進氣溫度對TGDI汽油機性能影響的對標研究

梁繼斌

摘要：通過發(fā)動機對標試驗，對一臺缸內直噴渦輪增壓（TGDI）的汽油機進行了外特性試驗，研究進氣溫度對其動力性、經(jīng)濟性和排放的影響。試驗結果表明：對于TGDI汽油機，進氣增壓能夠補償由于溫度增加引起的進氣量損失，導致中冷后進氣溫度對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放的影響效果均不是很明顯。

Abstract： Full load performance benchmarking test was conducted in engine test bed for a turbocharged direct injection gasoline engine （TGDI） to investigate the effects of inlet temperature on power performance， fuel economy and emission properties. Results shows that for TGDI engine， the effects of after-intercooler temperature on power performance， fuel economy and emission properties are insignificant because the turbocharger can compensate the inlet charge loss from the increasing charge temperature.

關鍵詞：汽油機;缸內直噴;進氣溫度;性能

Key words： gasoline engine;gasoline direct injection;inlet temperature;performance

0 ?引言

為滿足輕型車第四階段油耗法規(guī)和國6b排放限值要求[1-2]，降低排放、改善油耗一直是各大汽車廠商追求的目標，缸內直噴、渦輪增壓等技術已被廣泛應用以改善汽油發(fā)動機進氣和燃燒特性。研究表明直噴增壓汽油機可有效改善發(fā)動機燃燒、提升發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、排放性等[3]。

汽油發(fā)動機的發(fā)展趨勢是小型強化，采用直噴增壓方式可有效提高發(fā)動機充氣效率，改善發(fā)動機的燃燒、提高發(fā)動機的功率和扭矩，發(fā)動機排量縮小30-50%，使車輛行駛過程中發(fā)動機更趨于經(jīng)濟區(qū)域[4]，降低整車油耗、排放。

日趨嚴格的排放和油耗法規(guī)要求汽車企業(yè)在產品開發(fā)中必須考慮更周全細致。通過對市場上先進標桿機型的對標，一方面可以得到競品標桿機型性能數(shù)據(jù)從而確定開發(fā)機型性能參數(shù)指標，同時也可以比較出開發(fā)產品與市場上標桿機型的差距，充分認識到開發(fā)產品的不足，并從標桿機型的數(shù)據(jù)對比中學習經(jīng)驗，進一步提升自己開發(fā)機型的性能目標。

汽油機是由進氣量控制負荷的，進氣對汽油機性能影響很大，不同進氣溫度影響著缸內進氣量和燃燒[5]。而對于整車，隨著外界環(huán)境溫度的變化和伴隨著車輛行駛時內部環(huán)境溫度的變化，以及整車中冷能力的不同，發(fā)動機進氣溫度會發(fā)生變化，進而影響到汽油機的性能。

增壓直噴技術目前已經(jīng)在汽油機中廣泛應用，但低速早燃引起的超級爆震是制約其動力性和效率提升的瓶頸。大量研究表明進氣溫度等因素對早燃均具有較大影響[6]。

進氣溫度是影響發(fā)動機性能的關鍵參數(shù)之一。在夏季炎熱大負荷工況下，進氣溫度會很高。有報道稱對于增壓中冷的車型，其中冷器后進氣溫度可在實車上達到80℃以上，遠遠偏離發(fā)動機要求的中冷后溫度邊界50℃，從而對整車性能產生影響。因此，在本文中選取了一臺缸內直噴渦輪增壓（TGDI）的汽油機，研究進氣溫度（對TGDI汽油機，進氣溫度指中冷后的進氣溫度）對其動力性、經(jīng)濟性和排放的影響。

1 ?試驗設備和方法

1.1 試驗發(fā)動機

試驗選取了市面上銷量較高的一款TGDI汽油機上進行，此發(fā)動機的主要技術參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗方法

