高進氣溫度對增壓發(fā)動機性能以及燃燒影響試驗研究

高尚志 孫曉東 孫程龍 吳昌雷

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

渦輪增壓是提高發(fā)動機性能，實現(xiàn)汽油機節(jié)能的重要手段[1]。但是在夏季高溫地區(qū)，高進氣溫度會影響發(fā)動機散熱，導致發(fā)動機缸內(nèi)溫度過高[2]。在高溫環(huán)境下，發(fā)動機進氣密度變小，會導致發(fā)動機轉(zhuǎn)矩降低，動力性變差[3]。同時高進氣溫度會導致缸內(nèi)溫度升高，容易誘發(fā)爆震和早燃[4]，需要對發(fā)動機最大輸出轉(zhuǎn)矩進行限制。但是發(fā)動機轉(zhuǎn)矩限制過大也會導致發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩小，性能變差。

本文選用了一款小型增壓發(fā)動機，對發(fā)動機進氣溫度、燃燒中心角度、進氣壓力等參數(shù)進行界定。在特定邊界條件下，控制發(fā)動機點火角和進氣壓力、過量空氣系數(shù)等參數(shù)，優(yōu)化發(fā)動機性能，找到發(fā)動機在各轉(zhuǎn)速的最大轉(zhuǎn)矩，為發(fā)動機高進氣溫度限轉(zhuǎn)提供參考依據(jù)。

1 試驗概況

為了保證在高進氣溫度下發(fā)動機運行的穩(wěn)定性和可靠性，在開發(fā)過程中對發(fā)動機控制邊界進行界定，主要包括以下參數(shù)。

表1 發(fā)動機控制參數(shù)

試驗裝置主要包括：一款1.0 L 增壓發(fā)動機、發(fā)動機的所有附件以及臺架采集溫度、壓力傳感器，AVL 燃燒分析儀、AVL260 電力測功機、KISTLER 火花塞式缸壓傳感器等。

試驗選用一款3 缸1.0L 增壓發(fā)動機，具體參數(shù)如表2 所示。

表2 發(fā)動機基本參數(shù)

2 發(fā)動機性能分析

發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩、中冷后溫度、出水溫度、進氣溫度、點火提前角、增壓占空比、進氣歧管壓力和增壓器渦前壓力分別如圖1～8 所示。

圖1 不同轉(zhuǎn)速不同空燃比最大轉(zhuǎn)矩

由圖2～4 可知，控制發(fā)動機出水溫度在108 ℃（節(jié)溫器全開溫度）。發(fā)動機的進氣溫度（空濾前）在30～33 ℃之間。試驗過程中，控制發(fā)動機高水溫、高進氣溫度、高中冷后溫度，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機ECU 參數(shù)增壓占空比（達到最大增壓能力時增壓器占空比為0）和點火提前角，將發(fā)動機控制到爆震邊界，找到發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速、不同過量空氣系數(shù)的最大轉(zhuǎn)矩。

圖2 中冷后溫度控制

圖3 出水溫度控制

圖4 進氣溫度控制

發(fā)動機在1 000 r/min 和1 500 r/min 外特性工況，隨著lambda 加濃，發(fā)動機爆震傾向變小，可以通過降低增壓器增壓占空比，關(guān)閉廢氣旁通閥，增大增壓壓力，提高發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩。如圖6 所示，在發(fā)動機低速外特性工況點，發(fā)動機排氣流量較小，增壓器增壓余度較小，所以當lambda 加濃到一定程度后，增壓占空比接近0，增壓器達到最大增壓能力。同時當增壓器增壓能力達到最大后，lambda 過濃會導致發(fā)動機混合氣在燃燒室內(nèi)燃燒不充分，惡化燃燒。所以在1 000 r/min 和1 500 r/min 外特性工況，發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩（如圖1 所示）隨著lambda 變化出現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

圖5 點火提前角

圖6 增壓器增壓占空比

發(fā)動機在2 000 r/min 至4 500 r/min 外特性工況，隨著labmda 加濃，爆震傾向減弱，可以增大點火提前角，增加增壓壓力，外特性轉(zhuǎn)矩逐漸增大，但是受到進氣歧管壓力的限制（如圖7 所示），當lambda=0.7 時，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩最大。

圖7 進氣歧管壓力

發(fā)動機在5 000 r/min 至6 000 r/min 外特性工況，隨著labmda 加濃，發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩先增加后減小，因為labmda 變大，增大點火提前角，提高增壓壓力，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩變大。但是過大的增壓壓力，使得渦前壓力變大（如圖8 所示）。發(fā)動機排氣背壓變大，缸內(nèi)殘余廢氣增多，發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩下降[5]。

圖8 增壓器渦前壓力

3 發(fā)動機燃燒分析

如圖9～11 所示，發(fā)動機在1 000 r/min 和1 500 r/min 外特性工況，lambda 值從1.0 變化到0.85 過程中，隨著lambda 加濃，缸內(nèi)混合氣燃燒溫度降低，抑制發(fā)動機爆震傾向，燃燒重心（燃燒50%對應的曲軸轉(zhuǎn)角AI50）提前，燃燒速度加快，燃燒效率增加。同時發(fā)動機缸內(nèi)壓力升高率變大，最大缸內(nèi)壓力變大，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩增加。Lambda 值從0.85 減小到0.7 過程中，繼續(xù)提前點火角度，發(fā)動機增壓器渦前排溫降低（如圖12 所示），增壓器增壓壓力變小，參與燃燒的混合氣變少，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩降低。

圖9 燃燒50%對應的曲軸轉(zhuǎn)角

圖10 缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力

發(fā)動機在2 000 r/min 至4 500 r/min 外特性工況，隨著lambda 加濃，通過控制點火提前角把發(fā)動機控制到爆震邊界，燃燒重心（燃燒50%對應的曲軸轉(zhuǎn)角AI50）提前，燃燒室火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兛?，缸?nèi)最大爆發(fā)壓力變大，壓力升高率變大，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩增加。

圖11 缸內(nèi)最大壓力升高率

圖12 增壓器渦前溫度

發(fā)動機在5 000 r/min 至6 000 r/min 外特性工況，lambda 逐漸變化到0.75 過程中，隨著lambda 加濃，燃燒重心略提前，最大爆發(fā)壓力增加，轉(zhuǎn)矩變大，lambda 從0.75 變化到0.7 過程中，排氣背壓變大，燃燒循環(huán)波動變大，轉(zhuǎn)矩降低。

4 結(jié)論

在高進氣溫度、高水溫邊界條件下，發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩隨著lambda 變化情況為：

1）在發(fā)動機低速外特性工況點，隨著過量空氣系數(shù)值變小，發(fā)動機的最大輸出轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

2）在發(fā)動機中速外特性工況點，過量空氣系數(shù)值逐漸減小到0.7，發(fā)動機最大輸出轉(zhuǎn)矩逐漸變大。

3）在發(fā)動機高速外特性點，過量空氣系數(shù)值逐漸減小到0.7，發(fā)動機最大輸出轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。