進氣溫度對PFI汽油機性能影響的對標研究

邱君 楊素霞 高濤 李利斌 霍永占 王振宇

摘要：通過發(fā)動機對標試驗，對一臺進氣道噴射（PFI）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(jié)果表明：增加進氣溫度會降低PFI汽油機的動力性，當進氣溫度由25 ℃增加到60 ℃時，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于4000 r/min區(qū)域，外特性平均有效壓力的降幅達到了10%。適當提高進氣溫度會提高PFI汽油機的經(jīng)濟性并優(yōu)化其排放性能，但進氣溫度過高后會導致PFI發(fā)動機的動力性能和排放性能惡化。

Abstract： Full load performance benchmarking test was conducted in engine test bed for a gasoline engine with port fuel injection （PFI） to investigate the effects of inlet temperature on power performance， fuel economy and emission properties of gasoline engines. Results shows that increasing the inlet temperature weakens the power performance of PFI engine. When increasing the inlet temperature from 25℃ to 60 ℃， the brake mean effective power （BMEP） will be reduced by 10% at the engine speed of above 4000r/min. Appropriately increasing the inlet temperature improves the fuel economy and emission properties of PFI engine， whereas too much increase in the inlet temperature deteriorates the fuel economy and emission properties.

關鍵詞：進氣道噴射汽油機;進氣溫度;性能;排放;油耗

Key words： port fuel injection gasoline engine;inlet temperature;performance;emission;fuel consumption

0? 引言

日趨嚴格的排放和油耗法規(guī)在規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時也對汽車生產(chǎn)企業(yè)提出了更高的要求[1-2]。這就要求汽車企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)中必須考慮更周全細致，以應對排放和油耗法規(guī)。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(chǎn)品與市場上標桿機型的差距，充分認識到開發(fā)產(chǎn)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。

進氣溫度是影響發(fā)動機性能的關鍵參數(shù)之一[3-5]。在夏季炎熱大負荷工況下，進氣溫度會很高，遠遠偏離發(fā)動機要求的進氣溫度邊界，從而對整車性能產(chǎn)生影響。因此，在本文中選取了一臺進氣道噴射（PFI）的汽油機，研究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PFI汽油機，此發(fā)動機的主要技術(shù)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，通過進氣空調(diào)控制PFI發(fā)動機進氣溫度分別為25℃、45℃和60℃，在此基礎上進行了外特性試驗。要求每組數(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(jié)果及分析

2.1 進氣溫度對PFI發(fā)動機動力性能的影響

PFI發(fā)動機在不同進氣溫度下的外特性有效平均壓力（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降低（除了在1000r/min工況下，45℃的進氣溫度的平均有效壓力比25℃條件下的平均有效壓力略高）。并且隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，平均有效壓力的降低更加明顯。如圖中在發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于4000r/min之后，平均有效壓力的降幅達到了10%左右。

為進一步分析其原因，圖2-圖5給出了不同進氣溫度下的燃燒特性。從圖2可以看出，隨著進氣溫度的增加，點火提前角推遲。當進氣溫度從25℃增加到45℃時，點火提前角的推遲比較小，當繼續(xù)增加到60℃時，點火提前角推遲了3-5°CA。由于隨著進氣溫度的增加，燃油霧化更好將導致爆震傾向更高，ECU因此會推遲點火以降低爆震發(fā)生的可能性[6]。

圖3為不同進氣溫度下過量空氣系數(shù)的變化曲線。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于4000r/min之后，為了零部件保護的考慮（防止排溫過高），不同進氣溫度下的過量空氣系數(shù)均一致（約為0.81）。在進氣溫度60℃的條件下其進氣密度低，因此在相同過量空氣系數(shù)時溫度越高則噴油越少，在加上如圖2所示的為預防爆震所采取的點火推遲造成燃燒效率降低，從而導致在發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于4000r/min之后平均有效壓力的大幅降低。

