汪曉偉 邱 君 李騰騰 張 琳曲鴻達(dá)

（1-中國汽車技術(shù)研究中心 天津 300300 2-天津利源興科技有限公司）

引言

進(jìn)氣充量溫度是影響發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。對于自然吸氣發(fā)動機(jī)，進(jìn)氣充量溫度即是進(jìn)氣溫度；對于增壓發(fā)動機(jī)，進(jìn)氣充量溫度指的是中冷后的進(jìn)氣歧管溫度。進(jìn)氣充量溫度對發(fā)動機(jī)性能的影響在多種類型發(fā)動機(jī)上均進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究[1]。李紫帝等人[2]通過研究發(fā)現(xiàn)，提高柴油機(jī)中冷溫度，能改善瞬態(tài)測試循環(huán)（WHTC）的NOx排放；肖干等人[3]提出增加進(jìn)氣溫度能拓展汽油直噴壓燃發(fā)動機(jī)的工況范圍。Gowthaman等人[4]及Maurya等人[5]通過對HCCI發(fā)動機(jī)的研究發(fā)現(xiàn)，雖然提高進(jìn)氣溫度能改善燃油的霧化，但由于爆震的可能性增加，限制了HCCI發(fā)動機(jī)的工況范圍；姚春德等人[6]考察了進(jìn)氣溫度對甲醇柴油雙燃料發(fā)動機(jī)性能和排放的影響。研究結(jié)果顯示，在雙燃料模式下，降低進(jìn)氣溫度會降低發(fā)動機(jī)的指示熱效率，但也能降低NOx和碳煙排放。

對于常規(guī)汽油機(jī)，由于輕型汽車國六排放法規(guī)的發(fā)布，實(shí)際行駛污染物排放（RDE）試驗被定為Ⅱ型試驗[7]，而RDE試驗的環(huán)境條件要求為-7~35℃。因此，不同的進(jìn)氣充量溫度勢必影響RDE測試的結(jié)果[8-9]。這就要求汽車制造企業(yè)尤其是汽車發(fā)動機(jī)制造企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)和標(biāo)定過程中必須考慮更周全、更細(xì)致，以解決不同溫度環(huán)境下的排放達(dá)標(biāo)問題。由于進(jìn)氣溫度主要影響汽油機(jī)的進(jìn)氣量，而目前比較主流的增壓汽油機(jī)是通過改變汽油機(jī)的進(jìn)氣壓力來影響汽油機(jī)的進(jìn)氣量，因此有必要就進(jìn)氣充量溫度對增壓和非增壓汽油機(jī)性能的影響程度進(jìn)行研究。本文選取2臺排量接近的汽油機(jī)，其中一臺為自然吸氣進(jìn)氣道噴射（NA-PFI）汽油機(jī)，另一臺為渦輪增壓缸內(nèi)直接噴射（TGDI）汽油機(jī)，研究進(jìn)氣充量溫度對發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的影響程度。

1 試驗設(shè)備和試驗方法

1.1 試驗用汽油機(jī)和試驗設(shè)備

試驗分別在滿足國V排放標(biāo)準(zhǔn)的NA-PFI汽油機(jī)和TGDI汽油機(jī)上進(jìn)行，2臺汽油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。2臺汽油機(jī)均裝有爆震傳感器，ECU可以對點(diǎn)火提前角進(jìn)行控制。

表1 試驗用汽油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

試驗在AVL 250kW電力測功機(jī)上進(jìn)行，主要試驗設(shè)備見表2。

表2 主要試驗設(shè)備

1.2 試驗方法

試驗過程中，通過進(jìn)氣空調(diào)將NA-PFI汽油機(jī)的進(jìn)氣溫度分別控制在25、45、60℃，通過中冷溫度調(diào)節(jié)設(shè)備，將TGDI汽油機(jī)中冷后的溫度分別控制在25、45、60℃，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行外特性試驗。對于TGDI汽油機(jī)，由于在低轉(zhuǎn)速時增壓器并未過多介入，導(dǎo)致試驗過程中中冷后的溫度低于試驗要求。而常規(guī)的中冷溫度控制設(shè)備無法保證中冷后溫度要求，因此開發(fā)了一套帶加熱的中冷溫度控制設(shè)備來實(shí)現(xiàn)溫度控制功能。試驗過程中，冷卻水溫度控制在（85±1）℃。在汽油機(jī)工況穩(wěn)定后，每組數(shù)據(jù)均平行測量2次，取其平均值。氣缸壓力數(shù)據(jù)為所采集300個循環(huán)數(shù)據(jù)的平均值，通過AVL燃燒分析儀對氣缸壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，獲得氣缸壓力峰值、循環(huán)變動等試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果

