进气充量温度对汽油机性能影响程度的研究*

汪晓伟 邱 君 李腾腾 张 琳曲鸿达

（1-中国汽车技术研究中心 天津 300300 2-天津利源兴科技有限公司）

引言

进气充量温度是影响发动机性能的关键参数之一。对于自然吸气发动机，进气充量温度即是进气温度；对于增压发动机，进气充量温度指的是中冷后的进气歧管温度。进气充量温度对发动机性能的影响在多种类型发动机上均进行了比较详细的研究[1]。李紫帝等人[2]通过研究发现，提高柴油机中冷温度，能改善瞬态测试循环（WHTC）的NOx排放；肖干等人[3]提出增加进气温度能拓展汽油直喷压燃发动机的工况范围。Gowthaman等人[4]及Maurya等人[5]通过对HCCI发动机的研究发现，虽然提高进气温度能改善燃油的雾化，但由于爆震的可能性增加，限制了HCCI发动机的工况范围；姚春德等人[6]考察了进气温度对甲醇柴油双燃料发动机性能和排放的影响。研究结果显示，在双燃料模式下，降低进气温度会降低发动机的指示热效率，但也能降低NOx和碳烟排放。

对于常规汽油机，由于轻型汽车国六排放法规的发布，实际行驶污染物排放（RDE）试验被定为Ⅱ型试验[7]，而RDE试验的环境条件要求为-7~35℃。因此，不同的进气充量温度势必影响RDE测试的结果[8-9]。这就要求汽车制造企业尤其是汽车发动机制造企业在产品开发和标定过程中必须考虑更周全、更细致，以解决不同温度环境下的排放达标问题。由于进气温度主要影响汽油机的进气量，而目前比较主流的增压汽油机是通过改变汽油机的进气压力来影响汽油机的进气量，因此有必要就进气充量温度对增压和非增压汽油机性能的影响程度进行研究。本文选取2台排量接近的汽油机，其中一台为自然吸气进气道喷射（NA-PFI）汽油机，另一台为涡轮增压缸内直接喷射（TGDI）汽油机，研究进气充量温度对发动机动力性和经济性的影响程度。

1 试验设备和试验方法

1.1 试验用汽油机和试验设备

试验分别在满足国V排放标准的NA-PFI汽油机和TGDI汽油机上进行，2台汽油机的主要技术参数见表1。2台汽油机均装有爆震传感器，ECU可以对点火提前角进行控制。

表1 试验用汽油机的主要技术参数

试验在AVL 250kW电力测功机上进行，主要试验设备见表2。

表2 主要试验设备

1.2 试验方法

试验过程中，通过进气空调将NA-PFI汽油机的进气温度分别控制在25、45、60℃，通过中冷温度调节设备，将TGDI汽油机中冷后的温度分别控制在25、45、60℃，在此基础上进行外特性试验。对于TGDI汽油机，由于在低转速时增压器并未过多介入，导致试验过程中中冷后的温度低于试验要求。而常规的中冷温度控制设备无法保证中冷后温度要求，因此开发了一套带加热的中冷温度控制设备来实现温度控制功能。试验过程中，冷却水温度控制在（85±1）℃。在汽油机工况稳定后，每组数据均平行测量2次，取其平均值。气缸压力数据为所采集300个循环数据的平均值，通过AVL燃烧分析仪对气缸压力数据进行计算处理，获得气缸压力峰值、循环变动等试验数据。

2 试验结果

2.1 进气充量温度对汽油机动力性的影响程度

不同进气充量温度下的NA-PFI汽油机和TGDI汽油机外特性平均有效压力（BMEP）曲线如图1所示。从图1a可以看出，对于NA-PFI汽油机，在节气门全开的情况下，随着进气充量温度的增加，平均有效压力降低（除了在1 000 r/min工况下，进气充量温度为45℃时的平均有效压力比进气充量温度为25℃时略高）。并且随着转速的增加，平均有效压力降低更加明显。当进气充量温度由25℃增加到60℃时，转速高于4 000r/min之后，平均有效压力降幅达到10%左右。

从图1b可以看出，对于TGDI汽油机，在节气门全开的情况下，随着进气充量温度的增加，平均有效压力变化幅度并不大。当进气充量温度由25℃增加到60℃时，在转速低于3 000 r/min时，平均有效压力略有降低。而在转速超过3 000 r/min后，平均有效压力略有升高。

