進氣溫度對整車動力性能影響的試驗研究

廉巨龍，何振安，楊玉林，段佳伶

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

夏季標定試驗時，車輛經過長時間怠速后，起步性能變差，會明顯感覺到車輛的動力性能不足。近年來，國內外對車輛動力性不足的這一問題開展了一些列的研究，如發動機與變速箱的速比的合理匹配[1.2]、整車行駛阻力的優化[3]、整車性能與動力總成系統的標定匹配[4]等對動力性能的影響，而對于進氣系統的原始進氣口的布置不合理導致發動機進氣溫度上升造成整車動力性能的下降的研究還相對較少。

進氣系統的設計優劣直接影響發動機的性能。肖干[5]等研究了不同進氣溫度條件下實現壓燃汽油直噴壓燃燒方式的試驗，結果表明，隨著進氣溫度升高，著火時刻提前，最高的爆發壓力和峰值放熱率均升高，熱指示熱效率提高，排放升高。對于自然吸氣發動機而言，進氣溫度對發動機動力性能的影響更為突出。在相同的空燃比條件下，進氣溫度每上升10℃，發動機的功率則降低3%～5%，這是由于高溫氣體從原始進氣口進入到發動機，由于高溫帶來的氧氣密度的降低，導致發動機有效的充氣效率下降，易產生爆震的傾向，為了避免對發動機的損壞，就必須減小點火提前角，從而使得整車的動力性能變差。

針對夏季標定試驗后，出現長時間怠速后車輛的起步動力性能變差，影響駕駛感受的現象，通過對整車改制進氣系統方案的研究，分析出進氣溫度高的根本原因，從而制定原始進氣口的設計規范。并針對問題車輛對前端模塊的密封進行改制，通過對比試驗研究，得到了前端密封對進氣溫度的影響，并在不同的環境溫度下，研究了進氣溫度對發動機的動力性及爆震傾向的影響。解決了由于進氣溫度高導致整車的動力性能變差的實際問題。

1 試驗部分

1.1 問題排查及討論

表1 試驗條件

改制車輛的進氣系統進行問題的排查驗證。圖1為整車進氣系統的改制方案。測試工況：環境溫度25℃，低速爬坡工況（50Km/h-2G-9%坡度）。方案（a）原車輛進氣系統布置的方案。方案（b）是為了驗證是否由發動機的熱輻射導致進氣溫度變高。方案（c）是為了驗證是否由原始進氣口的布置問題導致進氣溫度變高。

圖1 整車進氣系統改制方案

圖2 進氣溫度的測試結果對比

從圖2可以看出，空氣濾清器布置在發動機上與布置在發動機側對進氣溫度的影響不大?？梢?，發動機的熱輻射對進氣系統的溫度影響很小。而將原始進氣口引出發倉，對進氣溫度影響較大，原始進氣口的溫度降低 6℃，節氣門入口的溫度降低4.1℃。這是由于原始進氣口受發倉及冷卻模塊所產生的熱氣及風扇擾動產生氣流的影響較小，帶來的進氣溫度的降低。由此可見，原始進氣口的布置位置的合理性對進氣溫升影響較大。

1.2 試驗工況

測試環境在某公司的環境排放試驗室中進行。該試驗室配備AVL48英寸四驅地盤測功機系統及IMTECH高低溫環境模擬系統。測試車輛采用磨合3000Km后的工裝樣車進行試驗測試。試驗條件（見表1）：

測試前對試驗測試車輛進行預熱處理，進行100Km/h、10min-Idle、5min-100Km/h、10min-Idle、5min的試驗磨合。

工況Ⅰ測試方法：將工裝樣車進行預跑后進行 Idle-5min。

工況Ⅱ測試方法：將工裝樣車進行預跑后，在 30℃35℃40℃45℃不同的環境溫度下進行 Idle 5min、2G-10Km/h-5min、3G-WOT的測試。

1.3 方案說明

在不改變進氣系統現有布置方案的前提下，對工裝樣車進行改制，將原始進氣口與發倉進行隔離，避免發動機倉熱氣及冷卻模塊所產生的熱氣擴散入進氣口。

圖3為試制樣車進行密封處理后的改制圖片。

圖3 樣車密封改制圖

從圖3(A)可以看出，原始進氣口安裝位置支梁與水箱上橫梁間存在較大空隙。發倉中的熱氣會通過間隙進入原始進氣口。圖3(B)采用隔熱材料將原始進氣口與發動機倉進行隔離（絕對密封），避免發倉中的熱氣及冷卻模塊、冷凝器所產生的熱氣及風扇擾動的熱氣流從原始進氣口進入發動機。