2.1 進(jìn)氣充量溫度對汽油機(jī)動力性的影響程度

不同進(jìn)氣充量溫度下的NA-PFI汽油機(jī)和TGDI汽油機(jī)外特性平均有效壓力（BMEP）曲線如圖1所示。從圖1a可以看出，對于NA-PFI汽油機(jī)，在節(jié)氣門全開的情況下，隨著進(jìn)氣充量溫度的增加，平均有效壓力降低（除了在1 000 r/min工況下，進(jìn)氣充量溫度為45℃時的平均有效壓力比進(jìn)氣充量溫度為25℃時略高）。并且隨著轉(zhuǎn)速的增加，平均有效壓力降低更加明顯。當(dāng)進(jìn)氣充量溫度由25℃增加到60℃時，轉(zhuǎn)速高于4 000r/min之后，平均有效壓力降幅達(dá)到10%左右。

從圖1b可以看出，對于TGDI汽油機(jī)，在節(jié)氣門全開的情況下，隨著進(jìn)氣充量溫度的增加，平均有效壓力變化幅度并不大。當(dāng)進(jìn)氣充量溫度由25℃增加到60℃時，在轉(zhuǎn)速低于3 000 r/min時，平均有效壓力略有降低。而在轉(zhuǎn)速超過3 000 r/min后，平均有效壓力略有升高。

圖1 進(jìn)氣充量溫度對汽油機(jī)外特性平均有效壓力的影響

從圖1可以明顯地發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣充量溫度對NA-PFI汽油機(jī)動力性的影響遠(yuǎn)大于TGDI汽油機(jī)。

2.2 進(jìn)氣充量溫度對汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響程度

不同進(jìn)氣充量溫度下的NA-PFI汽油機(jī)和TGDI汽油機(jī)外特性比油耗曲線如圖2所示。從圖2可以看出，進(jìn)氣充量溫度對NA-PFI汽油機(jī)油耗的影響遠(yuǎn)高于TGDI汽油機(jī)。從圖2a可以看出，當(dāng)NA-PFI汽油機(jī)的進(jìn)氣充量溫度從25℃增加到45℃時，油耗略有降低。當(dāng)進(jìn)氣充量溫度增加到60℃時，除了轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的工況外，其它工況的油耗均有較大幅度增加。其中，在轉(zhuǎn)速低于4 000 r/min的工況，油耗增幅為6%~13%；在轉(zhuǎn)速高于4 000 r/min的工況，油耗增幅達(dá)到14%~20%。從圖2b可以看出，TGDI汽油機(jī)的進(jìn)氣充量溫度對油耗的影響不是很明顯。在轉(zhuǎn)速低于3 000 r/min的工況，隨著進(jìn)氣充量溫度增加，油耗略有增加；在轉(zhuǎn)速高于3 000 r/min的工況，隨著進(jìn)氣充量溫度增加，油耗略有降低。

圖2 進(jìn)氣充量溫度對汽油機(jī)外特性油耗的影響

3 進(jìn)一步分析

從上述試驗結(jié)果可以看出，隨著進(jìn)氣充量溫度的增加，NA-PFI汽油機(jī)的動力性下降且油耗增加，而TGDI汽油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的變化都不明顯。為此，從進(jìn)氣、點(diǎn)火、燃燒等多個方面對其原因做進(jìn)一步分析。

3.1 進(jìn)氣充量溫度對汽油機(jī)進(jìn)氣的影響

如前所述，進(jìn)氣溫度主要影響汽油機(jī)的進(jìn)氣量。圖3為進(jìn)氣充量溫度對進(jìn)氣壓力的影響。從圖3a可以看出，對于NA-PFI汽油機(jī)，進(jìn)氣充量溫度的改變并未影響進(jìn)氣壓力。因此，進(jìn)氣量主要取決于進(jìn)氣充量溫度。當(dāng)進(jìn)氣充量溫度增加時，進(jìn)氣密度降低，從而導(dǎo)致進(jìn)氣量降低。