图1 进气充量温度对汽油机外特性平均有效压力的影响

从图1可以明显地发现，进气充量温度对NA-PFI汽油机动力性的影响远大于TGDI汽油机。

2.2 进气充量温度对汽油机经济性的影响程度

不同进气充量温度下的NA-PFI汽油机和TGDI汽油机外特性比油耗曲线如图2所示。从图2可以看出，进气充量温度对NA-PFI汽油机油耗的影响远高于TGDI汽油机。从图2a可以看出，当NA-PFI汽油机的进气充量温度从25℃增加到45℃时，油耗略有降低。当进气充量温度增加到60℃时，除了转速为1 000 r/min的工况外，其它工况的油耗均有较大幅度增加。其中，在转速低于4 000 r/min的工况，油耗增幅为6%~13%；在转速高于4 000 r/min的工况，油耗增幅达到14%~20%。从图2b可以看出，TGDI汽油机的进气充量温度对油耗的影响不是很明显。在转速低于3 000 r/min的工况，随着进气充量温度增加，油耗略有增加；在转速高于3 000 r/min的工况，随着进气充量温度增加，油耗略有降低。

图2 进气充量温度对汽油机外特性油耗的影响

3 进一步分析

从上述试验结果可以看出，随着进气充量温度的增加，NA-PFI汽油机的动力性下降且油耗增加，而TGDI汽油机动力性和经济性的变化都不明显。为此，从进气、点火、燃烧等多个方面对其原因做进一步分析。

3.1 进气充量温度对汽油机进气的影响

如前所述，进气温度主要影响汽油机的进气量。图3为进气充量温度对进气压力的影响。从图3a可以看出，对于NA-PFI汽油机，进气充量温度的改变并未影响进气压力。因此，进气量主要取决于进气充量温度。当进气充量温度增加时，进气密度降低，从而导致进气量降低。

从图3b可以看出，对于TGDI发动机，随着进气充量温度的增加，增压压力增加，表明ECU会根据进气充量温度的变化自动调节增压度，从而补偿由于进气温度增加引起进气密度降低所导致的进气量减少。但在低转速时，由于废气能量较少，增压度不大，增压压力较低，补偿能力相对较低。

由于汽油机的量调节特性，进气充量温度对进气的影响可从过量空气系数反映出来，如图4所示。从图4a可以看出，对于NA-PFI汽油机，在转速高于4 000 r/min时，随着进气充量温度的增加，过量空气系数保持不变。由于进气充量温度增加引起进气量降低，喷油量随之降低，导致在转速高于4 000 r/min之后出现明显的功率损失。从图4b可以看出，进气充量温度对TGDI汽油机过量空气系数的影响并不大，这主要是由于增压的补偿作用使进气量并没有显著变化。

图3 进气充量温度对汽油机进气歧管压力的影响

图4 进气充量温度对汽油机过量空气系数的影响

图5 进气充量温度对汽油机点火提前角的影响

3.2 进气充量温度对汽油机点火的影响

随着进气充量温度的增加，爆震的倾向增加，因此进气充量温度会对汽油机的点火产生影响。图5为进气充量温度对点火提前角的影响。图中纵坐标上的0表示上止点，负值表示发动机在上止点前点火，正值表示发动机在上止点后点火。沿纵坐标方向（负值→0→正值），点火提前角减小。

从图5a可以看出，对于NA-PFI汽油机，随着进气充量温度的增加，点火提前角减小。当进气充量温度从25℃增加到45℃时，点火提前角减小比较少。当进气充量温度增加到60℃时，点火提前角减小了3~5°CA。由于随着进气充量温度的增加，燃油雾化更好，导致爆震倾向更高，ECU会因此减小点火提前角以降低爆震发生的可能性。从图5b可以看出，对于TGDI汽油机，随着进气充量温度的增加，在中低转速时，点火提前角减小了大约1~2°CA。与NA-PFI汽油机相比，TGDI汽油机的进气充量温度对点火提前角的影响更小。

3.3 进气充量温度对汽油机燃烧的影响

汽油机燃烧特性的表征参数包括气缸压力峰值及其对应的曲轴转角、燃烧持续期和循环变动等。其中，燃烧持续期定义为累计放热率从5%到90%所经历的曲轴转角。循环变动由循环变动率（COV）表示[10-11]：

式中：σX为循环平均指示压力（IMEP）的标准偏差；X¯为平均指示压力的循环平均值。

σX的计算公式为：

式中：N=300。

图6为不同进气充量温度下气缸压力峰值及其对应的曲轴转角的变化曲线。

图6 进气充量温度对汽油机气缸压力峰值及其对应的曲轴转角的影响

从图6a可以看出，对于NA-PFI汽油机，进气充量温度增加，气缸压力峰值降低，而气缸压力峰值所对应的曲轴转角增加。当进气充量温度从25℃增加到60℃时，气缸压力峰值最大降低率达到39%，而气缸压力峰值所对应的曲轴转角增加了约10°CA。从图6b可以看出，对于TGDI发动机，当进气充量温度从25℃增加到45℃时，在大部分转速范围内，气缸力压峰值增加，而气缸压力峰值所对应的曲轴转角减小。这主要是由于进气充量温度增加有利于燃油的雾化，从而使燃烧速度加快，气缸压力峰值增加。当进气充量温度增加到60℃时，气缸压力峰值反而稍有下降，而气缸压力峰值所对应的曲轴转角增加，特别是在中低转速区域更是如此。这是因为，进气充量温度增加过高，虽然有利于燃油雾化，但由于点火提前角减小导致燃烧恶化，降低了气缸压力峰值。

