排气背压对发动机性能影响的研究

马少康　梁　　涛　苏艳君　乔佳伟　乔　　闯（1-长城汽车股份有限公司技术中心　河北　保定　071000　2-河北省汽车工程技术研究中心）

排气背压对发动机性能影响的研究

马少康1，2梁涛1，2苏艳君1，2乔佳伟1，2乔闯1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

摘要：研究了在WOT工况下不同的排气背压对GDI发动机泵气损失、扭矩以及油耗率的影响，理论分析了排气背压对泵气损失的影响，主要通过分析背压对残余废气系数以及充量系数的影响，来研究其对泵气损失的影响。利用boost软件建立一维仿真模型，并通过台架试验获得发动机性能曲线，验证模拟与试验的匹配性，结果表明仿真结果与台架试验基本相符：随着排气背压的增大，泵气损失与油耗率均增加；在1000～1500 r/min范围内，排气背压对扭矩基本无影响，在1500~5500 r/min，扭矩随着背压的减小而增大。

关键词：boost模拟排气背压扭矩油耗泵气损失

引言

在发动机的燃烧开发以及排气系统的开发过程中，排气背压对发动机经济性、动力性以及声音品质有着重要影响，是开发设计过程中参衡的重要指标之一。排气背压过大，导致充气损失增加，发动机燃烧效率下降，功率输出降低，燃油经济性恶化；排气背压过小会使排气系统开发成本增大，声品质变差。因此合理的排气背压对发动机的性能至关重要。

随着流体力学的发展，CFD成为预估排气背压的重要方法。董森等[1～3]人分别利用模拟软件对催化器、后处理等系统的背压进行了仿真分析。吴义磊[4]的研究表明降低排气背压使额定功率点的动力性提高15%，并认为在不同转速区间内，排气背压对发动机的燃油经济性和动力性的影响也不同。但排气背压对充气效率、泵气损失等的影响报道不多。基于此，本文理论分析了排气背压对发动机充气效率和泵气损失的影响，在排气背压分别为50 kPa和65 kPa时，利用AVL BOOST软件，对发动机的泵气损失、扭矩、油耗进行一维模拟，并结合试验验证了排气背压对扭矩、油耗以及泵气损失的影响，为发动机性能开发及匹配提供参考。

1　理论分析

发动机进入缸内的新鲜气体越多，燃烧越理想，油耗越低，每循环输出的扭矩越大。而减小发动机的排气背压能够降低缸内残余气体量，减小泵气损失，增大充气量。

在发动机的泵气损失中，主要包含两部分的排气损失和一部分进气损失[5]。而排气背压对排气损失有直接影响，对于进气损失，排气背压则通过影响在气门重叠期的进气量，进而影响发动机的性能。

残余废气系数计算如下：

式中：γ为绝热指数（γ=1.4）；ρa为排气压力、进气温度下的气体密度；n为计算气门重叠系数；pem为排气压力；pim为进气压力；rc为压缩比；λ为空燃比；OF为气门重叠系数；k′、c1、c2均为系数。

式中：Di为进气门座的内径；De为排气门座的内径；Li为进气门实际升程；Le为排气门实际升程；θ为曲轴转角。

进排气VVT的变化如图1所示。

由式3、4、5可知，在稳定工况下，气门重叠角系数OF保持不变，当排气压力小于进气压力时，符号函数sign（pem-pim）为恒负，当排气压力大于进气压力时，符号函数sign（pem-pim）为恒正。排气背压随着排气压力的增大而增大，因此由式1、2可知，随着排气压力的增大，废气残余系数增大，而充量系数减小。

图1进排气门升程

2　BOOST模拟结果与分析

运用AVL BOOST软件提供的模块建立相应的物理模型，包括进排气系统设计。其中包括确定进排气系统的温度、压力、直径、长度、夹角等，根据热力学、传热、传质等方面的知识，将物理模型进行定量的数学描述，将发动机数据输入到相应的模块中以建立数学模型。在模型建立过程中，需确定模型的边界条件，边界条件的选取会直接影响模拟结果，燃烧模型选用单区Vibe模型。在BOOST软件中，没有直接提供节气门模型，由于发动机的进气流量与节气门开度和节气门前后压差有关。因此选择阻力控件来模拟节气门，通过控制阀门的流量系数模拟节气门开度，模型如图2所示。

重要边界条件确认如下：

空滤压损：<8 kPa，

中冷器压损：<8 kPa，

排气背压：50 kPa、65 kPa，

排气温度：<950℃。

确定排气背压值65 kPa与50 kPa，输入到所建模型中，进行仿真模拟。在模拟过程中，排气背压为绝对压力参与计算。

泵气损失的变化基本上呈现出先减小的趋势，随着转速的增大，排气背压对泵气损失的影响也越大，在转速为4000~5500 r/min的范围内，排气背压为50 kPa的扭矩较60 kPa低30 kPa左右，如图3所示。

从模拟结果可以看到，随着排气背压的降低，在转速1000～1500 r/min区间内，扭矩基本一致；但在1500～4800 r/min转速区间内，扭矩呈现出增大的趋势。在4800 r/min，排气背压为50 kPa的扭矩较60 kPa上升8N·m，如图4所示。

