发动机内部功耗研究

赵责竣，张春龙

江铃汽车股份有限公司，江西南昌 330003

0 引言

当今，在全球范围内，燃油经济性的重要性日益凸显。随着世界能源消耗的不断增长和环境问题的日益严峻，汽车的燃油经济性成了国际社会亟待解决的问题[1-3]。汽车燃油经济性是衡量车辆运行过程中燃油消耗效率的重要指标，它反映了汽车在满足一定运输需求下，对燃油资源的利用程度，在汽车性能评价中，燃油经济性占据重要地位，而提高发动机的燃油经济性也随之成为发动机开发者目前最重要的工作[4]。对于发动机硬件，改善运动件的功耗、摩擦功耗也迫在眉睫。鉴于此，本文通过测试研究附件和摩擦功耗，判断各附件和各摩擦副在功耗中的占比，并据此改进附件功耗和摩擦功耗以达到改善燃油经济性的目标[5]。

1 发动机内部功耗测试参数及计算

（1）测功机扭矩计算公式为：

式中，MMEP为倒拖平均有效压力，Pa；vd发动机排量，m3；nd为冲程数，四冲程内燃机冲程数为2。

Md可由测功机直接测量出，单位是N·m。

（2）指示扭矩计算公式为：

式中，IMEP为单位气缸容积所做的循环指示功，其直观示意如图1所示。

图1 平均指示压力的直观示意

图1中，Pi为指示平均有效压力，Vi为指示平均有效速度。

当发动机倒拖时，其压力曲线如图2所示，此时由缸压传感器可测出缸内压力大小，故上止点位置的确定对缸压测量值影响较大。上止点位置确定后,发动机压力曲线应与图3所示的压力曲线吻合。

图2 发动机做功时的压力曲线

图3 缸压曲线

（3）发动机内部总功耗的计算公式：

式中，Mf为发动机内部总功耗；Md为发动机总倒托功耗；Mi为发动机泵气损失。

（4）测量结果如下。

①装上缸压传感器进行倒拖时，为得出各部件的总功耗，关注的测量值有测功机扭矩及缸压大小，前者以M来定义，后者以p来定义，所测部件上的总功耗能大小为：

其简化公式如下：

当倒拖进行到第i步时，测功机力矩记录为Mi，缸压记录为Pi（注意单位的换算）； 拆卸某部件后（比如机油泵），即为第i+1 步操作时,测功机力矩记录为Mi+1，缸压记录为Pi+1，按式（4）就可以得出该部件上消耗功值。

②拆卸连杆活塞组时，此时测功机所测力矩大小即为总功耗能，某部件上的总功耗能计算如下：

即把式（4）中后1项去掉，得到该部件上的消耗功。

2 发动机内部功耗测试

2.1 实验准备及技术要求

（1）布置安装所有的传感器。传感器不能安装在弯曲处，以零部件入口或出口前 5～10 cm 合适位置为准，应垂直于管内气体或液体流动方向。

（2）标定相关零部件温度、压力及流量传感器或仪器。

（3）设定台架环境温度，使其恒定在 30～35℃。

（4）确定防冻液配比。根据不同机型选用对应的防冻液配比。

（5）确定机油型号。根据不同机型选用对应机油型号。

（6）根据图4所示台架搭建原理搭建试验台。

图4 台架搭建原理

（7）标定台架温度控制系统。台架温度控制系统能覆盖所测机型外特性上的温度范围。

（8）标定台架机油压力控制系统。台架机油压力控制系统能覆盖所测机型外特性上的机油压力范围。

（9）油底壳容量标定。发动机静止状态下，台架机油温控系统对油底壳机油预热到 90℃时，机油不能超过机油标尺上限刻度。

2.2 试验测试步骤

（1）安装缸压传感器，完成试验前准备工作，发动机启动后，进行发动机功耗试验的倒拖工况下的测试。同时，应控制水温及机油温度。每个点需要稳定10 s再进行测量。另外，根据不同机型可调整测量点，保证测量 8～15 个即可。记录测功机扭矩值及缸压值。

（2）拆卸进排气系统，记录测量结果。此步可得出进排气系统带来的泵气损失值。

（3）拆卸动力转向泵，记录测量结果。此步可得出动力转向泵上消耗功。

（4）拆卸前端皮带及燃油泵，利用台架机油压力系统进行压力控制，记录测量结果。此步可得出机油泵上消耗功。

（5）拆卸连杆活塞，记录测量结果。此步可得出连杆活塞组上消耗功。

（6）拆卸燃油泵滚轮，记录测量结果。此步可得出燃油泵上消耗功。

（7）拆卸真空泵。为保证密封，只拆卸真空泵连接轴滚针，记录测量结果。此步可得出真空泵上消耗功。

（8）拆卸水泵。可只拆水泵叶片，记录测量结果。此步可得出水泵上消耗功。

（9）拆卸前端皮带，记录测量结果。此步可得出前端轮系上消耗功。

（10）拆卸正时链条，记录测量结果。此步可得出曲轴上消耗功。

（11）装回正时链条，拆卸摇臂挺柱，记录测量结果。此步可分别得出气门阀系中凸轮轴、摇臂挺柱的消耗功。

2.3 测量结束

测量结束后，将测量值与理论值误差控制在±5%以内为合格。

3 发动机内部功耗分布

由图5可知，发动机功耗占比主要集中在连杆活塞组、机油泵、真空泵三大块。

图5 发动机功耗占比

4 发动机内部功耗改善优化

发动机内部功耗主要集中在活塞连杆机构、机油泵、燃油泵。活塞连杆机构可以通过选择合适的气缸内壁和活塞环材料、表面处理方式进行优化，以达到在保证气缸密封性和活塞间隙适当的情况下降低接触和滑动摩擦的目标。

机油泵和真空泵都是功能部件，为了降低这两个部件功耗，可在不影响使用功能的情况下降低零部件的输出压力，同时使用低功耗的加压模式。它们消耗的功率随发动机的转速和润滑油黏度的增加而增大，因此应严格把控相关控油品质。

5 结论

在发动机开发阶段，对发动机整机以及各零部件功耗的测试是非常有必要的。此测试方法可以用来分析发动机整机功耗及各零部件功耗。发动机内部功耗的测试主要是为了识别发动机功耗的源头，支持工程师改进设计，提高发动机的净功率。为了更有效地进行功耗测量以及数据的对比分析，应建立完善的功耗数据库，对发动机功耗进行有效的评价及控制，从而为发动机功耗改进提供基础。