重型牵引车发动机进气温度影响因素研究

雷颖絜 王飞 刘海霞

摘 要：进气温度是发动机整车安装质量保证（Installation Quality Assurance）中的重要参数。本文采用理论分析、计算机仿真和台架试验的方法，对进气温度对发动机性能的影响进行了研究；针对重型牵引车的进气系统，明确了对进气温度有影响的因素，提出了进气温度改善的措施，为整车设计提供了依据。

关键词：重型牵引车；进气温度；NOX排放

中图分类号：U462.3+4 文献标志码：A 文章编号：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

柴油发动机以其较高的燃烧效率和良好的耐久性，在中国商用车中得到了广泛的应用[1]。进气温度是柴油发动机整车安装质量保证（Installation Quality Assuranc）中的重要参数，会对发动机进气量及燃烧特性产生一定影响。因此在整车开发过程中，需针对影响发动机进气温度的零部件进行设计，满足发动机安装质量保证要求。本文针对某重型牵引车，分析了进气温度对发动机性能的影响，并对整车上影响进气温度的因素进行了研究。

1 进气温度对发动机经济性和排放的影响

柴油发动机缸内燃烧的质量与其动力性、经济性及排放性能高度相关。近年来，柴油机通过提高转速，加大喷油压力等技术路径改善缸内燃烧效率，这使得组织良好的燃烧过程对柴油机的燃烧系统提出了更高的要求[2]。朱一德采用台架试验和FIRE软件仿真的方法，对进气系统三个参数（涡流比、增压比和进气温度）进行了研究，发现进气温度每增加10K，有效功率下降约1kW，随着进气温度的降低，NOX和干碳烟（Soot）排放量明显降低[3]。张军认为进气温度升高，着火时刻提前，燃烧过程的高温区驻留时间延长，高温、高温区域驻留时间长共同造成了NOx排放的显著增加[4]。低温燃燒策略LTC（Low Temperature Combustion）可降低缸内燃烧温度，从而降低发动机污染物的排放[5]。

为了量化进气温度对发动机燃烧性能的影响，选择一款重型牵引车上安装的13L排量柴油发动机进行建模和仿真计算。该发动机的安装质量保证中要求进气温升（进入发动机缸内燃烧气体的温度相对环境温度的升高值）≤25℃。因此，采用AVL FIRE软件，分别针对进气温升20℃和30℃进行仿真计算（其他参数保持不变），结果如下：

从计算结果可看出，发动机进气温度对发动机燃油经济性和NOX排放的影响较大。因此，采用台架试验的方法，对发动机不同油门开度、不同转速下的进气温度对发动机的影响进行复测。试验中选择了三种发动机工况：

从台架试验结果中可以看出，在不同工况下，进气温度均对发动机经济性和NOX排放有显著影响。因此可得到如下结论：

1）进气温度升高对发动机的动力性、经济性有负面影响；对于该发动机，进气温度每上升10℃，燃油经济性约恶化1%。

2）进气温度升高对NOX排放量影响较大，进气温度每上升10℃，NOX排放量约恶化4.5%。

2 影响发动机进气温度的影响因素

对于重型牵引车来说，发动机进气过程通常为：

1）大气通过驾驶室后部的引气道进入空气滤清器，温度基本不变。

2）空气进入发动机涡轮增压器，温度上升。

3）空气进入中冷器，温度下降；随后进入发动机进行燃烧。

上表为4种典型牵引车进气温度变化情况，可以看出不同车型在不同阶段的温度变化情况均有所不同，零部件的特性对进气温度的变化有着显著影响。影响进气温度的主要因素包括：

1）引气道密封性。国内部分有导流罩的牵引车的进气入口位于侧导流罩处，如引气道与侧导流罩之间密封不严，则会出现发动机舱内热空气上升，顺着缝隙进入引气道，导致进气温度偏高的情况。在扭矩点，车型A的空滤进气温度相对环境温度上升了4.1℃，而车型C仅上升了1.1℃，说明车型C的引气道密封性较好。

针对车型A增加引气道密封垫，并进行温升对比试验。从试验结果中可以看出，安装引气道密封垫前，从进气口到空滤进口处温度上升了4.1℃；增加密封垫后，温度几乎没有升高。

2）增压器特性。增压比是柴油机涡轮增压器的重要参数，定义为压气机出口气体总绝对压力与进口气体总绝对压力之比[6]，用πC表示。

冷器周边的气体流场也有所不同。以某国内重型牵引车为例，采用FLUENT仿真软件，通过整车建模和CFD流场分析，发现在部分情况下存在热风回流的情况，影响中冷器的散热。

仿真分析的主要过程包括：①采集整车数据进行建模，主要包括影响驾驶室进风面积的前面罩、冷凝器、中冷器、水箱、风扇，影响整车流场的驾驶室造型、车架等。

②针对整车不同剖面进行流场分析，寻找热风回流点。

③通过分析发现在中冷器周边存在热风回流的情况；在中冷器周边增加热回风挡板后再以进行流场的对比，发现挡板可有效改善中冷器散热性能，从而降低进气温升。

在某牵引车上增加热回风挡板并开展整车冷却性能试验，通过试验结果分析可看出，采用热回风挡板后，发动机进气温升降低了3-5℃，整车最高环境许用温度提升了4-6℃。

3 总结

本文采用仿真和台架试验的方法，对柴油发动机进气温度与性能之间关系进行了分析，发现进气温度与发动机燃油经济性和NOX之间有着显著关系，在发动机匹配应用过程中，需对进气温度进行有效控制。对重型牵引车而言，影响进气温度的主要因素包括引气道的密封性、增压器特性以及中冷器性能，可通过改善引气道密封性、增大中冷器尺寸和中冷器热流场优化等方法降低进气温度。

参考文献：

[1]边耀璋.汽车新能源技术[M].北京：人民交通出版社，2003.