背压对发动机性能的影响分析及试验研究

第53卷第8期

53卷第No．Vol．第53期88

农业装备与车辆工程

AGRICULTURALEQUIPMENT&VEHICLEENGINEERING

2015年8月

August2015

doi：10．3969／j．issn．1673－3142．2015．08．015

背压对发动机性能的影响分析及试验研究

李鹏鹏1，窦红印1，赖泽隆1，汪记伟1，王瑞平1，2

（1．315330浙江省宁波市宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司；2．315800浙江省宁波市浙江吉利罗佑发动机有限公司）

［摘要］对涡轮增压发动机排气背压对其性能的影响进行理论分析，重点分析了背压对充气效率的影响和排气系统功率损失两个方面。在分析的基础上对某涡轮增压发动机进行了相关试验研究，得到了不同极限背压条件下发动机的外特性数据，重点分析了排气背压对发动机动力性及经济性的影响，可为排气系统设计或选型提供参考。

［关键词］背压；涡轮增压；试验；发动机性能；功率损失［中图分类号］U467．2

［文献标志码］A

［文章编号］1673-3142(2015)08-0061-06

AnalysisandExperimentalResearchofExhaustBackPressure’s

InfluenceonPerformanceofTurbochargingEngine

LiPengpeng1，DouHongyin1，LaiZelong1，WangJiwei1，WangRuiping1，2

（1．NingboGeelyLuoyouEnginePartsCo．，Ltd．，NingboCity，ZhejiangProvince315800，China；

2．ZhejiangGeelyLuoyouEngineCo．，Ltd．，NingboCity，ZhejiangProvince315800，China）

［Abstract］Theoreticalanalysisofexhaustbackpressure’sinfluenceonturbochargingengineperformancewasconducted．

Exhaustbackpressure’sinfluenceonvolumetricefficiencyandpowerlossoftheexhaustsystemwereselectivelyanalyzed．Experimentalresearchofcertainturbochargingenginewasconductedbasedonthetheoreticalanalysis；meanwhile，fullloadcharacteristicsdataunderdifferentpeakexhaustbackpressureswasachieved．Exhaustbackpressure’sinfluenceonpowerperformanceandeconomicefficiencywereselectivelyanalyzed，providingguidanceonexhaustsystemdesignorselection．

［Keywords］backpressure；turbocharging；test；engineperformance；powerloss

0引言

排气系统的作用是将发动机产生的废气排出发动机，并最终排放到大气中去［1－2］。排气背压是排气系统设计的重要指标之一，排气背压过高会造成尾气流通阻力的增大，排气所消耗的发动机功率增多，并降低发动机燃烧效率，从而在一定程度上影响发动机的动力性和燃油经济性噪声水平变差。

本文对涡轮增压发动机排气背压与其性能的关系进行理论分析，重点分析了排气系统功率损失和背压对充气效率的影响两个方面。在分析的基础上对某涡轮增压发动机进行了相关试验研究，得到了不同极限背压（发动机全速全负荷状态下的背压）条件下发动机的外特性数据，并对试验数据进行了详细的剖析。重点分析了不同极限背压下发动机动力性及经济性的变化，可为排气系

收稿日期：2014－12－31

修回日期：2015－02－09

［1］

［3－6］

统设计或选型提供参考。

1排气背压对发动机性能影响理论分析

1．1排气系统功率损失

排气系统的背压是指排气多支管出口处的压力与大气压之间的差值，形成的原因是管道对气流的阻碍和气流之间的摩擦阻碍。排气背压由排气过程中摩擦阻力和局部阻力两部分产生，排气过程中的功率损失主要由摩擦阻力损失和局部阻力损失两部分组成。摩擦阻力损失发生在排气系统管道壁面上，是由于废气与管道壁面摩擦而产生的，该部分阻力损失的大小由管壁粗糙度和尾气流动速度共同决定。摩擦阻力损失可通过下式进行估算［7－8］：

2

Lρv（1）ΔEf＝λ

式中：ρ———流体密度；L———管道长度；d———管道横截面等效直径；λ———摩擦阻力系数；v———截

，排气

背压过小则会造成排气系统设计成本增加，导致

面上的平均气体流速。

62

农业装备与车辆工程2015年

局部阻力损失发生于排气系统中各流通截面突变处，主要集中在排气系统管路、消声器内气流通道收缩／扩张等截面积突变处。在流通截面突变处，气体的压能、动能发生突变，流速突变形成漩涡并加剧流体间的动量交换，增大能量损耗，同时进一步加剧了流体之间的摩擦损失。局部阻力损失取决于管路局部结构、管道直径和流体速度。局部阻力损失可通过下式估算：

