重型牽引車發動機進氣溫度影響因素研究

雷穎絜 王飛 劉海霞

摘 要：進氣溫度是發動機整車安裝質量保證（Installation Quality Assurance）中的重要參數。本文采用理論分析、計算機仿真和臺架試驗的方法，對進氣溫度對發動機性能的影響進行了研究；針對重型牽引車的進氣系統，明確了對進氣溫度有影響的因素，提出了進氣溫度改善的措施，為整車設計提供了依據。

關鍵詞：重型牽引車；進氣溫度；NOX排放

中圖分類號：U462.3+4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2018）05-0034-04

Abstract： Intake air temperature is an important parameter in the IQA （Installation Quality Assurance） of engine. In this paper， the influence of intake temperature on engine performance is studied by means of theoretical analysis， computer simulation and bench test. The factors that affect the intake temperature of heavy duty tractor are clarified， and the measures to improve the intake temperature are put forward， which provides the basis for the design of the complete vehicle.

Key Words： Heavy duty tractor； Intake air temperature； NOX emission

柴油發動機以其較高的燃燒效率和良好的耐久性，在中國商用車中得到了廣泛的應用[1]。進氣溫度是柴油發動機整車安裝質量保證（Installation Quality Assuranc）中的重要參數，會對發動機進氣量及燃燒特性產生一定影響。因此在整車開發過程中，需針對影響發動機進氣溫度的零部件進行設計，滿足發動機安裝質量保證要求。本文針對某重型牽引車，分析了進氣溫度對發動機性能的影響，并對整車上影響進氣溫度的因素進行了研究。

1 進氣溫度對發動機經濟性和排放的影響

柴油發動機缸內燃燒的質量與其動力性、經濟性及排放性能高度相關。近年來，柴油機通過提高轉速，加大噴油壓力等技術路徑改善缸內燃燒效率，這使得組織良好的燃燒過程對柴油機的燃燒系統提出了更高的要求[2]。朱一德采用臺架試驗和FIRE軟件仿真的方法，對進氣系統三個參數（渦流比、增壓比和進氣溫度）進行了研究，發現進氣溫度每增加10K，有效功率下降約1kW，隨著進氣溫度的降低，NOX和干碳煙（Soot）排放量明顯降低[3]。張軍認為進氣溫度升高，著火時刻提前，燃燒過程的高溫區駐留時間延長，高溫、高溫區域駐留時間長共同造成了NOx排放的顯著增加[4]。低溫燃燒策略LTC（Low Temperature Combustion）可降低缸內燃燒溫度，從而降低發動機污染物的排放[5]。

為了量化進氣溫度對發動機燃燒性能的影響，選擇一款重型牽引車上安裝的13L排量柴油發動機進行建模和仿真計算。該發動機的安裝質量保證中要求進氣溫升（進入發動機缸內燃燒氣體的溫度相對環境溫度的升高值）≤25℃。因此，采用AVL FIRE軟件，分別針對進氣溫升20℃和30℃進行仿真計算（其他參數保持不變），結果如下：

從計算結果可看出，發動機進氣溫度對發動機燃油經濟性和NOX排放的影響較大。因此，采用臺架試驗的方法，對發動機不同油門開度、不同轉速下的進氣溫度對發動機的影響進行復測。試驗中選擇了三種發動機工況：

從臺架試驗結果中可以看出，在不同工況下，進氣溫度均對發動機經濟性和NOX排放有顯著影響。因此可得到如下結論：

1）進氣溫度升高對發動機的動力性、經濟性有負面影響；對于該發動機，進氣溫度每上升10℃，燃油經濟性約惡化1%。

2）進氣溫度升高對NOX排放量影響較大，進氣溫度每上升10℃，NOX排放量約惡化4.5%。

2 影響發動機進氣溫度的影響因素

對于重型牽引車來說，發動機進氣過程通常為：

1）大氣通過駕駛室后部的引氣道進入空氣濾清器，溫度基本不變。

2）空氣進入發動機渦輪增壓器，溫度上升。

3）空氣進入中冷器，溫度下降；隨后進入發動機進行燃燒。

上表為4種典型牽引車進氣溫度變化情況，可以看出不同車型在不同階段的溫度變化情況均有所不同，零部件的特性對進氣溫度的變化有著顯著影響。影響進氣溫度的主要因素包括：

1）引氣道密封性。國內部分有導流罩的牽引車的進氣入口位于側導流罩處，如引氣道與側導流罩之間密封不嚴，則會出現發動機艙內熱空氣上升，順著縫隙進入引氣道，導致進氣溫度偏高的情況。在扭矩點，車型A的空濾進氣溫度相對環境溫度上升了4.1℃，而車型C僅上升了1.1℃，說明車型C的引氣道密封性較好。

針對車型A增加引氣道密封墊，并進行溫升對比試驗。從試驗結果中可以看出，安裝引氣道密封墊前，從進氣口到空濾進口處溫度上升了4.1℃；增加密封墊后，溫度幾乎沒有升高。

2）增壓器特性。增壓比是柴油機渦輪增壓器的重要參數，定義為壓氣機出口氣體總絕對壓力與進口氣體總絕對壓力之比[6]，用πC表示。

冷器周邊的氣體流場也有所不同。以某國內重型牽引車為例，采用FLUENT仿真軟件，通過整車建模和CFD流場分析，發現在部分情況下存在熱風回流的情況，影響中冷器的散熱。

仿真分析的主要過程包括：①采集整車數據進行建模，主要包括影響駕駛室進風面積的前面罩、冷凝器、中冷器、水箱、風扇，影響整車流場的駕駛室造型、車架等。

②針對整車不同剖面進行流場分析，尋找熱風回流點。

③通過分析發現在中冷器周邊存在熱風回流的情況；在中冷器周邊增加熱回風擋板后再以進行流場的對比，發現擋板可有效改善中冷器散熱性能，從而降低進氣溫升。

在某牽引車上增加熱回風擋板并開展整車冷卻性能試驗，通過試驗結果分析可看出，采用熱回風擋板后，發動機進氣溫升降低了3-5℃，整車最高環境許用溫度提升了4-6℃。

3 總結

本文采用仿真和臺架試驗的方法，對柴油發動機進氣溫度與性能之間關系進行了分析，發現進氣溫度與發動機燃油經濟性和NOX之間有著顯著關系，在發動機匹配應用過程中，需對進氣溫度進行有效控制。對重型牽引車而言，影響進氣溫度的主要因素包括引氣道的密封性、增壓器特性以及中冷器性能，可通過改善引氣道密封性、增大中冷器尺寸和中冷器熱流場優化等方法降低進氣溫度。

參考文獻：

[1]邊耀璋.汽車新能源技術[M].北京：人民交通出版社，2003.