发动机排气应用研究

刘刚，吕文芝，谢成武，侯建军

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东潍坊 261061;

2.潍柴动力股份有限公司发动机研究院，山东潍坊 261061

0 引言

从目前车用发动机的热平衡工况来看，用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧总热量的30%～45%(柴油机)或20%～30%(汽油机)，以余热形式排出车外的能量占燃烧总能量的55%～70%(柴油机)或70%～80%(汽油机)，这部分热量主要包括循环冷却水带走的热量和尾气带走的热量[1-2]，如表1所示。

表1 内燃机热平衡表 %

由表1可知，发动机排气带走的热量尚有很大的利用空间，已有很多科研机构和专家致力于此方面研究。从热源来看，国内外汽车余热利用技术，有发动机冷却水余热利用和排气余热利用两种；从用途上来看，有制冷空调、发电、采暖、改良燃料、涡轮增压、室内湿度控制和空气净化等方式[3-5]。

本文中借助驱动桥、变速箱润滑油温度与传动效率的关系，设计发动机排气利用装置，并在动力总成试验台架上进行试验，研究利用发动机排气对驱动桥和变速箱加热，提升润滑油温度进而改善传动效率、减少热车时间。

1 实施方案

1.1 工作原理

通过电控单元的相关变量控制排气,利用装置中的电磁阀开度，对变速箱和驱动桥润滑油温度进行调节，使变速箱和驱动桥润滑油快速达到所需温度，并保持在最佳的工作温度范围内，从而利用发动机排气来降低整车油耗并对传动系统进行快速预热[6]。

1.2 排气利用装置结构

排气利用装置如图1所示。

该装置中的管路主要包括排气管路、排气加热主管路、变速箱处加热管路、驱动桥前桥处加热管路、驱动桥后桥处加热管路等五部分。传感器包括背压传感器、变速箱润滑油温度传感器、驱动桥前桥润滑油温度传感器和驱动桥后桥润滑油温度传感器，用以监测相关参数。执行机构包括背压调节电磁阀、变速箱加热调节电磁阀、驱动桥加热调节电磁阀等[7-8]。

发动机排出的气体既可以通过排气管路排向大气，也可以经由排气加热主管路通过变速箱处加热管路和驱动桥前、后桥处加热管路对变速箱和驱动桥进行加热后再排向大气。

发动机排出的气体经排气管进入后处理箱，当变速箱处电磁阀打开时，排气对变速箱进行加热；当驱动桥加热管路电磁阀打开时，排气对驱动桥进行加热；通过背压调节电磁阀可以实时调整排气背压，以保证能够同时满足整车动力性能的要求。

1.3 控制方法

控制装置连接图如图2所示；具体控制方法及步骤如下。

1)微处理单元通过传感器监测变速箱和驱动桥润滑油温度、排气背压、排气背压电磁阀开度、变速箱处电磁阀开度及驱动桥加热管路电磁阀开度[9]。

2)将所测量的变速箱和驱动桥润滑油温度、排气背压等参数与微处理单元内设定的参数做对比。

3)如果监测参数不在允许范围内，则对变速箱处电磁阀开度、驱动桥加热管路电磁阀开度和排气背压电磁阀开度进行调整，使参数达到要求。当变速箱和驱动桥润滑油温度低于设定温度时，增大变速箱处电磁阀开度和驱动桥加热管路电磁阀开度，反之减小；当排气背压增大，超过发动机尾气正常背压时，增大排气背压电磁阀开度，反之减小[10-13]。

2 实施效果分析

为了验证上述方案的效果，在动力总成试验台架上进行实际管路改造，并在该台架上进行等速油耗、综合工况油耗以及动力总成预热等试验，详细管路布置见图3，具体使用动力总成配置见表2。

表2 动力总成配置

2.1 排气加热对等速油耗的影响

变速箱使用11挡(即直接挡)，这也是日常驾驶的常用挡位，将变速箱和驱动桥润滑油温度控制在60、90、100 ℃ 3种工况下进行等速油耗试验，试验曲线如图4所示。

由图4可知，驱动桥和变速箱润滑油温度从60 ℃提高到90 ℃时，每100 km油耗降低0.43～0.59 L，燃油经济性提高1.0%～1.5%；温度再提高至100 ℃，油耗量变化很小。因此，如果驱动桥和变速箱润滑油温度在行驶中能够控制在90 ℃附近，相应的燃油经济性会有很大提高。

2.2 排气加热对综合油耗的影响

在上述台架上继续运行实际道路采集的路谱，得到车速随时间的变化曲线如图5所示。这也是重卡常用的运行工况。变速箱和驱动桥润滑油温度在80、100 ℃ 2种工况下的综合油耗见表3。

表3路谱综合油耗

变速箱和驱动桥润滑油温度/℃100 km油耗/L8043.0310042.73

由表3可知，驱动桥和变速箱润滑油温度对该路谱的综合油耗的影响为0.7%，驱动桥和变速箱润滑油温度为100 ℃时的100 km综合油耗比80 ℃时低0.3 L。因此，排气加热对于长途运输和寒冷地区的车辆尤为适合。

2.3 排气加热对动力总成预热的影响

对车辆的预热，更多的是关注循环水和机油的温度，对变速箱和驱动桥的油温少有研究。本文中，通过利用排气加热装置，对变速箱和驱动桥的润滑油进行加热，与没有排气加热的预热时间进行试验对比，具体结果曲线如图6所示。

由图6可知，利用排气加热装置，预热时间从试验前的80 min缩短至近40 min，减少约50%，提高了传动效率，同时也使得变速箱和驱动桥的润滑油很快地达到最佳的使用温度区域。

2.4 实际道路运行情况

为更直观地了解变速箱和驱动桥润滑油温度的现状，在不同环境温度条件下进行大量的实际道路试验。

通过实际道路试验结果分析，环境温度为20 ℃时，变速箱和驱动桥润滑油的稳定温度为60～70 ℃，具体曲线见图7；而在寒冷地区，当环境温度-17 ℃时，其稳定温度仅为30～40 ℃，具体曲线见图8。

在很多地区，一年中的大部分时间，变速箱和驱动桥的润滑油温度很低，距离最佳的温度(85～95 ℃)差距很大，特别是在寒冷地区的润滑油温度更低，长期处于低温状态，大大影响整车的各项性能。

3 结语

充分利用未被利用的发动机排气，对变速箱和驱动桥的润滑油进行加热，一方面可以减少整车传动系统的预热时间，特别是在寒冷地区，可以使油温快速达到最佳温度，时间缩短一半；另一方面可以使变速箱和驱动桥润滑油温度保持在最佳温度点，在润滑油自身性能品质允许的范围内提高传动系统的传动效率，整车油耗可降低1.0%～1.5%。