2v·ΔEp＝ερ废气量增加。

充气效率ηv是指实际进入发动机气缸的新鲜充量与进气状态（增压器压气机出口的气体状态）下充满气缸工作容积的新鲜充量之比。

ηv＝V＝mss

（3）

式中：V1，m1———实际进入发动机气缸新鲜充量的体积和质量；V2，m2———进气状态下充满发动机气缸新鲜充量的体积和质量。

充气效率是评价发动机换气过程完善程度的指标，ηv高代表每个工作循环进入发动机气缸的新鲜充量多，则对应的发动机功率和转矩相应增加。对发动机排气过程分析可知，排气系统背压增大时，废气流动困难，残余废气量增加，最终导致充气效率降低，发动机燃烧效率降低［9－10］。

（2）

其中：ε———局部阻力系数，与管道截面积相关；——截面上的平均气体流速。v—

由此，排气背压的增大意味着排气系统摩擦阻力损失、局部阻力损失的增大，直接导致排气功率损失的增大，继而降低发动机的输出功率，增加油耗量。

1．2背压对发动机充气效率的影响分析

为分析背压对发动机充气效率的影响，需要先对发动机的换气过程，尤其是排气过程进行分析。

发动机的排气过程包含自由排气和强制排气两个阶段。自由排气阶段是指从排气门开启到气缸内压力接近于排气管压力时段，强制排气是指废气被上行的活塞强行推出气缸阶段。

自由排气阶段，废气会经历超临界状态流动和亚临界状态流动。在超临界状态，气缸与排气管之间存在着较大的压差，气缸压力与排气管压力之比大于临界值1．9，此状态下排出气缸的废气流量与排气管压力无关。随着气缸内废气大量高速留出，废气流动进入亚临界状态。此时，气缸与排气管间的压力差是废气流动的唯一动力源。当气缸内压力与排气管内压力相近时，自由排气阶段结束。自由排气阶段相对较短，但因为废气流速高，此阶段排出的废气量达到总废气量的60％以上。随着自由排气阶段的结束，排气过程进入强制排气阶段。废气被上行活塞强制推出，此过程中需克服排气系统的阻力，气缸与排气管间压力差达到10kPa左右。强制排气过程中废气流速越高，排气动力源（压差）越大，功率损耗亦越多。

由上述分析可以知道，排气管内背压增高会导致自由排气阶段相对提前结束，相对提早进入强制排气阶段，且在强制排气阶段会导致废气流动困难，最终会造成废气排出量相对减少，残余

2背压试验

2．1试验目的

对某涡轮增压发动机进行测试，得到不同极限背压条件下发动机的性能数据，为分析不同极限背压下发动机动力性及经济性的变化提供数据基础，对理论分析进行验证并为排气系统设计提供参考。

2．2试验设备

本试验在AVL发动机性能试验台上进行，试验台的主要技术规格见表1，试验台架见图1。

表1发动机性能试验台主要技术规格

Tab．1Maintechnicalspecificationsofengineperformancetestbench

AVL电力流测功机SL202

功率范围／kW扭矩加载范围／N·m转速范围／（r／min）

10～2020－5000～8000

AVL废气背压阀DN80

0～10VDC0V－0％，阀门关闭；10V－100％，阀门全开

发动机功率250kW

控制线控制范围／kW

AVL燃油质量流量计735S

量程／（kg／h）测量精度

0～100≤±0．1％FS

2．3被试发动机部分技术参数

某涡轮增压发动机部分技术参数如表2。

2．4试验方法

为了测试不同极限背压对发动机性能数据的

第53卷第8期李鹏鹏等：背压对发动机性能的影响分析及试验研究

63

催化前背压（压力测量点位于涡轮增压器与三元

涡轮增压器

三元催化器

催化器之间，见图2）达到所要求的极限背压（设定目标值为45、47、49、52kPa，根据实际情况在设计值附近选取）；②保持废气背压阀开度不变，测量外特性数据；③在全速全负荷工况下通过