從圖3b可以看出，對于TGDI發(fā)動機(jī)，隨著進(jìn)氣充量溫度的增加，增壓壓力增加，表明ECU會根據(jù)進(jìn)氣充量溫度的變化自動調(diào)節(jié)增壓度，從而補(bǔ)償由于進(jìn)氣溫度增加引起進(jìn)氣密度降低所導(dǎo)致的進(jìn)氣量減少。但在低轉(zhuǎn)速時，由于廢氣能量較少，增壓度不大，增壓壓力較低，補(bǔ)償能力相對較低。

由于汽油機(jī)的量調(diào)節(jié)特性，進(jìn)氣充量溫度對進(jìn)氣的影響可從過量空氣系數(shù)反映出來，如圖4所示。從圖4a可以看出，對于NA-PFI汽油機(jī)，在轉(zhuǎn)速高于4 000 r/min時，隨著進(jìn)氣充量溫度的增加，過量空氣系數(shù)保持不變。由于進(jìn)氣充量溫度增加引起進(jìn)氣量降低，噴油量隨之降低，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)速高于4 000 r/min之后出現(xiàn)明顯的功率損失。從圖4b可以看出，進(jìn)氣充量溫度對TGDI汽油機(jī)過量空氣系數(shù)的影響并不大，這主要是由于增壓的補(bǔ)償作用使進(jìn)氣量并沒有顯著變化。

圖3 進(jìn)氣充量溫度對汽油機(jī)進(jìn)氣歧管壓力的影響

圖4 進(jìn)氣充量溫度對汽油機(jī)過量空氣系數(shù)的影響

圖5 進(jìn)氣充量溫度對汽油機(jī)點(diǎn)火提前角的影響

3.2 進(jìn)氣充量溫度對汽油機(jī)點(diǎn)火的影響

隨著進(jìn)氣充量溫度的增加，爆震的傾向增加，因此進(jìn)氣充量溫度會對汽油機(jī)的點(diǎn)火產(chǎn)生影響。圖5為進(jìn)氣充量溫度對點(diǎn)火提前角的影響。圖中縱坐標(biāo)上的0表示上止點(diǎn)，負(fù)值表示發(fā)動機(jī)在上止點(diǎn)前點(diǎn)火，正值表示發(fā)動機(jī)在上止點(diǎn)后點(diǎn)火。沿縱坐標(biāo)方向（負(fù)值→0→正值），點(diǎn)火提前角減小。

從圖5a可以看出，對于NA-PFI汽油機(jī)，隨著進(jìn)氣充量溫度的增加，點(diǎn)火提前角減小。當(dāng)進(jìn)氣充量溫度從25℃增加到45℃時，點(diǎn)火提前角減小比較少。當(dāng)進(jìn)氣充量溫度增加到60℃時，點(diǎn)火提前角減小了3~5°CA。由于隨著進(jìn)氣充量溫度的增加，燃油霧化更好，導(dǎo)致爆震傾向更高，ECU會因此減小點(diǎn)火提前角以降低爆震發(fā)生的可能性。從圖5b可以看出，對于TGDI汽油機(jī)，隨著進(jìn)氣充量溫度的增加，在中低轉(zhuǎn)速時，點(diǎn)火提前角減小了大約1~2°CA。與NA-PFI汽油機(jī)相比，TGDI汽油機(jī)的進(jìn)氣充量溫度對點(diǎn)火提前角的影響更小。

3.3 進(jìn)氣充量溫度對汽油機(jī)燃燒的影響

汽油機(jī)燃燒特性的表征參數(shù)包括氣缸壓力峰值及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角、燃燒持續(xù)期和循環(huán)變動等。其中，燃燒持續(xù)期定義為累計放熱率從5%到90%所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角。循環(huán)變動由循環(huán)變動率（COV）表示[10-11]：

式中：σX為循環(huán)平均指示壓力（IMEP）的標(biāo)準(zhǔn)偏差；Xˉ為平均指示壓力的循環(huán)平均值。

σX的計算公式為：

式中：N=300。

圖6為不同進(jìn)氣充量溫度下氣缸壓力峰值及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。

圖6 進(jìn)氣充量溫度對汽油機(jī)氣缸壓力峰值及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角的影響

