进气温度对整车动力性能影响的试验研究

摘 要：通过改制一台匹配自然吸气发动机的MPV试制样车，在同一条件实现不同进气系统布置方案下的爬坡工况热负荷试验，查找出了夏季试验时由于进气温度高导致长时间怠速后汽车起步动力性变差的根本原因；利用环境排放试验室进行不同环境温度，不同工况的进气系统改制方案的对比试验研究，结果表明：发仓前端密封可以有效的降低进气温度；在不同的环境温度下，降低进气温度可以改善发动机的动力性能。

关键词：进气温度；动力性；高温；整车

中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）07-41-04

Abstract： Through the restructuring of a naturally aspirated engine matching MPV vehicle， under the same condition for the different air intake system layout scheme of climbing condition heat load test， finding out the root cause that the higher inlet temperature brings poor dynamic performance of the vehicle during the summer calibration； Under different inlet tempera -ture conditions and different working conditons， the comparison test of different intake system scheme is carried in the environmental emission laboratory ，The results show that the sealing can effectively reduce inlet temperature. Under differ- ent ambient temperature， reducing inlet temperature can improve the dynamic performance of the engine.

Keywords： Intake Temperature； Power Performance； High temperature； the Vehicle

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）07-41-04

前言

夏季标定试验时，车辆经过长时间怠速后，起步性能变差，会明显感觉到车辆的动力性能不足。近年来，国内外对车辆动力性不足的这一问题开展了一些列的研究，如发动机与变速箱的速比的合理匹配 [1.2]、整车行驶阻力的优化[3]、整车性能与动力总成系统的标定匹配[4]等对动力性能的影响，而对于进气系统的原始进气口的布置不合理导致发动机进气温度上升造成整车动力性能的下降的研究还相对较少。

进气系统的设计优劣直接影响发动机的性能。肖干[5]等研究了不同进气温度条件下实现压燃汽油直喷压燃烧方式的试验，结果表明，随着进气温度升高，着火时刻提前，最高的爆发压力和峰值放热率均升高，热指示热效率提高，排放升高。对于自然吸气发动机而言，进气温度对发动机动力性能的影响更为突出。在相同的空燃比条件下，进气温度每上升10℃，发动机的功率则降低3%～5%，这是由于高温气体从原始进气口进入到发动机，由于高温带来的氧气密度的降低，导致发动机有效的充气效率下降，易产生爆震的倾向，为了避免对发动机的损坏，就必须减小点火提前角，从而使得整车的动力性能变差。

针对夏季标定试验后，出现长时间怠速后车辆的起步动力性能变差，影响驾驶感受的现象，通过对整车改制进气系统方案的研究，分析出进气温度高的根本原因，从而制定原始进气口的设计规范。并针对问题车辆对前端模块的密封进行改制，通过对比试验研究，得到了前端密封对进气温度的影响，并在不同的环境温度下，研究了进气温度对发动机的动力性及爆震倾向的影响。解决了由于进气温度高导致整车的动力性能变差的实际问题。

1 试验部分

1.1 问题排查及讨论

改制車辆的进气系统进行问题的排查验证。图1为整车进气系统的改制方案。测试工况：环境温度25℃，低速爬坡工况（50Km/h-2G-9%坡度）。方案（a）原车辆进气系统布置的方案。方案（b）是为了验证是否由发动机的热辐射导致进气温度变高。方案（c）是为了验证是否由原始进气口的布置问题导致进气温度变高。

从图2可以看出，空气滤清器布置在发动机上与布置在发动机侧对进气温度的影响不大。可见，发动机的热辐射对进气系统的温度影响很小。而将原始进气口引出发仓，对进气温度影响较大，原始进气口的温度降低6℃，节气门入口的温度降低4.1℃。这是由于原始进气口受发仓及冷却模块所产生的热气及风扇扰动产生气流的影响较小，带来的进气温度的降低。由此可见，原始进气口的布置位置的合理性对进气温升影响较大。

1.2 试验工况

测试环境在某公司的环境排放试验室中进行。该试验室配备AVL48英寸四驱地盘测功机系统及IMTECH高低温环境模拟系统。测试车辆采用磨合3000Km后的工装样车进行试验测试。试验条件（见表1）：

测试前对试验测试车辆进行预热处理，进行100Km/h、10min-Idle、5min-100Km/h、10min-Idle、5min的试验磨合。

工况Ⅰ测试方法：将工装样车进行预跑后进行Idle- 5min。

工况Ⅱ测试方法：将工装样车进行预跑后，在30℃＼35℃＼40℃＼45℃不同的环境温度下进行Idle 5min、2G-10Km /h-5min、3G-WOT的测试。