對標試驗采用延長線束的方式實現(xiàn)發(fā)動機在臺架上與整車信號線、電源線相連。原整車點火控制信號、油門信號線從ECU端斷開接入臺架進行控制。點火、噴油信號使用電流鉗接入燃燒分析儀測試脈沖信號，缺失的整車輪速、變速箱信號使用LabVIEW編程并使用NI公司的信號模擬器實現(xiàn)。

試驗中，通過中冷溫度調節(jié)設備來控制TGDI發(fā)動機的中冷后溫度分別在25℃、45℃和60℃，在此基礎上進行了外特性試驗。對于TGDI發(fā)動機，由于在低轉速時增壓器并未過多介入，將導致試驗過程中中冷后的溫度低于試驗要求。而常規(guī)的中冷溫度控制設備無法保證中冷后溫度控制要求，因此開發(fā)了一套帶加熱的中冷溫度控制設備來實現(xiàn)溫度控制功能。試驗過程中控制冷卻水溫在85±1 ℃之間，且每組數(shù)據(jù)均在發(fā)動機工況穩(wěn)定后平行測量2次取平均值。缸壓數(shù)據(jù)采集為300個循環(huán)的平均值，并通過AVL公司燃燒分析儀對缸壓數(shù)據(jù)進行計算處理。試驗臺架的主要設備如表2所示。

2 ?試驗結果及分析

2.1 溫度對TGDI發(fā)動機動力性能的影響

TGDI發(fā)動機在不同進氣溫度下的外特性BMEP曲線如圖1所示。

在發(fā)動機節(jié)氣門全開的情況下，隨著進氣溫度的增加，發(fā)動機的平均有效壓力變化幅度并不大。當進氣溫度由25℃增加到60℃之后，在轉速低于3000r/min時，平均有效壓力略有降低。而在轉速超過3000r/min，平均有效壓力略有提升。

圖2為點火提前角隨進氣溫度的變化曲線。從圖2可以看出，隨著進氣溫度的增加，在中低轉速時點火提前角推遲了大約1-2°CA。

圖3為不同進氣溫度下過量空氣系數(shù)的變化曲線。隨著進氣溫度的增加，過量空氣系數(shù)變化并不大。

圖4為不同進氣溫度下增壓壓力的變化曲線。在低轉速時由于廢氣能量較少，增壓度不大，增壓壓力較低，而在中高轉速時增壓壓力隨著進氣溫度增加而增加。這是因為對于增壓發(fā)動機，ECU會自動調節(jié)增壓度，增壓壓力也隨進氣溫度增加而增加，補償了由于溫度增加引起進氣密度降低而導致的進氣量減少，從而保證了發(fā)動機的動力性能不至于出現(xiàn)明顯的降低，相反，從圖1看出，在中高轉速區(qū)域還略有升高。

圖5為不同進氣溫度下缸壓峰值和缸壓峰值對應的曲軸轉角的變化曲線。當進氣溫度從25℃增加到45℃時，在大部分的轉速范圍內，其缸壓峰值增加，并且峰值缸壓對應的曲軸轉角也相應提前，當繼續(xù)增加到60℃時，缸壓峰值反而稍微下降并且峰值缸壓對應的曲軸轉角延后。這主要是由于增加溫度會有利于噴油的霧化，從而使燃燒速度變快，缸壓峰值增加。而當溫度增加過高后，雖然有利于霧化，但進氣密度會有所降低，兩者相互作用導致此時的缸壓峰值稍有下降。

圖6為不同進氣溫度下燃燒持續(xù)期和循環(huán)變動的變化曲線。為不同進氣溫度下燃燒持續(xù)期和循環(huán)變動的變化曲線。其中燃燒持續(xù)期定義為累計放熱率從5%到90%所經(jīng)歷的曲軸轉角。循環(huán)變動由循環(huán)變動率（COV）表示：

