集成排气歧管GDI发动机热平衡试验研究

许 翔，刘双喜，牟连嵩，王 远，赵 亮

（1.中汽研（常州）汽车工程研究院有限公司，常州 213164； 2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

前言

集成排气歧管式发动机在冷起动暖机时，可利用集成在缸盖内排气歧管的高温对冷却液进行加热，让冷却液快速达到工作温度，使暖机时间大大缩短［1］。在发动机高负荷时，冷却液可以对发动机的排气进行降温，从而使尾气中的污染物含量明显降低，有助于优化排放［2-4］。目前，集成排气歧管已经成为汽油机满足严苛的国Ⅵ排放法规的重要技术之一［5］。但是，高温的排气歧管内置在缸盖内会增大发动机冷却水套的散热量，使本来已承受高热负荷和机械负荷的汽缸盖更加恶劣。因此，研究集成排气歧管式发动机的热平衡性能，对评价发动机冷却水套的设计水平、合理匹配冷却系统、防止发动机出现过热、保证发动机的动力性、经济性、排放和可靠性都具有重要的意义。

发动机台架热平衡试验是分析发动机热负荷、设计发动机和整车冷却系统的基础［6-8］。目前，发动机台架热平衡试验缺乏专门的试验标准。由于发动机台架热平衡试验方案、试验条件、试验方法等对发动机热平衡测试结果具有重要的影响，从而影响发动机热平衡性能的分析［9-10］。本文中设计的发动机台架热平衡试验方案与常规测试方法相比，具有流量分布与整车相当、热损失小、试验结果接近实车状态等优点。通过对一台集成排气歧管式缸内直喷汽油机在万有特性工况和典型整车工况下进行台架热平衡试验，对比分析了不同试验方案和试验条件对发动机热平衡性能的影响以及集成排气歧管与非集成排气歧管GDI发动机散热量的差异，为发动机和整车冷却系统设计提供了基础数据。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

图1 发动机台架热平衡试验示意图

发动机台架热平衡试验装置如图1所示，包括发动机进气空调系统、CW160型电涡流测功机、FCMM-2油耗仪、YR-RSL80进气流量计、散热器、中冷器喷淋装置和各种冷却液流量、温度和压力传感器等。为使台架热平衡试验中发动机的进排气和冷却液流动状态接近实车工况，台架热平衡试验系统采用了实车散热器、中冷器、机油冷却器、变速器油冷器、暖风芯体、膨胀水壶和发动机进排气管路和附件等。采用散热器表面喷淋冷却水的方式对散热器和中冷器内的冷却液和空气进行冷却，通过PID温度反馈控制对喷淋量进行自动调节，进而实现冷却液和中冷后进气温度的控制与调节。试验对象为一台集成排气歧管式GDI增压中冷汽油机，其主要技术参数见表1。

表1 发动机性能参数

1.2 试验方法

试验过程中节温器始终处于大循环位置，通过散热器和中冷器表面喷淋装置对发动机出水温度和中冷后进气温度进行调节和控制，喷淋装置内部含有PID流量控制回路，可根据控制目标温度自动调节喷淋量。试验室环境温度为30℃，大气压力为101 kPa，相对湿度为35%。试验项目包括发动机万有特性热平衡试验和部分实车工况的台架热平衡模拟试验。在发动机万有特性热平衡试验时，发动机出水温度控制在90±0.2℃，中冷后进气温度控制在45±0.5℃。为研究实车工况下发动机的热平衡性能，根据实车在低速爬坡、高速爬坡和高速行驶等3种热平衡试验中测得的发动机转速和转矩、发动机出水温度、中冷后进气温度（表2），在发动机台架上模拟再现了实车热平衡试验状态。

表2 实车工况参数

为避免冷却风机对发动机表面吹拂导致的热平衡测试误差，试验过程中未采用风机对发动机表面进行吹拂。为研究风机吹拂对发动机台架热平衡测试数据的影响，仅在发动机额定转速负荷特性工况开启风机对排气管及涡轮增压器等局部表面进行吹拂。

发动机燃料完全燃烧产生的热量Qf一般可分为：转化为有效功的热量Qe、排气散热量Qex、冷却液散热量Qw、中冷器散热量Qc和余项热损失Qres（包括发动机不完全燃烧损失、机械摩擦损失、机体和油底壳等表面的对流和辐射等散热量）。

2 试验结果与分析

2.1 外特性工况发动机热平衡性能

外特性工况下发动机的热量分配和过量空气系数见图2和图3。其中，发动机功率占燃料释放总热量的23% ～31%，冷却液散热量占比为20% ～30%，排气散热量占比为25%～33%，中冷器散热量占比为2%～3.5%，余项热损失占比为12%～35%。由图可知，当发动机转速超过3 500 r／min时，过量空气系数和空燃比随发动机转速增大明显降低，由于发动机不完全燃烧程度加剧和排温升高导致排气带走的热量增大，最终使发动机的余项热损失随转速升高而显著增大。

图2 外特性工况发动机各部分热量变化

图4 为外特性工况下发动机水套、机油冷却器和涡轮增压器传给冷却液的热量和冷却液总散热量。其中，发动机水套、机油冷却器和涡轮增压器传给冷却液的热量占冷却液总散热量的比例分别为88%、9.5%和2.5%。