PUMAopen系统调节背压阀的开度，使催化前背压达到所要求的下一个目标极限背压值；④保持

废气背压阀开度不变，测量外特性数据；⑤重复上

背压阀图1某涡轮增压发动机背压测试试验台

述步骤，直至所要求的极限背压条件全部实现。为减小试验误差带来的干扰，本试验的每个工况点进行3次采样取平均值。

Fig．1ATurbochargingengineexhaustbackpressuretestbench

表2某涡轮增压发动机部分技术参数

2．5试验结果及分析

涡轮增压器

Tab．2Technicalparametersofaturbochargingengine部分参数发动机形式最大净功率／kW·最大净扭矩／（Nm）·低速扭矩／（Nm）怠速转速／（r／min）额定转速／（r／min）使用机油

发动机型号

某涡轮增压发动机涡轮增压汽油机

催前背压测点

98（5500r／min）185（2000～4500r／min）

119（1500r／min）

750±305500SAE5W－30，4．0L

图2催前背压测量点示意图三元催化器

影响，根据GB／T18297－2001《汽车发动机性能试验方法》中对发动机性能试验要求，结合企业内部标准及试验目的进行试验，试验执行工况如表3所示。试验执行过程如下：①在全速全负荷工况下，通过PUMAopen系统调节背压阀的开度，使

Fig．2Exhaustbackpressuremeasuringpoint

通过发动机背压试验获得了不同极限背压条件下（Pmax＝45，47，49，52kPa），背压（PB）、功率（P）、扭矩（T）、增压压力（PI）、平均有效压力（BMEP）、

表3发动机背压测试工况表

Tab．3Workingconditionsofengineexhaustbackpressuretest发动机转速N＿speed

／（r／min）

功率P

扭矩T·／（Nm）

增压压力P平均有效压力燃油消耗率FUCO催前背压PB

·／kPa／（g／kW／kPaBMEP／barh）

／kW************

550052004800

极限背压Pmax＝45kPa（极限背压Pmax＝47kPa极限背压Pmax＝49kPa极限背压Pmax＝52kPa）

************

************

************

************

************

440040003600320028002400160012001000

64

农业装备与车辆工程2015年

燃油消耗率（FUCO）随发动机转速的变化曲线，如图3、图4所示。由于设定的目标极限背压值是根据实际情况在设计值附近选取，因此发动机的性能曲线不会发生剧烈的波动。从整体变化曲线上经济性才出现一定程度波动，因此试验数据分析主要针对高转速工况（3000r／min以上）。

处理得到了不同极限背压下，功率随发动机转速变化曲线（见图5）。

变量

2．5．1背压对功率的影响分析

200180160140120100806040200

变量

扭矩

PB＿Pmax＝45PB＿Pmax＝47PB＿Pmax＝49PB＿Pmax＝52P＿Pmax＝45P＿Pmax＝47P＿Pmax＝49P＿Pmax＝52T＿Pmax＝45T＿Pmax＝47T＿Pmax＝49T＿Pmax＝52

发动机功率／kW

可以看出，只有在转速较高时发动机的动力性和

9080706050403020100

P＿Pmax＝45P＿Pmax＝47P＿Pmax＝49P＿Pmax＝52

发动机性能数据

1120000016020002400028003200360040044004800052055000

发动机转速／（r／min）

95

变量P＿Pmax＝45P＿Pmax＝47P＿Pmax＝49P＿Pmax＝52

功率背压

发动机功率／kW

908580757065

3200

3600

4000

4400

4800

52005500

图3不同极限背压下，功率、扭矩、背压随发动机转速变化曲线

Fig．3Changingcurvesofpower，torqueandbackpressurewithenginespeedunderdifferentpeakbackpressurevalues

400

燃油消耗率

变量PI＿Pmax＝45PI＿Pmax＝47PI＿Pmax＝49PI＿Pmax＝52BMEP＿Pmax＝45BMEP＿Pmax＝47BMEP＿Pmax＝49BMEP＿Pmax＝52FUCO＿Pmax＝45FUCO＿Pmax＝47FUCO＿Pmax＝49FUCO＿Pmax＝52

1000120016020002400028032003600040044004800052550000

发动机转速／（r／min）

发动机转速／（r／min）

图5不同极限背压下，功率随发动机转速变化曲线

Fig．5Changingcurveofpowerwithenginespeed

underdifferentpeakbackpressurevalues

发动机性能数据

3002001000

分析关系曲线可以看到，极限背压为试验过程中设定的最大值52kPa时，在各个转速点发动机的有效功率始终比其他低极限背压工况低，这与理论分析相一致，说明背压会降低发动机有效功率。对于功率与背压的关系，有研究给出了排气系统平均背压与发动机功率的关系图（如图6），图6是对很多发动机的功率和排气系统背压进行统计分析后得到的一个平均值［4］。