從圖6中可以看到，隨著進氣溫度的增加，燃燒持續(xù)期和循環(huán)變動總體上變化不大。如前文所述，進氣溫度的增加雖然有利于噴油的霧化，加快燃燒速度，縮短燃燒持續(xù)期，但另一方面，溫度增加將會加大爆震傾向，導致ECU推遲點火角，不利于燃燒。兩者相互作用導致燃燒持續(xù)期和循環(huán)變動對進氣溫度變化不敏感。

2.2 溫度對TGDI發(fā)動機油耗的影響

對于TGDI發(fā)動機，從上節(jié)的分析可知增壓能彌補進氣溫度增加所帶來的進氣量損失，因此進氣溫度對經(jīng)濟性的影響也不大，如圖7所示。在轉速低于3000r/min，隨進氣溫度增加油耗略有增加，其主要原因是推遲的點火提前角（見圖2）降低了燃燒效率，而在高于3000r/min時，由于增壓度的增加導致油耗還略有降低。

2.3 溫度對TGDI發(fā)動機排放的影響

該TGDI發(fā)動機在不同進氣溫度下的排放特性如圖8所示。當改變進氣溫度后，除了THC排放有比較明顯的差異外，CO和NOx的排放變化均不大。對于THC排放，在3000r/min之前，隨著進氣溫度的增加排放降低。而在轉速高于3000r/min時，當進氣溫度由25℃增加到45℃，THC排放降低，當溫度繼續(xù)增加到60℃時，THC排放升高。汽油機THC生成的主要原因是不完全燃燒、避免淬熄效應以及避免油膜和積碳的吸附效應[7]。結合圖2，在3000r/min之前，隨進氣溫度增加，點火提前角略有推遲，從而有利于未燃碳氫在缸內和排氣管中的氧化，因此THC排放降低。在轉速高于3000r/min后，過高的進氣溫度將會惡化燃燒，造成THC排放的增加。而CO和NOx變化不大的原因和發(fā)動機動力性變化不大的原因類似，即雖然進氣溫度增加導致進氣密度降低從而使進氣量減少造成不完全燃燒，但增壓又補償了這一損失導致過量空氣系數(shù)的變化并不明顯。

3 ?結論

①對于增壓發(fā)動機，ECU會自動調節(jié)增壓度，使得壓力也隨進氣溫度增加而增加。補償了由于溫度增加引起進氣密度降低而導致的進氣量減少，從而保證了發(fā)動機的動力性能不至于出現(xiàn)明顯的降低，甚至在中高轉速區(qū)域還略有升高。②對于對標使用的這臺TGDI發(fā)動機，中冷后進氣溫度對動力性、經(jīng)濟性和排放特性的影響不顯著。這也說明通過相關的標定，能有效地防止夏季中冷溫度過高后對發(fā)動機性能的不利影響。③通過對標分析，可以對市場上競品發(fā)動機的特性甚至控制策略進行深入的研究，有利于掌握競品發(fā)動機的特性并指導產品的開發(fā)。比如本次對標測試中的TGDI發(fā)動機的標定策略，企業(yè)可以進行學習和借鑒。

參考文獻：

[1]GB18352.6-2016，輕型汽車污染物排放限值和測量方法（中國第六階段）[S].環(huán)境保護部，2016.

[2]工業(yè)和信息化部令第44號乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法[S].工業(yè)與信息化部，2017.

[3]孫建軍.1.8升增壓直噴汽油機性能優(yōu)化研究[D].吉林大學，2019.

[4]張宇璠，王占峰，陳海娥，等.利用GT-POWER研究進氣溫度升高對增壓汽油機性能的影響[J].現(xiàn)代車用動力，2018，4：30-37.

[5]肖干，張煜盛，郎靜，等.進氣溫度對汽油直噴壓燃發(fā)動機燃燒及排放性能影響的試驗[J].內燃機學報，2014，32（2）：125-130.

[6]陳志豪，范亞東，吳曉東，等.增壓直噴汽油機的低速早燃特性研究[J].內燃機工程，2019，40（6）：50-55.

[7]王建昕，帥石金.汽車發(fā)動機原理[M].北京：清華大學出版社，2011.