基于进排气压比的柴油机充气效率测定方法

王云鹏　曹明柱　王晓鹏　周全　陈怀望

摘 要：近年来，排放法规日益严格。按照以往的通过控制新鲜进气量来间接调节EGR率已无法满足要求，必须直接和精确的EGR率才可能满足国五排放。因此必须能够计算发动机总进气量，而充气效率是计算总进气量的基础。文章从充气效率的定义出发，提出了基于进排气压比的柴油机充气效率测定方法，结果表明，文章提出的柴油机充气效率测定方法可行，且具有一定的精度。

关键词：进气温度；进气压力；充气效率；测量精度

中图分类号：TK401 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）27-0003-02

发动机的充气效率是指发动机在当前进气压力和温度下实际进气量与理论进气量的比值，反映了进气过程的完善程度，是衡量发动机进气性能的重要指标。对于国四柴油机，排放相对来说并不是很严格，通常都是以新鲜进气量来间接控制EGR率，新鲜进气量通过安装在EGR回路前的进气总管上，通过标定新鲜进气量来达到排放要求。但随着排放法规的日益严格，仅仅通过控制新鲜进气量已无法满足要求，必须能够直接控制EGR率才可能达到排放要求，这就需要计算发动机总进气量，而充气效率是计算总进气量的基础。

本文基于充气效率的基本概念，提出一种采用常规测试设备测定柴油机充气效率的方法，达到简洁、快速和有效获得精确计算柴油机充气效率的目的。

1 充气效率的计算方法

1.1 常用的充气效率计算

发动机的充气效率是指发动机在当前进气压力和温度下实际进气量与理论进气量的比值。针对已定的发动机，充气效率的测量最终都归结于总进气量的测量。进气量方法有：压力波法、流量法和根据节气门开度的计算。压力波法是用对进气冲程中的压力波进行积分求得，在现实的发动机运转中很难应用。流量法是直接用流量计测量进气量，但在实际运用过程中由于布置的关系只能安装在空气滤清器后，因此只能测量新鲜进气量，无法测量进气发动机的总进气量。而根据节气门开度计算进气量的方法在柴油机上也无法应用：①节气门在EGR回路之前，无法计算通过EGR部分的流量；②柴油机在正常工况下节气门常开，只有在DPF（柴油机颗粒捕集器Diesel particulate filter）主动再生时才会有动作。

1.2 基于进排气压比的充气效率计算

根据理想气体状态方程可以预测进气管质量流量：

（1）

其中：

为发动机单缸进气量，kg/str；为发动机进气歧管绝对压力，hpa；为发动机单缸容积m3；为发动机进气效率；为发动机进气歧管绝对温度，K；为气体常数，287.05 J/kg·K 。

根据公式（1），充气效率无法直接测得，需要间接计算得到。

发动机总进气量为：

（2）

其中：

为发动机进气量，kg/s；为动机单缸进气量，kg/str；为动机转速，rpm； 为气缸数； 为单缸做功的循环数（四冲程机为2）。

将公式（2）带入公式（1）得到所有与充气效率相关的因子的公式：

（3）

其中：

为发动机充气效率；为发动机进气量，kg/s；为发动机进气歧管绝对温度，K；为气体常数，287.05 J/kg·K； 为单缸做功的循环数（四冲程机为2）；为发动机进气歧管绝对压力，hpa；为发动机单缸容积，m3；为发动机转速，rpm；为气缸数。

2 试验设备及方案

本文的研究对象是匹配轻型车的高压共轨国五柴油机，采用VNT+电控EGR空气系统以及DOC+DPF后处理方案，裸机排放达到国四水平。发动机主要参数，见表1。发动机台架为AVL电力测功机，台架布置，如图1所示。

图1 台架布置图

3 试验过程

基于进排气压比的测量方法测定其在发动机所有工况的充气效率，需测量的参数，见表2。

当EGR关闭时，通过空气流量计的进气量即为发动机总进气量，本次试验时关闭EGR，因此公式（3）中的发动机进气量就可以通过空气流量计直接测得。其他参数可以通过相关传感器直接测得。测试模型数据，见表3。

发动机正常热机后按照下面工况进行扫点。

4 试验结果与分析

按照上述的测试模型测量结束后，将实际测量参数和发动机相关参数带入公式（3）计算得到各工况点充气效率，以3 600 n/min为例。充气效率计算值，见表4。

由于涡前压力表征着排气阻力，也会影响充气效率，因此在实际应用中充气效率不是根据发动机转速和进气压力读取，而是根据发动机转速、进排气压比读取的充气效率，如图2所示。

图2 基于进排气压比的充气效率

在台架上进行充气效率的验证，结果显示充气效率的偏差小于5%，如图3所示，基于进排气压比的柴油机充气效率测定方法可行，且满足工程应用要求。

图3 充气效率偏差

5 结 语

本文从充气效率的定义出发，提出了基于进排气压比的柴油机充气效率测试方法，其理论基础坚实，测量过程可以通过常用的设备完成，且精度满足工程应用要求，能够在现有的柴油发动机上应用。

参考文献：

[1] 周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] 刘萍，王丛祥，姚喜贵.用发动机进气压力计算充气效率的试验研究[J]. 农机化研究，2001，（2）.