发动机功率比例／％

1009590858075700

5

10

15

20

25

30

增压压力

平均有效压力

Fig．4Changingcurvesoffuelconsumptionrate，boostpressureandmeaneffectivepressurewithenginespeedunderdifferentpeakbackpressurevalues

发动机的有效功率是指发动机通过曲轴对外输出的功率，功率可通过下式计算得到：

·nP＝T9550

（5）

式中：T———发动机有效转矩，可通过台架上的扭矩法兰直接测出；n———发动机转速，可通过试验台上的转速传感器直接测出。

发动机的有效功率和转速均是实测值，因此试验所获得的曲线能够真实反映发动机输出功率随发动机转速的变化关系。通过对试验数据进行

1

1200001600200024002800032036000400440480005205500006100

发动机转速／（r／min）

图4不同极限背压下，燃油消耗率、增压压力、

平均有效压力随发动机转速变化曲线

排气背压／inchHg

图6排气系统平均背压与发动机功率的关系

Fig．6Changingcurveofenginepowerwithaveragebackpressurevalues

通过以上统计图可以得到：①发动机的功率

第53卷第8期李鹏鹏等：背压对发动机性能的影响分析及试验研究

65

与排气背压存在线性关系；②发动机功率随背压增大而降低；③背压每增加1英寸汞柱的压力（对应的压力约为3．385kPa，1inch＝25．4mm），发动机功率损失约为0．7％。在本次背压试验过程中，全速全负荷工况下，极限背压从45．6kPa提高到

速大于3200r／min后，发动机扭矩产生明显的下降，证明了背压会降低发动机有效扭矩，这与理论分析相一致。在本次背压试验过程中，全速全负荷工况下，极限背压从45．6kPa提高到52．16kPa（增大6．56kPa），对应的实测扭矩从160．95N·m下降到158．27N·m（扭矩下降比例为1．665％）。

52．16kPa（增大6．56kPa），对应的实测功率从

92．7kW下降到91．13kW（功率下降比例为1．694％）。若按照以上所述统计图表进行预测，背压增大6．56kPa，对应的功率下降比例预测值为1．357％，虽然两者存在一定的差异，但很接近。因

此，上述统计结果可用于背压对功率影响，进行定性预测判定。

2．5．3背压对燃油消耗率的影响分析

燃油消耗率FUCO是指发动机单位有效功的燃油消耗量，可通过下式计算得到：

FUCO＝B×1000

P

流量计直接测出；P———发动机有效功率，kW。

（5）

式中：B———每小时耗油量，kg／h，可通过燃油质量

发动机的燃油消耗率由实测值计算得到，因此试验所获得的曲线能够真实反映发动机燃油消耗率随发动机转速的变化关系。通过对试验数据进行处理得到了不同极限背压下，燃油消耗量随发动机转速变化曲线（见图8）。

400

变量FUCO＿Pmax＝45

FUCO＿Pmax＝47FUCO＿Pmax＝49FUCO＿Pmax＝52

2．5．2背压对扭矩的影响分析

发动机有效扭矩T是指发动机通过曲轴输出的转矩，可通过试验台架上的扭矩法兰直接测出，因此试验所获得的曲线能够真实反映发动机输出扭矩随发动机转速的变化关系。通过对试验数据进行处理，得到了不同极限背压下扭矩随发动机转速变化曲线（见图7）。

200

变量T＿Pmax＝45T＿Pmax＝47T＿Pmax＝49T＿Pmax＝52

燃油消耗率／（g／kW·h）

375350325300275250

发动机扭矩／（N·m）

180160140120100

10

12000160020000240028032003600400004404800520055000

1012000160020000240280003200360400044004800520550000

发动机转速／（r／min）

变量

发动机转速／（r／min）

200

变量T＿Pmax＝45T＿Pmax＝47T＿Pmax＝49T＿Pmax＝52

400

燃油消耗率／（g／kW·h）

380360340320300

FUCO＿Pmax＝45

FUCO＿Pmax＝47FUCO＿Pmax＝49FUCO＿Pmax＝52

发动机扭矩／（N·m）

190180170160

3200360040004400

480052005500

3200360040004400480052005500

发动机转速／（r／min）

图8不同极限背压下，燃油消耗率随发动机转速变化曲线

发动机转速／（r／min）

图7不同极限背压下，发动机扭矩随转速变化曲线

Fig．8Changingcurveoffuelconsumptionratewithenginespeedunderdifferentpeakbackpressurevalues

