進(jìn)氣溫度對整車動(dòng)力性能影響的試驗(yàn)研究

廉巨龍，何振安，楊玉林，段佳伶

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

夏季標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，車輛經(jīng)過長時(shí)間怠速后，起步性能變差，會(huì)明顯感覺到車輛的動(dòng)力性能不足。近年來，國內(nèi)外對車輛動(dòng)力性不足的這一問題開展了一些列的研究，如發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的速比的合理匹配[1.2]、整車行駛阻力的優(yōu)化[3]、整車性能與動(dòng)力總成系統(tǒng)的標(biāo)定匹配[4]等對動(dòng)力性能的影響，而對于進(jìn)氣系統(tǒng)的原始進(jìn)氣口的布置不合理導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度上升造成整車動(dòng)力性能的下降的研究還相對較少。

進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。肖干[5]等研究了不同進(jìn)氣溫度條件下實(shí)現(xiàn)壓燃汽油直噴壓燃燒方式的試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著進(jìn)氣溫度升高，著火時(shí)刻提前，最高的爆發(fā)壓力和峰值放熱率均升高，熱指示熱效率提高，排放升高。對于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)而言，進(jìn)氣溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的影響更為突出。在相同的空燃比條件下，進(jìn)氣溫度每上升10℃，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率則降低3%～5%，這是由于高溫氣體從原始進(jìn)氣口進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)，由于高溫帶來的氧氣密度的降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)有效的充氣效率下降，易產(chǎn)生爆震的傾向，為了避免對發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞，就必須減小點(diǎn)火提前角，從而使得整車的動(dòng)力性能變差。

針對夏季標(biāo)定試驗(yàn)后，出現(xiàn)長時(shí)間怠速后車輛的起步動(dòng)力性能變差，影響駕駛感受的現(xiàn)象，通過對整車改制進(jìn)氣系統(tǒng)方案的研究，分析出進(jìn)氣溫度高的根本原因，從而制定原始進(jìn)氣口的設(shè)計(jì)規(guī)范。并針對問題車輛對前端模塊的密封進(jìn)行改制，通過對比試驗(yàn)研究，得到了前端密封對進(jìn)氣溫度的影響，并在不同的環(huán)境溫度下，研究了進(jìn)氣溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及爆震傾向的影響。解決了由于進(jìn)氣溫度高導(dǎo)致整車的動(dòng)力性能變差的實(shí)際問題。

1 試驗(yàn)部分

1.1 問題排查及討論

表1 試驗(yàn)條件

改制車輛的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行問題的排查驗(yàn)證。圖1為整車進(jìn)氣系統(tǒng)的改制方案。測試工況：環(huán)境溫度25℃，低速爬坡工況（50Km/h-2G-9%坡度）。方案（a）原車輛進(jìn)氣系統(tǒng)布置的方案。方案（b）是為了驗(yàn)證是否由發(fā)動(dòng)機(jī)的熱輻射導(dǎo)致進(jìn)氣溫度變高。方案（c）是為了驗(yàn)證是否由原始進(jìn)氣口的布置問題導(dǎo)致進(jìn)氣溫度變高。

圖1 整車進(jìn)氣系統(tǒng)改制方案

圖2 進(jìn)氣溫度的測試結(jié)果對比

從圖2可以看出，空氣濾清器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)上與布置在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)對進(jìn)氣溫度的影響不大。可見，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱輻射對進(jìn)氣系統(tǒng)的溫度影響很小。而將原始進(jìn)氣口引出發(fā)倉，對進(jìn)氣溫度影響較大，原始進(jìn)氣口的溫度降低 6℃，節(jié)氣門入口的溫度降低4.1℃。這是由于原始進(jìn)氣口受發(fā)倉及冷卻模塊所產(chǎn)生的熱氣及風(fēng)扇擾動(dòng)產(chǎn)生氣流的影響較小，帶來的進(jìn)氣溫度的降低。由此可見，原始進(jìn)氣口的布置位置的合理性對進(jìn)氣溫升影響較大。

1.2 試驗(yàn)工況

測試環(huán)境在某公司的環(huán)境排放試驗(yàn)室中進(jìn)行。該試驗(yàn)室配備AVL48英寸四驅(qū)地盤測功機(jī)系統(tǒng)及IMTECH高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)。測試車輛采用磨合3000Km后的工裝樣車進(jìn)行試驗(yàn)測試。試驗(yàn)條件（見表1）：

