重型牽引車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度影響因素研究

雷穎絜 王飛 劉海霞

摘 要：進(jìn)氣溫度是發(fā)動(dòng)機(jī)整車(chē)安裝質(zhì)量保證（Installation Quality Assurance）中的重要參數(shù)。本文采用理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和臺(tái)架試驗(yàn)的方法，對(duì)進(jìn)氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響進(jìn)行了研究；針對(duì)重型牽引車(chē)的進(jìn)氣系統(tǒng)，明確了對(duì)進(jìn)氣溫度有影響的因素，提出了進(jìn)氣溫度改善的措施，為整車(chē)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：重型牽引車(chē)；進(jìn)氣溫度；NOX排放

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.3+4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(fā)動(dòng)機(jī)以其較高的燃燒效率和良好的耐久性，在中國(guó)商用車(chē)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。進(jìn)氣溫度是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)整車(chē)安裝質(zhì)量保證（Installation Quality Assuranc）中的重要參數(shù)，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量及燃燒特性產(chǎn)生一定影響。因此在整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需針對(duì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度的零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)安裝質(zhì)量保證要求。本文針對(duì)某重型牽引車(chē)，分析了進(jìn)氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，并對(duì)整車(chē)上影響進(jìn)氣溫度的因素進(jìn)行了研究。

1 進(jìn)氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放的影響

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的質(zhì)量與其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能高度相關(guān)。近年來(lái)，柴油機(jī)通過(guò)提高轉(zhuǎn)速，加大噴油壓力等技術(shù)路徑改善缸內(nèi)燃燒效率，這使得組織良好的燃燒過(guò)程對(duì)柴油機(jī)的燃燒系統(tǒng)提出了更高的要求[2]。朱一德采用臺(tái)架試驗(yàn)和FIRE軟件仿真的方法，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)三個(gè)參數(shù)（渦流比、增壓比和進(jìn)氣溫度）進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣溫度每增加10K，有效功率下降約1kW，隨著進(jìn)氣溫度的降低，NOX和干碳煙（Soot）排放量明顯降低[3]。張軍認(rèn)為進(jìn)氣溫度升高，著火時(shí)刻提前，燃燒過(guò)程的高溫區(qū)駐留時(shí)間延長(zhǎng)，高溫、高溫區(qū)域駐留時(shí)間長(zhǎng)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(nèi)燃燒溫度，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)污染物的排放[5]。

為了量化進(jìn)氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響，選擇一款重型牽引車(chē)上安裝的13L排量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模和仿真計(jì)算。該發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝質(zhì)量保證中要求進(jìn)氣溫升（進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒氣體的溫度相對(duì)環(huán)境溫度的升高值）≤25℃。因此，采用AVL FIRE軟件，分別針對(duì)進(jìn)氣溫升20℃和30℃進(jìn)行仿真計(jì)算（其他參數(shù)保持不變），結(jié)果如下：

從計(jì)算結(jié)果可看出，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和NOX排放的影響較大。因此，采用臺(tái)架試驗(yàn)的方法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同油門(mén)開(kāi)度、不同轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響進(jìn)行復(fù)測(cè)。試驗(yàn)中選擇了三種發(fā)動(dòng)機(jī)工況：

從臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，在不同工況下，進(jìn)氣溫度均對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和NOX排放有顯著影響。因此可得到如下結(jié)論：

1）進(jìn)氣溫度升高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性有負(fù)面影響；對(duì)于該發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣溫度每上升10℃，燃油經(jīng)濟(jì)性約惡化1%。

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

2 影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度的影響因素

對(duì)于重型牽引車(chē)來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程通常為：

1）大氣通過(guò)駕駛室后部的引氣道進(jìn)入空氣濾清器，溫度基本不變。

2）空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器，溫度上升。

3）空氣進(jìn)入中冷器，溫度下降；隨后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行燃燒。

上表為4種典型牽引車(chē)進(jìn)氣溫度變化情況，可以看出不同車(chē)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(duì)進(jìn)氣溫度的變化有著顯著影響。影響進(jìn)氣溫度的主要因素包括：

1）引氣道密封性。國(guó)內(nèi)部分有導(dǎo)流罩的牽引車(chē)的進(jìn)氣入口位于側(cè)導(dǎo)流罩處，如引氣道與側(cè)導(dǎo)流罩之間密封不嚴(yán)，則會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱空氣上升，順著縫隙進(jìn)入引氣道，導(dǎo)致進(jìn)氣溫度偏高的情況。在扭矩點(diǎn)，車(chē)型A的空濾進(jìn)氣溫度相對(duì)環(huán)境溫度上升了4.1℃，而車(chē)型C僅上升了1.1℃，說(shuō)明車(chē)型C的引氣道密封性較好。

針對(duì)車(chē)型A增加引氣道密封墊，并進(jìn)行溫升對(duì)比試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，安裝引氣道密封墊前，從進(jìn)氣口到空濾進(jìn)口處溫度上升了4.1℃；增加密封墊后，溫度幾乎沒(méi)有升高。

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

冷器周邊的氣體流場(chǎng)也有所不同。以某國(guó)內(nèi)重型牽引車(chē)為例，采用FLUENT仿真軟件，通過(guò)整車(chē)建模和CFD流場(chǎng)分析，發(fā)現(xiàn)在部分情況下存在熱風(fēng)回流的情況，影響中冷器的散熱。

仿真分析的主要過(guò)程包括：①采集整車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，主要包括影響駕駛室進(jìn)風(fēng)面積的前面罩、冷凝器、中冷器、水箱、風(fēng)扇，影響整車(chē)流場(chǎng)的駕駛室造型、車(chē)架等。

②針對(duì)整車(chē)不同剖面進(jìn)行流場(chǎng)分析，尋找熱風(fēng)回流點(diǎn)。

③通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)在中冷器周邊存在熱風(fēng)回流的情況；在中冷器周邊增加熱回風(fēng)擋板后再以進(jìn)行流場(chǎng)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)擋板可有效改善中冷器散熱性能，從而降低進(jìn)氣溫升。

在某牽引車(chē)上增加熱回風(fēng)擋板并開(kāi)展整車(chē)?yán)鋮s性能試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可看出，采用熱回風(fēng)擋板后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫升降低了3-5℃，整車(chē)最高環(huán)境許用溫度提升了4-6℃。

3 總結(jié)

本文采用仿真和臺(tái)架試驗(yàn)的方法，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度與性能之間關(guān)系進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和NOX之間有著顯著關(guān)系，在發(fā)動(dòng)機(jī)匹配應(yīng)用過(guò)程中，需對(duì)進(jìn)氣溫度進(jìn)行有效控制。對(duì)重型牽引車(chē)而言，影響進(jìn)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(guò)改善引氣道密封性、增大中冷器尺寸和中冷器熱流場(chǎng)優(yōu)化等方法降低進(jìn)氣溫度。

參考文獻(xiàn)：

[1]邊耀璋.汽車(chē)新能源技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2003.