2.2 发动机台架热平衡试验影响因素分析

图3 外特性工况下发动机过量空气系数和空燃比

图4 水套、油冷器和涡轮等传给冷却液的热量

发动机的台架热平衡性能试验受试验环境、冷却部件、管路和试验中发动机所带附件等因素的影响。通常发动机台架热平衡试验采用台架中冷温控装置和冷却液循环及温度控制装置对中冷后进气温度和冷却液进行控制，该试验方案（方案1）对发动机进排气系统和冷却管路改动较多，管路流动阻力和热损失较大，发动机水泵和台架水泵串联工作导致冷却液流量不可控和发动机进出冷却液温差小等方面的弊端。在方案1中，当发动机高转速大负荷运转排气温度较高时，采用冷却风机吹拂发动机机体导致发动机表面散热量增大，进而影响整机的热平衡状态。

为研究发动机台架热平衡试验方案对发动机台架热平衡试验结果的影响，本文中对两种台架热平衡试验方案的测试结果进行了对比分析。其中方案2（即本文第1章介绍的试验方案）采用实车冷却系统部件和管路，能够准确模拟实车发动机冷却系统的冷却液流量分配和流动阻力等流动状态；采用实车发动机进排气管路和附件可保证台架试验中发动机的进气压力和排气背压与实车工况一致；试验中未开冷却风机吹拂发动机表面，保证发动机机体表面散热和发动机在机舱内的散热更接近。因此，方案2的热平衡试验结果更接近实车发动机的热平衡状态。

图5为外特性工况下两种试验方案对发动机冷却液散热量的影响。由图可知，在相同的工况和发动机出水温度（90℃）下，方案2测得的发动机冷却液散热量明显大于方案1，而且差异随着发动机转速的增大而增大。以额定转速5 500 r／min为例，方案2比方案1大47.0%；方案1和方案2中冷却液散热量占总燃烧放热量的比例分别为20%～25%和12%～20%。

图5 不同试验方案发动机冷却液散热量对比

一些企业或单位为保证发动机台架热平衡试验的安全性，当发动机的排气温度接近或超过允许最高值时，采用风机对排气管和涡轮增压器局部进行吹拂。该方法会增大发动机机体表面的散热量，必然会改变发动机的热平衡状态，进而影响热量分布和最终的测试结果。图6和图7分别为5 500 r／min额定转速不同负荷下，开关风机对发动机冷却液散热量、排气散热量和余项热损失的影响。当发动机工况一定时，开风机导致发动机水套散热量减小约5%～13%；由于开风机使排气温度下降导致排气散热量小幅减少；开风机使发动机表面散热量增大，从而导致余项热损失增大。

图6 开风机对发动机冷却液散热量的影响

图7 开风机对排气散热量和余项热损失的影响

本文中选取3种典型的实车工况（见表3），研究冷却液温度和中冷后进气温度对发动机水套散热量的影响以及实车热平衡试验与发动机台架热平衡试验测得的发动机冷却液散热量之间的差异。表3中，工况1和工况2中发动机出水温度为100℃，中冷后进气温度分别为45和70℃；工况3中发动机出水温度为110℃，中冷后进气温度为70℃。

表3 冷却液温度和进气温度对散热量的影响

由表3可知，实车热平衡试验测得的发动机冷却液散热量与台架热平衡试验测试值的差异较小。中冷后进气温度升高使发动机冷却液散热量增大，原因是中冷后进气温度升高会对进气量、缸内点火和燃烧等产生较大影响，可能使点火提前角减小，后燃增加，燃烧恶化和缸内燃烧温度升高［11-12］，导致发动机的热负荷升高，从而使冷却液散热量增大。冷却液温度升高会使水套散热量减小，主要原因是随着冷却液温度的升高，缸内燃气和冷却液的温差减小，缸内燃气通过气缸壁面传递给冷却液的热量明显减少，使缸内能量分配和整机热流量分配均发生变化［13-14］。

2.3 集成排气歧管GDI发动机冷却液散热量分析

为分析和评价集成排气歧管发动机的冷却液散热量水平，本文中选取性能参数与集成排气歧管GDI汽油机非常接近的某型非集成排气歧管GDI增压中冷汽油机进行了外特性热平衡试验。非集成排气歧管GDI汽油机的额定转速为5 500 r／min、额定功率为140 kW、最大转矩为280 N·m、排量为1.5 L。图8为两种发动机在外特性工况下冷却液散热量的对比。与非集成排气歧管发动机相比，集成排气歧管GDI发动机的散热量平均大约25%～40%，主要原因是部分排气热量通过集成在排气歧管中的冷却水道进入冷却液导致发动机冷却液散热量明显增大。因此，在设计采用集成排气歧管发动机的汽车冷却系统设计时，必须考虑发动机冷却液散热量大的问题，冷却系统的水泵、风扇和散热器必须满足大散热量要求。

图8 不同排气歧管的GDI发动机冷却液散热量对比

3 结论

（1）发动机台架热平衡试验方案设计和试验条件控制等对发动机热平衡测试结果有显著影响。为通过台架热平衡试验获得和实车运行工况一致的发动机水套、机油冷却器和涡轮增压器等传给冷却液的热量，发动机台架热平衡试验中，应采用实车中冷器、散热器、冷却管路、水泵、进排气管路和附件，避免冷却管路和进排气管路变化造成的系统流动阻力增大、管路传热损失增加、冷却液流量不可控、发动机进出口冷却液温差过小等弊端。此外，必须按照实车热平衡试验状态对发动机的转速、转矩、中冷后进气温度和冷却液温度等进行精确控制，禁止开启台架冷却风机，试验室环境温度也要按照整车热平衡试验环境温度进行控制。

（2）相对于非集成排气歧管式发动机，集成排气歧管式发动机的排气歧管内置在缸盖内导致发动机冷却水套的散热量明显增大，使发动机的汽缸盖承受更大的热负荷，给集成排气歧管式发动机水套设计和冷却系统匹配开发带来了挑战，冷却系统也必须提供更大的冷却能力才能满足发动机的热平衡需要。