进气温度对PFI汽油机性能影响的对标研究

邱君 杨素霞 高涛 李利斌 霍永占 王振宇

摘要：通过发动机对标试验，对一台进气道喷射（PFI）的汽油机进行了外特性试验，研究进气温度对其动力性、经济性和排放的影响。试验结果表明：增加进气温度会降低PFI汽油机的动力性，当进气温度由25 ℃增加到60 ℃时，在发动机转速高于4000 r/min区域，外特性平均有效压力的降幅达到了10%。适当提高进气温度会提高PFI汽油机的经济性并优化其排放性能，但进气温度过高后会导致PFI发动机的动力性能和排放性能恶化。

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.

关键词：进气道喷射汽油机;进气温度;性能;排放;油耗

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

0  引言

日趋严格的排放和油耗法规在规范产业发展的同时也对汽车生产企业提出了更高的要求[1-2]。这就要求汽车企业在产品开发中必须考虑更周全细致，以应对排放和油耗法规。通过对市场上先进标杆机型的对标，一方面可以得到竞品标杆机型性能数据从而确定开发机型性能参数指标，同时也可以比较出开发产品与市场上标杆机型的差距，充分认识到开发产品的不足，并从标杆机型的数据对比中学习经验，进一步提升自己开发机型的性能目标。

進气温度是影响发动机性能的关键参数之一[3-5]。在夏季炎热大负荷工况下，进气温度会很高，远远偏离发动机要求的进气温度边界，从而对整车性能产生影响。因此，在本文中选取了一台进气道喷射（PFI）的汽油机，研究进气温度对其动力性、经济性和排放的影响。

1  试验设备和方法

1.1 试验发动机

试验选取了市面上销量较高的一款PFI汽油机，此发动机的主要技术参数如表1所示。

1.2 试验方法

对标试验采用延长线束的方式实现发动机在台架上与整车信号线、电源线相连。原整车点火控制信号、油门信号线从ECU端断开接入台架进行控制。点火、喷油信号使用电流钳接入燃烧分析仪测试脉冲信号，缺失的整车轮速、变速箱信号使用LabVIEW编程并使用NI公司的信号模拟器实现。

试验中，通过进气空调控制PFI发动机进气温度分别为25℃、45℃和60℃，在此基础上进行了外特性试验。要求每组数据均在发动机工况稳定后平行测量2次取平均值。缸压数据采集为300个循环的平均值，并通过AVL公司燃烧分析仪对缸压数据进行计算处理。试验台架的主要设备如表2所示。

2  试验结果及分析

2.1 进气温度对PFI发动机动力性能的影响

PFI发动机在不同进气温度下的外特性有效平均压力（BMEP）曲线如图1所示。

在发动机节气门全开的情况下，随着进气温度的增加，发动机的平均有效压力降低（除了在1000r/min工况下，45℃的进气温度的平均有效压力比25℃条件下的平均有效压力略高）。并且随着发动机转速的增加，平均有效压力的降低更加明显。如图中在发动机转速高于4000r/min之后，平均有效压力的降幅达到了10%左右。

为进一步分析其原因，图2-图5给出了不同进气温度下的燃烧特性。从图2可以看出，随着进气温度的增加，点火提前角推迟。当进气温度从25℃增加到45℃时，点火提前角的推迟比较小，当继续增加到60℃时，点火提前角推迟了3-5°CA。由于随着进气温度的增加，燃油雾化更好将导致爆震倾向更高，ECU因此会推迟点火以降低爆震发生的可能性[6]。

图3为不同进气温度下过量空气系数的变化曲线。在发动机转速高于4000r/min之后，为了零部件保护的考虑（防止排温过高），不同进气温度下的过量空气系数均一致（约为0.81）。在进气温度60℃的条件下其进气密度低，因此在相同过量空气系数时温度越高则喷油越少，在加上如图2所示的为预防爆震所采取的点火推迟造成燃烧效率降低，从而导致在发动机转速高于4000r/min之后平均有效压力的大幅降低。

图4为不同进气温度下缸压峰值及其对应的曲轴转角的变化曲线。进气温度的增加导致缸压峰值降低并且其对应的曲轴转角推迟。当进气温度从25℃增加到60℃时其缸压峰值最大降低率达到39%，而缸压峰值对应的曲轴转角推迟了约10°C。