測試前對試驗(yàn)測試車輛進(jìn)行預(yù)熱處理，進(jìn)行100Km/h、10min-Idle、5min-100Km/h、10min-Idle、5min的試驗(yàn)?zāi)ズ稀?/p>

工況Ⅰ測試方法：將工裝樣車進(jìn)行預(yù)跑后進(jìn)行 Idle-5min。

工況Ⅱ測試方法：將工裝樣車進(jìn)行預(yù)跑后，在 30℃35℃40℃45℃不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行 Idle 5min、2G-10Km/h-5min、3G-WOT的測試。

1.3 方案說明

在不改變進(jìn)氣系統(tǒng)現(xiàn)有布置方案的前提下，對工裝樣車進(jìn)行改制，將原始進(jìn)氣口與發(fā)倉進(jìn)行隔離，避免發(fā)動(dòng)機(jī)倉熱氣及冷卻模塊所產(chǎn)生的熱氣擴(kuò)散入進(jìn)氣口。

圖3為試制樣車進(jìn)行密封處理后的改制圖片。

圖3 樣車密封改制圖

從圖3(A)可以看出，原始進(jìn)氣口安裝位置支梁與水箱上橫梁間存在較大空隙。發(fā)倉中的熱氣會(huì)通過間隙進(jìn)入原始進(jìn)氣口。圖3(B)采用隔熱材料將原始進(jìn)氣口與發(fā)動(dòng)機(jī)倉進(jìn)行隔離（絕對密封），避免發(fā)倉中的熱氣及冷卻模塊、冷凝器所產(chǎn)生的熱氣及風(fēng)扇擾動(dòng)的熱氣流從原始進(jìn)氣口進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 結(jié)果與討論

2.1 工況Ⅰ的試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為改進(jìn)前后進(jìn)氣溫度隨著時(shí)間的變化規(guī)律?？梢钥闯?，在車輛怠速5min的過程中，改進(jìn)后方案B比A方案的原始進(jìn)氣口溫度降低了約20℃，節(jié)氣門口的進(jìn)氣溫度降低約7℃。由此可見，車輛前端增加密封后的方案可以降低進(jìn)氣溫度，尤其是原始進(jìn)氣口的溫度。當(dāng)車輛長時(shí)間怠速后進(jìn)氣溫度會(huì)明顯升高。

同時(shí)，原始進(jìn)氣口的溫度出現(xiàn)周期性的波動(dòng)，這是由于原始進(jìn)氣口受風(fēng)扇的周期性的開啟關(guān)閉的擾動(dòng)導(dǎo)致的。當(dāng)風(fēng)扇開啟時(shí)，方案B的原始進(jìn)氣口受風(fēng)扇的擾動(dòng)變的很小。由此可見，原始進(jìn)氣口的布置對進(jìn)氣溫度的影響至關(guān)重要。為了盡可能的降低進(jìn)氣溫度，原始進(jìn)氣口布置應(yīng)隔絕發(fā)動(dòng)機(jī)倉、冷卻模塊及冷凝器所產(chǎn)生的熱氣及風(fēng)扇的擾動(dòng)熱氣從原始進(jìn)氣口進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)吸入新鮮的空氣。

圖4 A/B方案怠速工況下進(jìn)氣溫度隨時(shí)間的變化

2.2 工況Ⅱ的試驗(yàn)結(jié)果分析

進(jìn)氣溫度高，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的有效充氣效率的下降，使得發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度過高，爆震傾向增加。為了避免由于發(fā)動(dòng)機(jī)爆震所帶來的破壞，需要推遲點(diǎn)火提前角，這樣會(huì)導(dǎo)致燃燒壓力的降低，出現(xiàn)較大的能量損失，從而使整車的動(dòng)力性能變差。

圖5為不同的進(jìn)氣溫度條件下，進(jìn)氣溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角及整車動(dòng)力性的影響曲線。