图7为不同进气充量温度下汽油机燃烧持续期和循环变动的变化曲线。

图7 进气充量温度对燃烧持续期和循环变动的影响

从图7a可以看出，对于NA-PFI汽油机，随着进气充量温度的增加，燃烧持续期延长，循环变动增加。在转速为1 500 r/min时，进气充量温度为25℃时的燃烧持续期为20°CA，循环变动率COV为1.5%。当进气充量温度增加到60℃时，燃烧持续期增加到30°CA，COV增加到3%。如前所述，进气充量温度增加，导致点火提前角减小，混合气膨胀比降低，最高燃烧压力点曲轴转角增大，后燃增加，燃烧速度减缓，燃烧持续期增加。同时，由于进气充量温度增加后爆震倾向增加，ECU在调整点火提前角的过程中，容易造成燃烧不稳定。此外，点火提前角减小，会导致后燃，造成燃烧恶化，循环变动也随之变大[9，11-12]。

从图7b可以看出，对于TGDI汽油机，随着进气充量温度的增加，燃烧持续期和循环变动总体上变化不大。原因是：一方面，进气充量温度的增加虽然有利于燃油的雾化，使燃烧速度加快，燃烧持续期缩短。但另一方面，进气充量温度增加将加大爆震倾向，导致ECU减小点火提前角，不利于燃烧。两方面因素相互作用，导致燃烧持续期和循环变动对进气充量温度变化不敏感。

4 结论

1）进气充量温度对NA-PFI汽油机的动力性和经济性产生较大的影响。当进气充量温度从25℃增加到60℃后，NA-PFI汽油机的平均有效压力的降低率达到10%，比油耗的增加率达到20%。而进气充量温度对TGDI汽油机的动力性和经济性影响较小。

2）进气充量温度对NA-PFI汽油机的进气、燃烧和点火均有较大影响。进气充量温度增加，使进气密度降低，导致进气量降低。过度增加进气充量温度将加剧爆震倾向，导致点火提前角减小，后燃增加，燃烧持续期增加，燃烧恶化，从而使NA-PFI汽油机的动力性和经济性降低。

3）对于TGDI汽油机，进气增压能够补偿由于进气充量温度增加所引起的进气量损失，最大程度地削弱了进气充量温度对汽油机性能的影响，但可能导致涡轮增压器因使用过度而性能下降。与NA-PFI汽油机一样，TGDI汽油机也存在一个与最佳的动力性和经济性相对应的中冷后进气充量温度阈值。

4）研究结果表明，在RDE测试过程中，自然吸气汽油机受环境温度的影响较大。

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2 李紫帝，谭建伟，葛蕴珊，等.进气中冷温度对柴油机NOx排放性能的影响[J].车辆与动力技术，2016（4）：54-58

3 肖干，张煜盛，郎静，等.进气温度对汽油直喷压燃发动机燃烧及排放性能影响的试验[J].内燃机学报，2014，32（2）：125-130

4 Gowthaman S.,Sathiyagnanam A.P.Effectsof charge temperature and fuel injection pressureon HCCI engine[J].Alexandria Engineering Journal,2016,55(1):119-125

5 Maurya R.K.,Agarval A.K.Experimental investigation on the effectof intakeair temperature and air-fuel ratio on cycle-tocycle variationsofHCCIcombustion and performance parameters[J].Applied Energy,2011,88:1153-1163

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8 Christenson M.,Loiselle A.,Karman D.,et al.The effect of driving conditions and ambient temperature on light duty gasoline-electric hybrid vehicles(2):fuel consumption and gaseouspollutantemission rates[C].SAEPaper2007-01-0997

9 Varella R.,Duarte G.,Bapista P.,etal.Analysis of the influence of outdoor temperature in vehicle cold-start operation following EU real driving emission test procedure[C].SAE Paper2017-24-0140

10刘亮欣，黄佐华，蒋德明，等.天然气缸内直喷汽油机燃烧循环变动特性研究[J].内燃机学报，2003，23（1）：18-27

11李元平，平银生，尹琪.增压缸内直喷汽油机早燃及超级爆震试验研究[J].内燃机工程，2012，33（5）：63-66