增压直喷汽油机机械损失及分解摩擦试验研究

第48卷第10期中南大学学报(自然科学版)Vol.48No.10 2017年10月Journal of Central South University(Science and Technology)Oct.2017 DOI:10.11817/j.issn.1672−7207.2017.10.037增压直喷汽油机机械损失及分解摩擦试验研究付建勤1,2，段雄波1,2，刘敬平1,2，周峰1,2，舒俊1,2(1.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙，410082；2.湖南大学先进动力总成技术研究中心，湖南长沙，410082)摘要：基于AVL试验台架，对一款先进车用增压直喷汽油机分别开展整机摩擦试验和分解摩擦试验，研究全转速范围内整机机械损失和各子系统机械损失的变化规律。

研究结果表明：节气门开启与否对整机机械损失压力影响较大；在中低转速区域，节气门开启后发动机机械损失压力明显下降；但在高转速区域，发动机机械损失压力上升；在节气门开启时，增压器才对发动机倒拖功率有影响；随着转速增加，附件损失和曲轴损失所占百分比变化很小，气门机构损失所占百分比逐渐减小，而活塞连杆损失百分比逐渐增加；在低转速时，发动机机械损失主要为气门机构损失，1000r/min时达到52.3%；在高转速时，除附件损失外，其余3种损失大体相当。

以上规律为提高增压直喷汽油机的机械效率提供依据。

关键词：汽油机；机械损失；泵气损失；机械效率；倒拖试验中图分类号：TK417文献标志码：A文章编号：1672−7207(2017)10−2830−06Experimental study on mechanical loss and friction decomposition ofa turbocharged direct injection gasoline engineFU Jianqin1,2,DUAN Xiongbo1,2,LIU Jingping1,2,ZHOU Feng1,2,SHU Jun1,2(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University,Changsha410082,China;2.Research Center for Advanced Powertrain Technologies,Hunan University,Changsha410082,China)Abstract:The engine motored test and friction decomposition test were conducted on an advanced turbocharged direct injection gasoline engine based on AVL test bench,and then the engine friction losses and various subsystem friction losses were obtained in the whole speed range.The results show that the state of throttle has an obvious effect on the engine mechanical loss.At the low and middle speed,when the throttle is opened,the engine mechanical loss decreases obviously;but at the high speed,the engine mechanical loss rises.Only when the throttle is opened,the turbocharger will have effect on the engine motored power.With the increase of engine speed,the percentages of attachment loss and crankshaft friction loss only change a little.The percentage of valve train loss decreases gradually,while the percentage of piston and connecting rod friction loss increases gradually.At the low speed,the engine mechanical loss is mainly in form of valve train loss,and its percentage goes up to52.3%at1000r/min.At the high speed,the remaining three losses are close to each other except the attachment loss.The above rules have provided basic data for improving the mechanical efficiency of turbocharged direct injection gasoline engine.Key words:gasoline engine;mechanical loss;pumping loss;mechanical efficiency;motored test收稿日期：2016−10−07；修回日期：2016−12−04基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51506050，51376057)(Projects(51506050,51376057)supported by the National Natural Science Foundation of China)通信作者：付建勤，博士，副教授，从事发动机性能开发与优化研究；E-mail：fujianqinabc@第10期付建勤，等：增压直喷汽油机机械损失及分解摩擦试验研究2831在动力机械中，内燃机由于功率和转速范围广、热效率高、燃料适应性好、能量密度高等多项优点，在各行各业中都得到了广泛应用[1]。

近年来，随着石油危机和环境污染的日益严重，人们对传统内燃机的节能减排提出了愈来愈高的要求。

由内燃机热平衡理论可知，内燃机的缸内膨胀功有相当一部分被摩擦损失、附件损失和泵气损失所消耗[2]，这3项损失统称为内燃机的机械损失。

由于机械损失的存在，缸内指示功不可避免地减小，从而导致内燃机有效热效率与指示热效率具有较大的偏差。

提高内燃机的机械效率，减少机械损失及其所占内燃机总功的比例，是改善内燃机动力性和经济性的重要途径之一，同时对于提高内燃机各个运动部件的使用寿命具有重要的意义[3]。

