随旁通阀开度的变化规律见图8。

图7 不同负荷下旁通阀开度对扭矩的影响

图8 不同负荷下旁通阀开度对燃油消耗率的影响

通过以上数据发现，在发动机小负荷工况时，旁通阀开度的增大会提高发动机的燃油经济性和动力性。在相同发动机转速和旁通阀开度下，发动机的燃油经济性和动力性随负荷的增加而显著提高。例如，在转速为1 500 r/min，旁通阀开度为245 mm2时,40%负荷相比于10%负荷燃油消耗率下降21%左右，扭矩提高52.7%左右。发动机转速升高时燃油经济性和动力性改善效果会更为显著，例如，当发动机转速为2 250 r/min时，40%负荷相比于10%负荷燃油消耗率降低25.3%，扭矩提高60.1%。这是由于发动机转速的提高使其进气量增加，能够满足充分燃烧的需求。虽然转速提高使摩擦损失增加，但增加的程度小于燃烧情况改善的程度，发动机的动力性和经济性都得到了改善。负荷较大时，采用大旁通阀开度会使发动机动力性和经济性下降，例如，负荷为47%，转速为2 250 r/min时，旁通阀开度由关闭改为全开，发动机燃油消耗率增加了0.5%，扭矩减小了0.4%，由此可以看出发动机动力性和经济性反而都降低了。这是由于旁通阀开度较大时，排气背压降低，进而引起进气压力减小；进气压力变小后，燃烧持续期变长，热量利用率变低[10]；虽然排气背压减小，但这并不能弥补由于进气压力减小而导致的燃烧情况恶化，使发动机性能变差。

通过分析可知，在小负荷工况时，不同转速下旁通阀开度较大可以带来发动机动力性和经济性的提升，此外，发动机的转速越高其性能提高越显著。但是，负荷的增大限制了性能的提高。不同转速，不同负荷时废气旁通阀的开度MAP图见图9。

图9 常用工况下废气旁通阀开度控制MAP图

从图中可以看出，不同转速时的废气旁通阀开度规律可以分为两个阶段。第一阶段：各转速下，当发动机负荷低于47%时，废气旁通阀应该完全开启。原因是此时发动机负荷较小，节气门开度较小，发动机以自然吸气模式运转就能达到负荷要求，还能够减小排气背压，降低换气损失。第二阶段：各转速下，当发动机负荷大于47%时，废气旁通阀应该完全关闭。原因是此时发动机负荷较大，节气门开度较大，发动机继续按照自然吸气模式运转并不经济，可以使发动机以涡轮增压模式运转，以充分利用废气能量，提高进气量，充分利用涡轮增压的优势。

3 结论

a) 在中小负荷时，旁通阀全开能够使发动机的动力性和经济性得到提高；

b) 随着发动机负荷增加，需要的进气量也增加，为了保证足够的增压压力，此时旁通阀的开度应相应减小，并且发动机转速越高相应的旁通阀开度越小。

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[编辑： 潘丽丽]

Effects of Waste Gate Opening on Turbocharged GDI Engine Performance under Partial Load

HUANG Zhen1, HONG Wei1, XIE Fangxi1, SU Yan1, HUANG Enli2， WANG Xinfeng1

(1. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022, China;2. Hebei ZhongXing Automobile Manufacturing Co., Ltd., Baoding 071000, China)

The throttle loss produced by the throttle of gasoline engine had a serious effect on turbocharged engine pumping loss especially at medium and low load. In order to solve the problem, the effects of waste gate opening on turbocharged GDI engine performance were researched at medium and low load. The results showed that the running of turbocharger at low load and small throttle opening would lead to too high exhaust back pressure influencing adversely on engine performance. However, the full opening of waste gate could reduce the exhaust back pressure so that the power and economy of engine improved by about 3%. Accordingly, the appropriate control of exhaust gas bypass valve could realize the switch between the naturally aspirated and turbocharged mode.

gasoline engine； turbocharging; exhaust gas bypass valve； throttle loss

2016-06-24；

2016-10-14

国家自然科学基金资助项目(51276080)；吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目(吉教科合字[2016]第423号)

黄震(1991—)，男，硕士，主要研究方向为内燃机工作过程优化与控制；120804645@qq.com。

解方喜(1982—)，男，副教授，博士，主要研究方向为内燃机工作过程优化与控制；jluxfx@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.004

TK411.8；TK417.124

B

1001-2222(2017)01-0021-05