排气背压对发动机性能的影响

杨海军 汤 钰 尹建东 沈 源 王瑞平，2

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315000 2-浙江吉利罗佑发动机有限公司）

引言

通常情况下，满足国五排放的发动机的后处理系统只需装配一个单级的三元催化器，而为了满足国六颗粒物排放，在优化国五三元催化器达到气体排放物要求的同时，往往需要增加颗粒捕集器（GPF）以满足颗粒物数量（PN）的排放要求。GPF是一种单边导通单边堵塞的壁流式结构催化器，排气流过时只能从壁面缝隙流出，造成排气阻力的增加，相应的总排气背压增大；另外在使用过程中，碳（soot）在颗粒捕集器中的累积，长时间使用后机油及发动机其它部件磨损脱落形成的灰分（ash）在GPF中不可恢复的累积，造成排气背压不断增加，导致充气损失不断增加，发动机的燃烧效率下降，造成发动机动力性和经济性的恶化。本文通过试验验证不同排气背压下，探究发动机在外特性上的燃烧状态进行分析，验证排气背压变化对发动机转矩、油耗等的影响，为发动机性能开发和匹配提供参考。

1 试验概述

本次试验在一款1.0L增压直喷汽油机上进行，发动机相关参数如表1所示。试验设备包括AVL发动机台架控制系统、油耗仪、缸压传感器及燃烧分析仪等。试验利用INCA软件采集ECU中相关参数。

表1 试验发动机主要参数

根据GPF供应商提供的相关信息，GPF的碳载量约为3 g/L，故该GPF的最大碳载量约为3.3 g，台架实测累碳3.3 g的GPF排气背压增加约10 kPa；另外根据机油消耗的20×104km排放试验，灰分增加导致的排气背压上升约10 kPa，故本次试验测试3种排气背压下发动机的性能状态，以及新鲜态GPF对应的排气背压P0、最大碳载量（无灰分累积）对应的排气背压P0+10 kPa、最大碳载量与最大ash时对应的排气背压P0+20 kPa，具体试验方案如表2所示。试验过程中排气背压通过调节阀进行调节。排气背压测量点：三元催化器入口后50 mm处，测压探头与管内壁平齐。

上述试验在AVL性能台架进行，主要试验设备如表3所示。

表3 试验设备

2 试验结果

2.1 对泵气损失的影响

排气背压增大，导致发动机排气不顺畅，排气冲程对曲轴做的负功也相应地增大，相应的泵气损失增加。如图1所示，随着排气背压增大，整个转速区间内的泵气损失呈现出增大的趋势，转速越高，泵气损失增大越明显[1]。6 000 r/min全负荷工况，排气背压增加20 kPa后与初始排气背压相比，泵气损失从298 kPa增加到322 kPa，增加了8.1%。

图1 发动机泵气损失

2.2 对燃烧速率的影响

燃烧速率通常用AI50表示，即燃料燃烧50%时对应的发动机曲轴转角。AI50越小，表明燃烧速率越快，发动机燃烧也较好。本试验中通过AVL的燃烧分析仪INDICOM和KISTLER火花塞式缸压传感器检测燃烧速率。如图2所示，在1 500 r/min以前，排气背压对AI50的影响不大，发动机转速越高，排气流量越大，背压越大造成缸内的残余废气也越多，内部EGR效果更明显，导致燃烧速率变慢，燃烧中心AI50也向后移动。

图2 排气背压对燃烧速率的影响

2.3 最大燃烧压力

通过燃烧分析仪，可以实时观察随着排气背压的增大，缸内燃烧压力的变化情况。如图3所示的缸内最大燃烧压力，随着排气背压增加，发动机在2 000 r/min以前的最大燃烧压力基本保持不变，当转速超过2 000 r/min以后，最大燃烧压力随排气背压的增加而减少，与发动机的有效输出转矩呈正向关系。

图3 排气背压对最大燃烧压力的影响

2.4 对转矩的影响

当发动机的排气背压在合理的设计范围内时，排气顺畅，在自由排气时间内可以排除大量废气，在强制排气时间也能减少活塞上行所消耗的功，从而提高发动机的动力性，反之，则动力性下降。通过测功机测试的不同排气背压对应的有效转矩如图4所示，在转速未超过2 000 r/min范围内，因泵气损失较少，对发动机的有效输出转矩基本无影响；转速超过2 000 r/min后，随着排气背压增大，泵气损失也增大较多，发动机指示功的更多部分用于克服泵气损失，故有效输出转矩随排气背压的增大而减小，在6 000 r/min全负荷工况，排气背压增加20 kPa，对应的输出转矩减少了近12 N·m，转矩衰减约8%。

图4 排气背压对转矩的影响

2.5 对燃油消耗率的影响

排气背压增加，排气阻力增大，在正常标定的排气门关闭时刻，排除的废气减少，导致下一循环中废气占的比例较大，缸内温度较高，为降低缸内温度，往往需要通过增加喷油量的方式降低缸内温度，减少爆震的倾向；另一方面，由于排气背压增加导致泵气损失增加，相同转速下要达到相等平均有效压力（BMEP）同样需要多喷燃油，进而导致燃油消耗率的增加[2]。如图5所示，当排气背压增加，整个外特性区间的燃油消耗率呈增加趋势。整体来看，在低转速区间（1 000～3 000 r/min），燃油消耗率随排气背压的增加不明显，而在高转速区间（4 500～6 000 r/min），发动机为了排温保护和克服更多的泵气损失，排气背压越大，平均燃油消耗率也增加的更多，平均在5 g/（kW·h）以上。

图5 排气背压对燃油消耗率的影响

3 结论

发动机排气背压从根源上影响发动机的燃烧状态，增加发动机的泵气损失，导致发动机动力性和经济性出现不同程度的恶化。因此，在发动机设计过程中，需要从发动机内部及排气管两部分着手，将排气背压控制在合理范围内，保证排气顺畅，减少排气所做的负功，从而提升发动机的动力性和经济性[3]。