環境因素對增壓汽油機性能影響研究和修正計算

賀 禮 汪 洋 田德辛 牛福軍 朱 允 孫建軍

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江方圓檢測集團股份有限公司機械輕工部）

引言

汽油發動機的性能因使用環境的不同而呈現出一定的差異。實踐證明，汽油發動機生產下線的合格率明顯呈季節性變化，即使是使用同一臺發動機在不同季節作性能對比試驗，其性能數據的差別也很明顯，這必然會對發動機性能指標評價產生影響[1]。研究環境因素影響發動機性能的原因，并提出與環境因素相關的發動機性能修正系數，很有必要。

南通大學的倪培永、王向麗兩位學者通過研究大氣濕度對柴油機缸內工質熱物性參數的影響，獲得濕度和熱物性參數之間的定量關系，深入了解濕空氣在燃燒過程中所起的物理化學作用[2]。昆明理工大學的顏文勝等學者對不同大氣壓力下E15 乙醇柴油在柴油機上性能差異進行探索，研究不同大氣壓力對柴油機性能和排放的影響和變動規律，取得一定成果[3]。文萬斌等人通過仿真方法研究了高原環境下EGR 與VNT 對柴油機性能影響[4]。

目前環境因素對于發動機性能影響的研究，多見于柴油機方面，對汽油機性能的影響研究較少。環境因素改變如何影響到汽油機的性能，其內在的深層原因需要進一步探索。作者通過分析一臺缸內直噴增壓汽油機在相同測試設備條件下，不同季節的性能表現，探索環境因素與發動機性能表現的內在聯系，并采用環境修正因子對發動機性能進行修正。試驗結果表明，修正因子可以糾正由于環境因素差異導致汽油機性能差異大的問題，能夠在不同測試環境下客觀評價發動機的性能指標，對于大批量產品性能一致性評價具有指導意義。

1 試驗裝置和試驗方法

試驗采用了一臺1.5 L 排量的缸內直噴增壓汽油發動機，基本技術參數如表1 所示。

表1 發動機主要技術參數

不同環境因素下，試驗所采用的測試設備保持不變，包括發動機測試臺架，油耗儀均為同一設備，發動機ECU 采用完全相同的標定數據，所有試驗均采用同一臺發動機，相關的發動機進排氣管路相同，發動機冷卻液溫度，燃油溫度，燃油壓力等邊界條件相同，盡量保證除環境因素外的其它測試條件完全相同，表2 列出試驗主要設備。

作者在一年中的1 月、3 月、5 月和7 月進行測試，不同環境因素下發動機充分熱機，油門踏板開度100%，按照1 000/1 500/2 000/2 500/ 3 000/ 3 500/4 000/4 500/5 000/5 500 r/min 為斷點，記錄發動機外特性性能數據和其它相關監控量。

2 試驗數據分析

2.1 試驗環境因素對比

典型的試驗環境因素包含環境溫度、環境壓力、環境相對濕度。在不同的季節測試發動機性能，環境因素各不相同，如圖1～圖3 所示。從圖中可知，1 月份大氣壓力最高，環境溫度最低，相對環境濕度也最低。根據以上因素對空氣成分進行詳細剖析，提取空氣中對燃燒最重要的干空氣壓力，并繪制壓力分布如圖4 所示。圖4 數據說明，隨著月份增加，空氣溫度和空氣濕度逐漸增加，最終導致空氣中干空氣壓力逐漸降低。干空氣壓力最高為1 月份，102.1 kPa，干空氣壓力最低為7 月份，約為97.8 kPa。干空氣壓力的大小直接影響進氣密度的大小，通常干空氣壓力越高，空氣密度越大，對固定排量的發動機來講進氣量越大，產生的功率和轉矩也越大。所以環境溫度、壓力和濕度三個因素對發動機的性能影響可以歸納為環境干空氣壓力對發動機性能的影響。