1.3 方案说明

在不改变进气系统现有布置方案的前提下，对工装样车进行改制，将原始进气口与发仓进行隔离，避免发动机仓热气及冷却模块所产生的热气扩散入进气口。

图3为试制样车进行密封处理后的改制图片。

从图3（A）可以看出，原始进气口安装位置支梁与水箱上横梁间存在较大空隙。发仓中的热气会通过间隙进入原始进气口。图3（B）采用隔热材料将原始进气口与发动机仓进行隔离（绝对密封），避免发仓中的热气及冷却模块、冷凝器所产生的热气及风扇扰动的热气流从原始进气口进入发动机。

2 结果与讨论

2.1 工况Ⅰ的试验结果分析

图4为改进前后进气温度随着时间的变化规律。可以看出，在车辆怠速5min的过程中，改进后方案B比A方案的原始进气口温度降低了约20℃，节气门口的进气温度降低约7℃。由此可见，车辆前端增加密封后的方案可以降低进气温度，尤其是原始进气口的温度。当车辆长时间怠速后进气温度会明显升高。

同时，原始进气口的温度出现周期性的波动，这是由于原始进气口受风扇的周期性的开启关闭的扰动导致的。当风扇开启时，方案B的原始进气口受风扇的扰动变的很小。由此可见，原始进气口的布置对进气温度的影响至关重要。为了尽可能的降低进气温度，原始进气口布置应隔绝发动机仓、冷却模块及冷凝器所产生的热气及风扇的扰动热气从原始进气口进入发动机，保证发动机吸入新鲜的空气。

2.2 工况Ⅱ的试验结果分析

进气温度高，会导致发动机的有效充气效率的下降，使得发动机燃烧温度过高，爆震倾向增加。为了避免由于发动机爆震所带来的破坏，需要推迟点火提前角，这样会导致燃烧压力的降低，出现较大的能量损失，从而使整车的动力性能变差。

图5为不同的进气温度条件下，进气温度对发动机点火提前角及整车动力性的影响曲线。

从图5（a）可以看出，在30℃的环境温度下，增加密封后节气门口的进气温度降低2～3℃，车辆的起步动力性能好于原状态，从750rpm到5500rpm转速范围，3G-WOT工况，加速时间提升0.5S，加速性能优化原状态。局部范围发动机点火提前0.75CA 。由此可见，30℃下降低进气温度可以降低爆震倾向，提升整车的动力性能。

从图5（b）可以看出，在35℃的环境温度下，节气门口的进气温度降低3～4℃，车辆的起步性能好于原始状态，从750rpm到5500rpm转速区间，3G-WOT工况，加速时间提升2S，加速性能优化原状态。局部范围点火提前角提前0.75CA。

从图5（c）可以看出，在40℃的环境温度下，节气门口的进气温度降低2～3℃，车辆的起步动力性能略好于原状态，从750rpm到5500rpm转速区间，3G-WOT工况，加速时间提升1.4S，加速性能优化原状态。点火提前角变化不大，对发动机爆震倾向改善较小。

从图5（d）可以看出，在45℃的环境温度下，节气门口的进气温度降低2～3℃，车辆的起步动力性能略好于原状态，从750rpm到5500rpm转速区间，3G-WOT工况，加速时间提升1.7S，加速性能优化原状态。局部范围点火提前角提前0.75～1.5CA。由此可见，高温环境下，较低的进气温度可以带来整车动力性能的较大提升。

2.3 原始进气口设计要求

通过上述试验研究分析，进气系统原始进气口的布置对整车的动力性能影响较大，完善进气系统原始进气口的设计规范。

首先，原始进气口的布置应考虑避免雨雪及灰尘的进入，如原始进气口的位置受布置所限，需要考虑到进气系统中增加除雨雪装置；考虑到涉水工况的影响，避免汽车涉水时发动机进水，原始进气口布置的Z向高度尽量增高。

其次，原始进气口的位置应避免布置在车辆行驶时的负压区，这样会导致吸入发动机的空气密度降低，影响发动机的功率发挥，并使排放结果恶化，影响汽车的动力性及经济性。

最后，原始进气口的位置还需要考虑发仓热气及其他热源产生热气对发动机的影响，较高的进气温度会使得汽车的动力性下降，爆震倾向增加。

3 結束语

1）发仓前端有效密封的措施可以有效的降低进气温度，原始进气口设计的合理性影响发动机的性能。

2）在不同的环境温度下，降低进气口及发动机的节气门入口处的温度可以改善长时间怠速后的车辆的动力性能，减

少爆震现象的发生。

3）原始进气口的设计应综合考虑规避雨雪及汽车涉水进水，避免布置在汽车行驶时的负压区及避免发仓及其他热源产生的热气进入发动机。

参考文献

[1] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，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] 钱人一.现代其汽车发动机电子控制[M].上海：上海交通大学出版社，2004：104-108.

[4] 龙金世，王静.发动机进气温度对整车性能的影响研究[J].科学中国人，2015，10：56.

[5] 肖干，张煜盛，郎静，等.进气温度对汽油直喷压燃发动机燃烧机排放性能的试验[J].内燃机学报，2014，32（2）：127-130.