高进气温度对增压发动机性能以及燃烧影响试验研究

高尚志 孙晓东 孙程龙 吴昌雷

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利动力总成有限公司）

引言

涡轮增压是提高发动机性能，实现汽油机节能的重要手段[1]。但是在夏季高温地区，高进气温度会影响发动机散热，导致发动机缸内温度过高[2]。在高温环境下，发动机进气密度变小，会导致发动机转矩降低，动力性变差[3]。同时高进气温度会导致缸内温度升高，容易诱发爆震和早燃[4]，需要对发动机最大输出转矩进行限制。但是发动机转矩限制过大也会导致发动机输出转矩小，性能变差。

本文选用了一款小型增压发动机，对发动机进气温度、燃烧中心角度、进气压力等参数进行界定。在特定边界条件下，控制发动机点火角和进气压力、过量空气系数等参数，优化发动机性能，找到发动机在各转速的最大转矩，为发动机高进气温度限转提供参考依据。

1 试验概况

为了保证在高进气温度下发动机运行的稳定性和可靠性，在开发过程中对发动机控制边界进行界定，主要包括以下参数。

表1 发动机控制参数

试验装置主要包括：一款1.0 L 增压发动机、发动机的所有附件以及台架采集温度、压力传感器，AVL 燃烧分析仪、AVL260 电力测功机、KISTLER 火花塞式缸压传感器等。

试验选用一款3 缸1.0L 增压发动机，具体参数如表2 所示。

表2 发动机基本参数

2 发动机性能分析

发动机最大转矩、中冷后温度、出水温度、进气温度、点火提前角、增压占空比、进气歧管压力和增压器涡前压力分别如图1～8 所示。

图1 不同转速不同空燃比最大转矩

由图2～4 可知，控制发动机出水温度在108 ℃（节温器全开温度）。发动机的进气温度（空滤前）在30～33 ℃之间。试验过程中，控制发动机高水温、高进气温度、高中冷后温度，通过调节发动机ECU 参数增压占空比（达到最大增压能力时增压器占空比为0）和点火提前角，将发动机控制到爆震边界，找到发动机在不同转速、不同过量空气系数的最大转矩。

图2 中冷后温度控制

图3 出水温度控制

图4 进气温度控制

发动机在1 000 r/min 和1 500 r/min 外特性工况，随着lambda 加浓，发动机爆震倾向变小，可以通过降低增压器增压占空比，关闭废气旁通阀，增大增压压力，提高发动机最大转矩。如图6 所示，在发动机低速外特性工况点，发动机排气流量较小，增压器增压余度较小，所以当lambda 加浓到一定程度后，增压占空比接近0，增压器达到最大增压能力。同时当增压器增压能力达到最大后，lambda 过浓会导致发动机混合气在燃烧室内燃烧不充分，恶化燃烧。所以在1 000 r/min 和1 500 r/min 外特性工况，发动机最大转矩（如图1 所示）随着lambda 变化出现先增加后减小的趋势。

图5 点火提前角

图6 增压器增压占空比

发动机在2 000 r/min 至4 500 r/min 外特性工况，随着labmda 加浓，爆震倾向减弱，可以增大点火提前角，增加增压压力，外特性转矩逐渐增大，但是受到进气歧管压力的限制（如图7 所示），当lambda=0.7 时，发动机转矩最大。

图7 进气歧管压力

发动机在5 000 r/min 至6 000 r/min 外特性工况，随着labmda 加浓，发动机最大转矩先增加后减小，因为labmda 变大，增大点火提前角，提高增压压力，发动机转矩变大。但是过大的增压压力，使得涡前压力变大（如图8 所示）。发动机排气背压变大，缸内残余废气增多，发动机最大转矩下降[5]。

图8 增压器涡前压力

3 发动机燃烧分析

如图9～11 所示，发动机在1 000 r/min 和1 500 r/min 外特性工况，lambda 值从1.0 变化到0.85 过程中，随着lambda 加浓，缸内混合气燃烧温度降低，抑制发动机爆震倾向，燃烧重心（燃烧50%对应的曲轴转角AI50）提前，燃烧速度加快，燃烧效率增加。同时发动机缸内压力升高率变大，最大缸内压力变大，发动机转矩增加。Lambda 值从0.85 减小到0.7 过程中，继续提前点火角度，发动机增压器涡前排温降低（如图12 所示），增压器增压压力变小，参与燃烧的混合气变少，发动机转矩降低。

图9 燃烧50%对应的曲轴转角

图10 缸内最大爆发压力

发动机在2 000 r/min 至4 500 r/min 外特性工况，随着lambda 加浓，通过控制点火提前角把发动机控制到爆震边界，燃烧重心（燃烧50%对应的曲轴转角AI50）提前，燃烧室火焰传播速度变快，缸内最大爆发压力变大，压力升高率变大，发动机转矩增加。

图11 缸内最大压力升高率

图12 增压器涡前温度

发动机在5 000 r/min 至6 000 r/min 外特性工况，lambda 逐渐变化到0.75 过程中，随着lambda 加浓，燃烧重心略提前，最大爆发压力增加，转矩变大，lambda 从0.75 变化到0.7 过程中，排气背压变大，燃烧循环波动变大，转矩降低。

4 结论

在高进气温度、高水温边界条件下，发动机不同转速下最大转矩随着lambda 变化情况为：

1）在发动机低速外特性工况点，随着过量空气系数值变小，发动机的最大输出转矩呈现先增加后减小的趋势。

2）在发动机中速外特性工况点，过量空气系数值逐渐减小到0.7，发动机最大输出转矩逐渐变大。

3）在发动机高速外特性点，过量空气系数值逐渐减小到0.7，发动机最大输出转矩呈现先增加后减小的趋势。