圖1 不同月份的大氣壓力分布

圖2 不同月份的環境溫度分布

圖3 不同月份的環境濕度分布

圖4 不同月份的環境干空氣壓力分布

2.2 增壓器運行效率分析

在不同環境壓力下，同樣的進氣量需求，增壓器的運行效率存在差異。劉瑞林等學者對大氣壓力變化與增壓器效率之間的關系做過深入研究并得出結論。隨著海拔上升，增壓器工作范圍變窄、效率降低，易出現壓氣機喘振、超速現象[5-6]。對增壓器運行效率影響最大的兩個因素分別是流經增壓器壓氣機的空氣流量和壓比（壓氣機出口和入口的壓力之比）?？諝鈮毫υ降停M氣溫度越高，同樣進氣需求量，增壓器的壓比就越高。在發動機外特性區域，進氣需求量最大，更高的壓比會導致增壓器效率的降低。作者在不同月份進行的試驗結果表明，在7 月份，環境溫度最高，大氣壓力最低的條件下，外特性區域的增壓器運行效率最低；在1 月份，環境溫度最低，大氣壓力最高，外特性區域的增壓器運行效率最高。試驗發動機的增壓器與發動機外特性的聯合運行效率曲線如圖5 所示。

圖5 不同月份的增壓器和發動機聯合運行效率圖

在發動機外特性區域，不同月份增壓器效率存在顯著差異，也是影響發動機性能的另一個主要因素。

2.3 外特性性能對比

通過上述發動機性能與環境因素的理論分析，作者繪制了不同月份同一發動機的性能測試曲線。以發動機不同轉速的設計目標轉矩為基準，用發動機實際轉矩與不同月份轉矩平均值做差值，評價發動機的性能表現。不同月份發動機性能表現如圖6所示，其中發動機在1 月份和7 月份轉矩最大相差了14N·m，由此可知發動機性能表現與月份直接相關，即干空氣壓力與發動機性能線性相關，增壓器效率與發動機性能呈線性相關特性。正是由于環境因素差異和增壓器效率差異，最終導致相同的發動機在不同季節測試結果差異巨大。在實際生產過程中，不同季節下線的發動機熱試時，由于環境因素差異，導致某些月份發動機性能超過上限，某些月份低于下限，性能表現起伏不定，一方面可能會對生產品控產生誤導，另一方面也容易導致客戶抱怨。

圖6 不同月份發動機修正前轉矩偏差

3 發動機性能修正

環境因素差異導致的發動機實測性能差異，作者對不同月份發動機性能進行統計并計算了轉矩的標準差，標準差的大小代表了不同月份發動機性能的發散程度，如圖7 所示。

圖7 修正前后發動機轉矩標準差對比

實測發動機轉矩的標準差普遍在3～6 N·m 之間。作者根據國標GB/T 18297-2001 汽車發動機性能試驗方法規定的環境因素修正系數計算方法[7]，參考法規的要求，計算出發動機經過環境因素修正后的修正轉矩和修正轉矩的標準差值，對比結果如圖7所示。修正后轉矩標準差值分布在1.5～3.6 N·m 偏差帶之間，相比修正前，轉矩標準差值平均下降約40%。圖8 是經過環境因素修正后的轉矩分布，在不同月份發動機修正后轉矩發散有所改善，最大轉矩偏差降到了9.1 N·m，下降幅度約35%。

圖8 不同月份發動機修正后轉矩偏差

4 結論

綜上所述，發動機不同季節性能測試差異的主要原因是環境因素差異以及由環境因素差異引起的增壓器效率差異導致。作者通過環境修正措施對同一發動機不同季節測試結果進行修正，結果表明經過環境修正后的轉矩相比修正前，最大轉矩偏差從14 N·m 下降到9.1 N·m，轉矩標準差從3.6～6 N·m下降到1.5～3.6 N·m，下降約40%，環境因素修正具有實際應用價值。