2 結果與討論

2.1 工況Ⅰ的試驗結果分析

圖4為改進前后進氣溫度隨著時間的變化規律。可以看出，在車輛怠速5min的過程中，改進后方案B比A方案的原始進氣口溫度降低了約20℃，節氣門口的進氣溫度降低約7℃。由此可見，車輛前端增加密封后的方案可以降低進氣溫度，尤其是原始進氣口的溫度。當車輛長時間怠速后進氣溫度會明顯升高。

同時，原始進氣口的溫度出現周期性的波動，這是由于原始進氣口受風扇的周期性的開啟關閉的擾動導致的。當風扇開啟時，方案B的原始進氣口受風扇的擾動變的很小。由此可見，原始進氣口的布置對進氣溫度的影響至關重要。為了盡可能的降低進氣溫度，原始進氣口布置應隔絕發動機倉、冷卻模塊及冷凝器所產生的熱氣及風扇的擾動熱氣從原始進氣口進入發動機，保證發動機吸入新鮮的空氣。

圖4 A/B方案怠速工況下進氣溫度隨時間的變化

2.2 工況Ⅱ的試驗結果分析

進氣溫度高，會導致發動機的有效充氣效率的下降，使得發動機燃燒溫度過高，爆震傾向增加。為了避免由于發動機爆震所帶來的破壞，需要推遲點火提前角，這樣會導致燃燒壓力的降低，出現較大的能量損失，從而使整車的動力性能變差。

圖5為不同的進氣溫度條件下，進氣溫度對發動機點火提前角及整車動力性的影響曲線。

從圖5(a)可以看出，在30℃的環境溫度下，增加密封后節氣門口的進氣溫度降低 2～3℃，車輛的起步動力性能好于原狀態，從750rpm到5500rpm轉速范圍，3G-WOT工況，加速時間提升0.5S，加速性能優化原狀態。局部范圍發動機點火提前 0.75CA 。由此可見，30℃下降低進氣溫度可以降低爆震傾向，提升整車的動力性能。

從圖5(b)可以看出，在35℃的環境溫度下，節氣門口的進氣溫度降低 3～4℃，車輛的起步性能好于原始狀態，從750rpm到5500rpm轉速區間，3G-WOT工況，加速時間提升 2S，加速性能優化原狀態。局部范圍點火提前角提前0.75CA。

從圖5(c)可以看出，在40℃的環境溫度下，節氣門口的進氣溫度降低 2～3℃，車輛的起步動力性能略好于原狀態，從750rpm到5500rpm轉速區間，3G-WOT工況，加速時間提升1.4S，加速性能優化原狀態。點火提前角變化不大，對發動機爆震傾向改善較小。

從圖5(d)可以看出，在45℃的環境溫度下，節氣門口的進氣溫度降低 2～3℃，車輛的起步動力性能略好于原狀態，從750rpm到5500rpm轉速區間，3G-WOT工況，加速時間提升1.7S，加速性能優化原狀態。局部范圍點火提前角提前0.75～1.5CA。由此可見，高溫環境下，較低的進氣溫度可以帶來整車動力性能的較大提升。

圖5 不同溫度下進氣溫度對整車動力性的影響

2.3 原始進氣口設計要求

通過上述試驗研究分析，進氣系統原始進氣口的布置對整車的動力性能影響較大，完善進氣系統原始進氣口的設計規范。

首先，原始進氣口的布置應考慮避免雨雪及灰塵的進入，如原始進氣口的位置受布置所限，需要考慮到進氣系統中增加除雨雪裝置；考慮到涉水工況的影響，

避免汽車涉水時發動機進水，原始進氣口布置的Z向高度盡量增高。

其次，原始進氣口的位置應避免布置在車輛行駛時的負壓區，這樣會導致吸入發動機的空氣密度降低，影響發動機的功率發揮，并使排放結果惡化，影響汽車的動力性及經濟性。

最后，原始進氣口的位置還需要考慮發倉熱氣及其他熱源產生熱氣對發動機的影響，較高的進氣溫度會使得汽車的動力性下降，爆震傾向增加。

3 結束語

1）發倉前端有效密封的措施可以有效的降低進氣溫度，原始進氣口設計的合理性影響發動機的性能。

2）在不同的環境溫度下，降低進氣口及發動機的節氣門入口處的溫度可以改善長時間怠速后的車輛的動力性能，減少爆震現象的發生。

3）原始進氣口的設計應綜合考慮規避雨雪及汽車涉水進水，避免布置在汽車行駛時的負壓區及避免發倉及其他熱源產生的熱氣進入發動機。

參考文獻

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[4] 龍金世,王靜.發動機進氣溫度對整車性能的影響研究[J].科學中國人,2015,10:56.

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