圖4為不同進氣溫度下缸壓峰值及其對應的曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。進氣溫度的增加導致缸壓峰值降低并且其對應的曲軸轉(zhuǎn)角推遲。當進氣溫度從25℃增加到60℃時其缸壓峰值最大降低率達到39%，而缸壓峰值對應的曲軸轉(zhuǎn)角推遲了約10°C。

圖5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(zhuǎn)角。循環(huán)變動由循環(huán)變動率（COV）表示[7-8]：

其中σx為循環(huán)指示平均壓力（IMEP）標準偏差，N=300。

X為指示平均壓力（IMEP）的循環(huán)平均值

從圖5中可以看到，隨著進氣溫度的增加，燃燒持續(xù)期延長，循環(huán)變動增加。如1500r/min，在進氣溫度為25℃時的燃燒持續(xù)期為20°CA，COV為1.5%，而當進氣溫度增加到60℃時，燃燒持續(xù)期增加到30°CA，COV增加到3%。如前文所述，進氣溫度增加導致點火提前角的推遲，混合氣膨脹比降低，最高燃燒壓力點曲軸轉(zhuǎn)角推遲，后燃增加，燃燒速度減緩，燃燒持續(xù)期增加。同時由于進氣溫度增加后爆震傾向增加，ECU在調(diào)整點火角的過程中容易造成燃燒的不穩(wěn)定，此外點火角推遲會導致后燃造成燃燒惡化，因此循環(huán)變動也隨之變大[9]。

2.2 溫度對PFI發(fā)動機油耗的影響

該PFI發(fā)動機在不同進氣溫度下的油耗外特性如圖6所示。當進氣溫度從25℃增加到45℃時，油耗略微有所降低。當繼續(xù)增加到60℃后，除了1000r/min工況外，其它工況油耗均有較大幅度增加，其中低于4000r/min的轉(zhuǎn)速，油耗增幅為6%-13%，在高于4000r/min，油耗增幅達到14%-20%。其原因同之前的燃燒分析，即當進氣溫度增加到一定程度后，繼續(xù)增加溫度會大大惡化燃燒，從而造成經(jīng)濟性下降。

2.3 溫度對PFI發(fā)動機排放的影響

該PFI發(fā)動機在不同進氣溫度下的排放特性如圖7所示。對于總碳氫（THC）排放（圖7a），在4000r/min之前，隨著進氣溫度的增加排放降低。而在轉(zhuǎn)速高于4000r/min時，當進氣溫度由25℃增加到45℃時，THC排放降低，當溫度繼續(xù)增加到60℃時，THC排放升高。對于一氧化碳（CO）排放（圖7b），在轉(zhuǎn)速低于2000r/min時，隨進氣溫度增加排放降低。而在轉(zhuǎn)速高于2000r/min時，當進氣溫度由25℃增加到45℃時，CO排放降低，當溫度繼續(xù)增加到60℃時，CO排放升高。NOx排放（圖7c）隨著進氣溫度的增加排放逐漸降低。排放的變化規(guī)律跟前述燃燒特性息息相關。盡管進氣溫度增加會導致燃油霧化更佳，以及為降低爆震而推遲點火角造成的更長的滯燃期在一定程度上會降低排放。但同時進氣溫度過高也會造成燃燒惡化，因此過度地提高進氣溫度也會造成CO和THC排放的增加[10-11]。

3? 結(jié)論

①進氣溫度的增加從而顯著降低了PFI發(fā)動機的動力性。在進氣溫度從25℃增加到60℃后，PFI汽油機的BMEP的降低率能達到10%。

②適當?shù)卦黾舆M氣溫度能稍微提高發(fā)動機的經(jīng)濟性并且改善了排放，這是由于進氣溫度增加有利于PFI汽油機燃油的霧化和燃燒組織，因此提高了發(fā)動機的經(jīng)濟性并且改善了排放。但進氣溫度過高也會降低發(fā)動機的經(jīng)濟性并且惡化排放。

③因此，在夏季高溫行車的時候，搭載PFI發(fā)動機的車輛將有可能出現(xiàn)一定的動力性、經(jīng)濟性和排放性能衰退。

④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(chǎn)品的開發(fā)。

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