在不同的排气背压下，随着转速的增大，油耗率基本上呈现出先减小后增大的趋势。排气背压越低，油耗率越小，如图5所示。

图2 发动机模型图

图3 泵气损失随背压变化图

图4　扭矩随背压变化

图5　油耗随背压变化图

3　试验结果

为了评价本次模拟分析的合理性，验证AVL BOOST仿真结果的准确性。本文进行台架试验，得到发动机性能曲线，并与模拟结果进行对比。

试验在一款增压电控直喷汽油机上进行，发动机的参数如表1所示，试验设备包含自主开发电控系统、电涡流测功机、控制柜、油耗仪、排气分析仪、线性氧传感器等。试验中利用ECU进行燃烧系统的控制以及数据的采集。

表1 汽油机主要技术参数

排气背压测量点：涡轮增压器出口75mm处，测压头与管内壁平齐。

3.1对泵气损失的影响

如图6所示，随着排气背压的增大，在整个转速区间内，泵气损失呈现出增大的趋势，并且随着转速的升高，该趋势更加明显。随着转速的升高，相同的排气提前角所对应的排气时间减短，排出的废气量减少，膨胀损失减少。此时，如果排气背压增大，则阻碍废气的排出，使膨胀损失加大。同时缸内压力升高，从而使活塞的推出功增大。因此总体上，排气损失随着背压的增大以及转速的升高呈现出增加的趋势。另一方面，在气门重叠期，一部分废气通过排气门进入进气歧管，导致发动机充量系数下降。随着排气背压的增大，这部分损失将加大。在转速为5500r/min时，泵气损失最大差值达到0.25 bar。之上升。

如图8所示，随着排气背压的降低，在整个转速区间内，油耗率呈现出下降趋势，该趋势随着转速升高而逐渐增大。这与利用软件模拟的结果一致。在4800～5500 r/min转速范围内，由于排温保护，使发动机油耗恶化，从而使排气背压不同产生的油耗差异格外明显，最大差值可达10 g/（kW·h）。

图6　泵气损失随背压变化图

3.2对功率的影响

合理的排气背压，能够排除在自由排气阶段的大部分废气，同时减小在强制排气阶段活塞上行的排气消耗功，因此减小排气背压能够使排气阻力小，发动机动力性提高。

由图7可以看到，在1000～4800 r/min转速区间内，随着排气背压的减小，发动机的扭矩呈现出增大的趋势，与模拟的结果一致。在转速为4800 r/min时，差值达到6 N·m，低于模拟值2 N·m。

图7 扭矩随背压变化

3.3对油耗的影响

在排气门关闭前，随着排气背压的增大，更多缸内EGR进入缸内参与燃烧。导致缸内进温升高，在压缩冲程及燃烧过程中，导致爆震及超级爆震发生的倾向加大，增加发动机运行风险，因此需增加喷油以降低缸内温度，使油耗率上升[5]。另一方面，随着排气背压的增大，在气门重叠期，一部分废气通过排气门进入进气歧管，增大泵气损失，从而使油耗率也随

图8 油耗随背压变化

4　结论

1）针对排气背压对泵气损失的影响进行理论分析，并通过残余废气系数和充气系数的变化来衡量排气背压对泵气损失的影响。理论分析表明，当排气背压增大到排气压力大于进气压力时，此时残余废气系数和充气系数的变化率就越大，废气残余系数越大而充量系数越小，即排气背压的增大带来的泵气损失加剧。

2）建立准确的模型能够模拟出不同的排气背压对泵气损失、扭矩和油耗率的影响。随着排气背压的增大，发动机的泵气损失增大，而理论分析也证明了该趋势。台架试验与模拟实验有较好的一致性。随着排气背压的增大，扭矩、油耗率增大。

参考文献

1董森，袁兆成.汽油机排气消声器对动力性影响的模拟分析[J].现代车用动力.2011（2）：32~36

2刘伯潭，潘书杰.汽车排气系统总成的计算流体力学模拟[J].天津汽车，2008（7）：34~36，41

3辛喆，王顺喜，张寅，等.Urea-SCR催化器压力损失及其对柴油机性能的影响[J].农业工程学报，2011，27（8）：169～173

4吴义磊，刘建祥，乔曌，等.排气背压预测及其对发动机性能的影响研究[J].内燃机，2012（3）：10～12

5徐雅齐，王志，王健昕，等.增压直喷汽油机超级爆震的不同抑制方法[J].内燃机学报，2014，32（1）：26~31

中图分类号：TK411+.12

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）02-0012-04

收稿日期：（2015-01-05）

作者简介：马少康（1984-），男，硕士，工程师，主要从事发动机性能开发、台架标定工作。

Influenceof Exhaust Back Pressureon Engine Perform ance

Ma Shaokang1，2，Liang Tao1，2，Su Yanjun1，2，Qiao Jiawei1，2，Qiao Chuang1，2
1-TechnicalCenter,GreatWallMotor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000,China）
2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Abstract：The presentstudy investigated theeffectofdifferentexhaustback pressures（EBC）on pumping loss torque,fuel consumption rate of GDIengine atWOT load.The influence of exhaustback pressure on pumping losswas theoretic analyzed by the parametersof residual gas coefficientand volumetric efficiency. The boost simulationmodelwas constructed and bench testwas conducted.The result shows thata better match was attained and the simulation was basically accurate.With the increase of exhaustback pressure, fuel consumption rate and pumping losswere increased,exhaustback pressure has insignificanteffect on torque during1000rpm-1500rpm and it is contrary from 1500rpm to 5500rpm with torqueenhanced.

Keywords：Boost simulation，Exhaustback pressure，Torque，Fuel consumption，Pumping loss