Fig．7Changingcurveoftorquewithenginespeedunderdifferentpeakbackpressurevalues

由图7可知，极限背压为试验过程中设定的最大值为52kPa时，在各个转速点发动机的有效扭矩比其他低极限背压工况低。尤其当发动机转

分析关系曲线可以看到，极限背压为试验过程中设定的最大值52kPa时，在各个转速点发动机的燃油消耗率要高于其他低极限背压工况。尤

66

农业装备与车辆工程

究［J］．内燃机，2012（3）：10－12．［2］［3］［4］［5］［6］［7］［8］［9］

2015年

其当发动机转速大于3200r／min后，燃油消耗率明显增大，油耗增高，证明了背压增大会加大发动机燃油消耗率，提高油耗，这与理论分析结果相一致。在本次背压试验过程中，全速全负荷工况下，极限背压从45．6kPa提高到52．16kPa（增大6．56·kPa），对应的燃油消耗率从388．88g／（kWh）增大

到404．40g／（kW·h）（油耗增加比例为3．991％）。

尹永学．浅析汽车排气系统的设计［C］．重庆汽车工程学会

2008年学术论文集．2008．

谷芳，刘伯潭，程魁玉．歧管式催化转化器流场分析与结构改进［J］．汽车工程，2007，12（29）：1066－1069．

庞剑．汽车噪声与振动［M］．北京：北京理工大学出版社．

2006．

刘晨，季振林，郭小林，等．汽车排气消声器结构形式对压力损失的影响［J］．汽车工程，2008，12（30）：1113－1116．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］．汽现代车用动力，2011（5）：32－36．

赵楠楠．发动机排气系统优化设计及应用分析［D］．武汉：武汉理工大学，2012．

赵世举．排气消声器压力损失仿真于试验研究［D］．重庆：重庆大学，2010．

冯健璋．汽车发动机原理与汽车理论［M］．北京：机械工业出版社，2013．

［10］周龙宝．内燃机学［M］．北京：机械工业出版社，2005．作者简介李鹏鹏（1989－），男，工学硕士，工程师，主要从事7速双离合变速器试验开发、动力总成试验开发，E－mail：

3结语

本文对涡轮增压发动机排气背压与其性能的关系进行理论分析，重点分析了排气系统功率损失和背压对充气效率的影响两个方面，并在分析的基础上对某涡轮增压发动机进行了相关试验研究，得到了不同极限背压条件下发动机的外特性数据，重点分析了背压对发动机动力性及经济性的影响，可为排气系统设计或选型提供参考。

参考文献

［1］

吴义磊，刘建祥．排气背压预测及其对发动机性能的影响研

lipengpeng1＠rd．geely．com

福特开发智能汽车前大灯夜间行路更安全

美国福特汽车公司（FordMotor）于2015年7月17日宣布，该公司正在开发拥有更加智能的功能的新型汽车前大灯。除了已投入使用的先进前大灯系统和交通标识识别功能之外，新型车灯还将增加多项功能，例如使用前摄像头和红外线传感器在环形交叉路口向两侧扩大照明角度的功能，以及在难以看清的夜晚远距离发现行人后照射聚光灯的功能。

新型系统使用GPS信息来识别行驶路线的曲率及倾斜，有效扩大照明角度。在不能使用GPS时，利用嵌入车门镜的摄像头来检测车道，预测道路的曲率。更先进的款式可利用导航仪来记忆这些信息，当再次通过相同的路线时会自动优化照明角度。另外，在环形交叉路口识别交通标识时，

还会自动向两侧扩大照明角度。而以前是始终向环形交叉路口的内侧扩大照明角度，因此很难看到出口。

聚光灯功能可在夜间用摄像头拍摄最远120m处的道路，检测道路黑暗处的行人、自行车及大型动物等，通过向这些移动物体的方向照射聚光灯来引起驾驶员的注意。

在夜间，尤其是无照明的道路上，发生事故的危险升高。特别是行人及骑自行车的人更容易遭遇事故，很多时候还会严重受伤，甚至死亡。而福特正在开发的新功能能够比驾驶员更早发现处于黑暗中的行人等移动物体，为避免事故赢得了时间，从而有助于减少事故。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j8g4.html