從圖6a可以看出，對于NA-PFI汽油機(jī)，進(jìn)氣充量溫度增加，氣缸壓力峰值降低，而氣缸壓力峰值所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角增加。當(dāng)進(jìn)氣充量溫度從25℃增加到60℃時，氣缸壓力峰值最大降低率達(dá)到39%，而氣缸壓力峰值所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角增加了約10°CA。從圖6b可以看出，對于TGDI發(fā)動機(jī)，當(dāng)進(jìn)氣充量溫度從25℃增加到45℃時，在大部分轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，氣缸力壓峰值增加，而氣缸壓力峰值所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角減小。這主要是由于進(jìn)氣充量溫度增加有利于燃油的霧化，從而使燃燒速度加快，氣缸壓力峰值增加。當(dāng)進(jìn)氣充量溫度增加到60℃時，氣缸壓力峰值反而稍有下降，而氣缸壓力峰值所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角增加，特別是在中低轉(zhuǎn)速區(qū)域更是如此。這是因為，進(jìn)氣充量溫度增加過高，雖然有利于燃油霧化，但由于點(diǎn)火提前角減小導(dǎo)致燃燒惡化，降低了氣缸壓力峰值。

圖7為不同進(jìn)氣充量溫度下汽油機(jī)燃燒持續(xù)期和循環(huán)變動的變化曲線。

圖7 進(jìn)氣充量溫度對燃燒持續(xù)期和循環(huán)變動的影響

從圖7a可以看出，對于NA-PFI汽油機(jī)，隨著進(jìn)氣充量溫度的增加，燃燒持續(xù)期延長，循環(huán)變動增加。在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，進(jìn)氣充量溫度為25℃時的燃燒持續(xù)期為20°CA，循環(huán)變動率COV為1.5%。當(dāng)進(jìn)氣充量溫度增加到60℃時，燃燒持續(xù)期增加到30°CA，COV增加到3%。如前所述，進(jìn)氣充量溫度增加，導(dǎo)致點(diǎn)火提前角減小，混合氣膨脹比降低，最高燃燒壓力點(diǎn)曲軸轉(zhuǎn)角增大，后燃增加，燃燒速度減緩，燃燒持續(xù)期增加。同時，由于進(jìn)氣充量溫度增加后爆震傾向增加，ECU在調(diào)整點(diǎn)火提前角的過程中，容易造成燃燒不穩(wěn)定。此外，點(diǎn)火提前角減小，會導(dǎo)致后燃，造成燃燒惡化，循環(huán)變動也隨之變大[9，11-12]。

從圖7b可以看出，對于TGDI汽油機(jī)，隨著進(jìn)氣充量溫度的增加，燃燒持續(xù)期和循環(huán)變動總體上變化不大。原因是：一方面，進(jìn)氣充量溫度的增加雖然有利于燃油的霧化，使燃燒速度加快，燃燒持續(xù)期縮短。但另一方面，進(jìn)氣充量溫度增加將加大爆震傾向，導(dǎo)致ECU減小點(diǎn)火提前角，不利于燃燒。兩方面因素相互作用，導(dǎo)致燃燒持續(xù)期和循環(huán)變動對進(jìn)氣充量溫度變化不敏感。

4 結(jié)論

1）進(jìn)氣充量溫度對NA-PFI汽油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)進(jìn)氣充量溫度從25℃增加到60℃后，NA-PFI汽油機(jī)的平均有效壓力的降低率達(dá)到10%，比油耗的增加率達(dá)到20%。而進(jìn)氣充量溫度對TGDI汽油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性影響較小。

2）進(jìn)氣充量溫度對NA-PFI汽油機(jī)的進(jìn)氣、燃燒和點(diǎn)火均有較大影響。進(jìn)氣充量溫度增加，使進(jìn)氣密度降低，導(dǎo)致進(jìn)氣量降低。過度增加進(jìn)氣充量溫度將加劇爆震傾向，導(dǎo)致點(diǎn)火提前角減小，后燃增加，燃燒持續(xù)期增加，燃燒惡化，從而使NA-PFI汽油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性降低。

3）對于TGDI汽油機(jī)，進(jìn)氣增壓能夠補(bǔ)償由于進(jìn)氣充量溫度增加所引起的進(jìn)氣量損失，最大程度地削弱了進(jìn)氣充量溫度對汽油機(jī)性能的影響，但可能導(dǎo)致渦輪增壓器因使用過度而性能下降。與NA-PFI汽油機(jī)一樣，TGDI汽油機(jī)也存在一個與最佳的動力性和經(jīng)濟(jì)性相對應(yīng)的中冷后進(jìn)氣充量溫度閾值。

4）研究結(jié)果表明，在RDE測試過程中，自然吸氣汽油機(jī)受環(huán)境溫度的影響較大。

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