为了降低内燃机的机械损失，国内外学者在整机机械损失测试和计算方法、摩擦损失影响因素以及对内燃机性能影响等方面相继开展了大量的研究[4−10]。

FOX[11]采用数值计算方法研究了通过降低摩擦损失对重型柴油机燃油经济性的改善潜力。

URAS等[12]提出将IMEP法用于活塞组摩擦力的测量，并用这种方法测量了低速时内燃机活塞组的摩擦力。

张启等[13]通过研究活塞组加速度、部分连杆体质量的惯性力和连杆简化方式对摩擦力测量结果产生的影响，进一步提高了IMEP法测量活塞组摩擦力的计算精度。

杜家益等[14]采用倒拖法对一款高速直喷柴油机的机械损失功率进行了试验研究，结果表明，摩擦损失功率约占整机机械损失功率的60%，并对该型柴油机的机械损失功率进行了预测，提出了该型柴油机机械损失功率的经验公式。

虽然国内外对内燃机的机械损失形成机理及影响因素开展了广泛的研究，但主要是针对传统汽油机或柴油机，而对于目前国际上主流的先进增压直喷汽油机的研究还较少，尤其缺乏全工况范围的试验数据。

为此，本文作者针对一款先进车用增压直喷汽油机，开展各种状态下的整机机械损失试验和分解摩擦试验，对该机机械损失的变化规律、主要影响因素进行了分析，揭示各子系统机械损失所占比例及其影响因素，以便为提高增压直喷汽油机的机械效率提供理论依据与数据支撑。

1试验对象和方法本研究的试验对象为1台排量为1.4L、轿车用直列四缸增压直喷汽油机，其主要结构和性能参数见表1。

试验台架为AVL自动控制试验台，测功机为AVL 交流电力测功机，发动机水温控制单元和机油温控单元分别为AVL553和AVL554。

主要测试仪器和设备见表2。

其中，AVL测功机的精度为扭矩±0.3%，转速±0.5%。

发动机机械损失的测试方法有停缸法、倒拖法、油耗线法和示功图法等。

在电力测功机条件下，倒拖法不失为一种简便可行的发动机机械损失测试方法，并且在冷却水温度和机油温度保持不变的条件下，测试精度较高[15]。

因此，本研究采用倒拖法对该增压直喷汽油机的机械损失进行测试。

首先进行整机摩擦试验，分别研究带增压器与不带增压器、节气门开启与关闭等条件下整机的机械损失水平及泵气损失差异。

整机摩擦试验的方法及流程如下：1)拆掉发动机空滤器和增压器涡轮机出口后所有管路；2)节气门全开；3)设置冷却水温和机油温度为90℃。

待发动机水温在(88±5)℃，主油道机油温度在(95±5)℃范围时即可开始试验；4)切断油路，使管路中剩余的燃料耗尽；5)切断喷油和点火线路，用电力测功机拖动发动机；6)从5200r/min起，按照外特性试验工况测试点逐步降低转速，即3000r/min以上转速间隔为500 r/min，2000~3000r/min转速间隔为250r/min，1000~ 2000r/min转速间隔为200r/min。

试验在发动机熄火后3min以内完成。

表1增压直喷汽油机基本参数Table1Specifications of turbocharged direct-injected engine 参数数值或类型发动机型式直列4缸、四冲程、水冷、双顶置凸轮轴、进气VVT 缸径/mm76.5行程/mm75.6排量/L 1.39压缩比10:1点火顺序1−3−4−2额定功率/kW96最大转矩/(N·m)220增压方式涡轮增压+中冷喷油方式缸内直喷中南大学学报(自然科学版)第48卷28327)节气门全关，重复3)~6)试验；8)拆掉增压器，重复2)~7)试验。