從圖5(a)可以看出，在30℃的環(huán)境溫度下，增加密封后節(jié)氣門口的進(jìn)氣溫度降低 2～3℃，車輛的起步動(dòng)力性能好于原狀態(tài)，從750rpm到5500rpm轉(zhuǎn)速范圍，3G-WOT工況，加速時(shí)間提升0.5S，加速性能優(yōu)化原狀態(tài)。局部范圍發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前 0.75CA 。由此可見，30℃下降低進(jìn)氣溫度可以降低爆震傾向，提升整車的動(dòng)力性能。

從圖5(b)可以看出，在35℃的環(huán)境溫度下，節(jié)氣門口的進(jìn)氣溫度降低 3～4℃，車輛的起步性能好于原始狀態(tài)，從750rpm到5500rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間，3G-WOT工況，加速時(shí)間提升 2S，加速性能優(yōu)化原狀態(tài)。局部范圍點(diǎn)火提前角提前0.75CA。

從圖5(c)可以看出，在40℃的環(huán)境溫度下，節(jié)氣門口的進(jìn)氣溫度降低 2～3℃，車輛的起步動(dòng)力性能略好于原狀態(tài)，從750rpm到5500rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間，3G-WOT工況，加速時(shí)間提升1.4S，加速性能優(yōu)化原狀態(tài)。點(diǎn)火提前角變化不大，對發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向改善較小。

從圖5(d)可以看出，在45℃的環(huán)境溫度下，節(jié)氣門口的進(jìn)氣溫度降低 2～3℃，車輛的起步動(dòng)力性能略好于原狀態(tài)，從750rpm到5500rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間，3G-WOT工況，加速時(shí)間提升1.7S，加速性能優(yōu)化原狀態(tài)。局部范圍點(diǎn)火提前角提前0.75～1.5CA。由此可見，高溫環(huán)境下，較低的進(jìn)氣溫度可以帶來整車動(dòng)力性能的較大提升。

圖5 不同溫度下進(jìn)氣溫度對整車動(dòng)力性的影響

2.3 原始進(jìn)氣口設(shè)計(jì)要求

通過上述試驗(yàn)研究分析，進(jìn)氣系統(tǒng)原始進(jìn)氣口的布置對整車的動(dòng)力性能影響較大，完善進(jìn)氣系統(tǒng)原始進(jìn)氣口的設(shè)計(jì)規(guī)范。

首先，原始進(jìn)氣口的布置應(yīng)考慮避免雨雪及灰塵的進(jìn)入，如原始進(jìn)氣口的位置受布置所限，需要考慮到進(jìn)氣系統(tǒng)中增加除雨雪裝置；考慮到涉水工況的影響，

避免汽車涉水時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水，原始進(jìn)氣口布置的Z向高度盡量增高。

其次，原始進(jìn)氣口的位置應(yīng)避免布置在車輛行駛時(shí)的負(fù)壓區(qū)，這樣會(huì)導(dǎo)致吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣密度降低，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率發(fā)揮，并使排放結(jié)果惡化，影響汽車的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性。

最后，原始進(jìn)氣口的位置還需要考慮發(fā)倉熱氣及其他熱源產(chǎn)生熱氣對發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，較高的進(jìn)氣溫度會(huì)使得汽車的動(dòng)力性下降，爆震傾向增加。

3 結(jié)束語

1）發(fā)倉前端有效密封的措施可以有效的降低進(jìn)氣溫度，原始進(jìn)氣口設(shè)計(jì)的合理性影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

2）在不同的環(huán)境溫度下，降低進(jìn)氣口及發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門入口處的溫度可以改善長時(shí)間怠速后的車輛的動(dòng)力性能，減少爆震現(xiàn)象的發(fā)生。

3）原始進(jìn)氣口的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮規(guī)避雨雪及汽車涉水進(jìn)水，避免布置在汽車行駛時(shí)的負(fù)壓區(qū)及避免發(fā)倉及其他熱源產(chǎn)生的熱氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] Daisuke C,Kuniaki K, Hayato K,et al.Devel 2 opment of a control system for an omni 2 directional veicle with step 2 climbing ability.Advanced obotics, 2005, 9(1) :55-71.

[3] 錢人一.現(xiàn)代其汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2004:104-108.

[4] 龍金世,王靜.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度對整車性能的影響研究[J].科學(xué)中國人,2015,10:56.

[5] 肖干,張煜盛,郎靜,等.進(jìn)氣溫度對汽油直噴壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒機(jī)排放性能的試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2014,32(2):127-130.