图5为不同进气温度下燃烧持续期和循环变动的变化曲线。其中燃烧持续期定义为累计放热率从5%到90%所经历的曲轴转角。循环变动由循环变动率（COV）表示[7-8]：

其中σx为循环指示平均压力（IMEP）标准偏差，N=300。

X为指示平均压力（IMEP）的循环平均值

从图5中可以看到，随着进气温度的增加，燃烧持续期延长，循环变动增加。如1500r/min，在进气温度为25℃时的燃烧持续期为20°CA，COV为1.5%，而当进气温度增加到60℃时，燃烧持续期增加到30°CA，COV增加到3%。如前文所述，进气温度增加导致点火提前角的推迟，混合气膨胀比降低，最高燃烧压力点曲轴转角推迟，后燃增加，燃烧速度减缓，燃烧持续期增加。同时由于进气温度增加后爆震倾向增加，ECU在调整点火角的过程中容易造成燃烧的不稳定，此外点火角推迟会导致后燃造成燃烧恶化，因此循环变动也随之变大[9]。

2.2 温度对PFI发动机油耗的影响

该PFI发动机在不同进气温度下的油耗外特性如图6所示。当进气温度从25℃增加到45℃时，油耗略微有所降低。当继续增加到60℃后，除了1000r/min工况外，其它工况油耗均有较大幅度增加，其中低于4000r/min的转速，油耗增幅为6%-13%，在高于4000r/min，油耗增幅达到14%-20%。其原因同之前的燃烧分析，即当进气温度增加到一定程度后，继续增加温度会大大恶化燃烧，从而造成经济性下降。

2.3 温度对PFI发动机排放的影响

该PFI发动机在不同进气温度下的排放特性如图7所示。对于总碳氢（THC）排放（图7a），在4000r/min之前，随着进气温度的增加排放降低。而在转速高于4000r/min时，当进气温度由25℃增加到45℃时，THC排放降低，当温度继续增加到60℃时，THC排放升高。对于一氧化碳（CO）排放（图7b），在转速低于2000r/min时，随进气温度增加排放降低。而在转速高于2000r/min时，当进气温度由25℃增加到45℃时，CO排放降低，当温度继续增加到60℃时，CO排放升高。NOx排放（图7c）随着进气温度的增加排放逐渐降低。排放的变化规律跟前述燃烧特性息息相关。尽管进气温度增加会导致燃油雾化更佳，以及为降低爆震而推迟点火角造成的更长的滞燃期在一定程度上会降低排放。但同时进气温度过高也会造成燃烧恶化，因此过度地提高进气温度也会造成CO和THC排放的增加[10-11]。

3  结论

①进气温度的增加从而显著降低了PFI发动机的动力性。在进气温度从25℃增加到60℃后，PFI汽油机的BMEP的降低率能达到10%。

②适当地增加进气温度能稍微提高发动机的经济性并且改善了排放，这是由于进气温度增加有利于PFI汽油机燃油的雾化和燃烧组织，因此提高了发动机的经济性并且改善了排放。但进气温度过高也会降低发动机的经济性并且恶化排放。

③因此，在夏季高温行车的时候，搭载PFI发动机的车辆将有可能出现一定的动力性、经济性和排放性能衰退。

④通过对标分析，可以對市场上竞品发动机的特性甚至控制策略进行深入的研究，有利于掌握竞品发动机的特性并指导产品的开发。

参考文献：

[1]GB18352.6-2016，轻型汽车污染物排放限值和测量方法（中国第六阶段）[S].环境保护部，2016.

[2]工业和信息化部令第44号乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法[S].工业与信息化部，2017.

[3]PREMKARTIKKUMAR S R， ANNAMALAI K，PRADEEPKUMAR A R. Significance of inlet air temperature on reducing engine-out emissions of DI diesel engine operating under the influence of oxygen enriched hydrogen gas[J]. Transactions of Mechanical Engineering， 2018， 38（1）：57-68.

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[6]李元平，平银生，尹琪.增压缸内直喷汽油机早燃及超级爆震试验研究[J].内燃机工程，2012，33（5）：63-66.

[7]MAURYA R K， AGARVAL A K. Experimental investigation on the effect of intake air temperature and air-fuel ratio on cycle-to-cycle variations of HCCI combustion and performance parameters[J]. Applied Energy， 2011， 88： 1153-1163.

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[10]肖干，张煜盛，郎静，等.进气温度对汽油直喷压燃发动机燃烧及排放性能影响的试验[J].内燃机学报，2014，32（2）：125-130.

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