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摘要：通过发动机对标试验，对一台缸内直喷涡轮增压（TGDI）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：对于TGDI汽油机，进气增压能够补偿由于温度增加引起的进气量损失，导致中冷后进气温度对发动机动力性、经济性和排放的影响效果均不是很明显。
Abstract： Full load performance benchmarking test was conducted in engine test bed for a turbocharged direct injection gasoline engine （TGDI） to investigate the effects of inlet temperature on power performance， fuel economy and emission properties. Results shows that for TGDI engine， the effects of after-intercooler temperature on power performance， fuel economy and emission properties are insignificant because the turbocharger can compensate the inlet charge loss from the increasing charge temperature.
关键词：汽油机;缸内直喷;进气温度;性能
Key words： gasoline engine;gasoline direct injection;inlet temperature;performance
0 引言
为满足轻型车第四阶段油耗法规和国6b排放限值要求[1-2]，降低排放、改善油耗一直是各大汽车厂商追求的目标，缸内直喷、涡轮增压等技术已被广泛应用以改善汽油发动机进气和燃烧特性。研究表明直喷增压汽油机可有效改善发动机燃烧、提升发动机动力性、经济性、排放性等[3]。
汽油发动机的发展趋势是小型强化，采用直喷增压方式可有效提高发动机充气效率，改善发动机的燃烧、提高发动机的功率和扭矩，发动机排量缩小30-50%，使车辆行驶过程中发动机更趋于经济区域[4]，降低整车油耗、排放。
日趋严格的排放和油耗法规要求汽车企业在产品开发中必须考虑更周全细致。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。
汽油机是由进气量控制负荷的，进气对汽油机性能影响很大，不同进气温度影响着缸内进气量和燃烧[5]。而对于整车，随着外界环境温度的变化和伴随着车辆行驶时内部环境温度的变化，以及整车中冷能力的不同，发动机进气温度会发生变化，进而影响到汽油机的性能。
增压直喷技术目前已经在汽油机中广泛应用，但低速早燃引起的超级爆震是制约其动力性和效率提升的瓶颈。大量研究表明进气温度等因素对早燃均具有较大影响[6]。
进气温度是影响发动机性能的关键参数之一。在夏季炎熱大负荷工况下，进气温度会很高。有报道称对于增压中冷的车型，其中冷器后进气温度可在实车上达到80℃以上，远远偏离发动机要求的中冷后温度边界50℃，从而对整车性能产生影响。因此，在本文中选取了一台缸内直喷涡轮增压（TGDI）的汽油机，研究进气温度（对TGDI汽油机，进气温度指中冷后的进气温度）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TGDI汽油机上进行，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，通过中冷温度调节设备来控制TGDI发动机的中冷后温度分别在25℃、45℃和60℃，在此基础上进行了外特性试验。对于TGDI发动机，由于在低转速时增压器并未过多介入，将导致试验过程中中冷后的温度低于试验要求。而常规的中冷温度控制设备无法保证中冷后温度控制要求，因此开发了一套带加热的中冷温度控制设备来实现温度控制功能。试验过程中控制冷却水温在85±1 ℃之间，且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 温度对TGDI发动机动力性能的影响
TGDI发动机在不同进气温度下的外特性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变化幅度并不大。当进气温度由25℃增加到60℃之后，在转速低于3000r/min时，平均有效压力略有降低。而在转速超过3000r/min，平均有效压力略有提升。
图2为点火提前角随进气温度的变化曲线。从图2可以看出，随着进气温度的增加，在中低转速时点火提前角推迟了大约1-2°CA。
图3为不同进气温度下过量空气系数的变化曲线。随着进气温度的增加，过量空气系数变化并不大。
图4为不同进气温度下增压压力的变化曲线。在低转速时由于废气能量较少，增压度不大，增压压力较低，而在中高转速时增压压力随着进气温度增加而增加。这是因为对于增压发动机，ECU会自动调节增压度，增压压力也随进气温度增加而增加，补偿了由于温度增加引起进气密度降低而导致的进气量减少，从而保证了发动机的动力性能不至于出现明显的降低，相反，从图1看出，在中高转速区域还略有升高。 图5为不同进气温度下缸压峰值和缸压峰值对应的曲轴转角的变化曲线。当进气温度从25℃增加到45℃时，在大部分的转速范围内，其缸压峰值增加，并且峰值缸压对应的曲轴转角也相应提前，当继续增加到60℃时，缸压峰值反而稍微下降并且峰值缸压对应的曲轴转角延后。这主要是由于增加温度会有利于喷油的雾化，从而使燃烧速度变快，缸压峰值增加。而当温度增加过高后，虽然有利于雾化，但进气密度会有所降低，两者相互作用导致此时的缸压峰值稍有下降。
图6为不同进气温度下燃烧持續期和循环变动的变化曲线。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：
从图6中可以看到，随着进气温度的增加，燃烧持续期和循环变动总体上变化不大。如前文所述，进气温度的增加虽然有利于喷油的雾化，加快燃烧速度，缩短燃烧持续期，但另一方面，温度增加将会加大爆震倾向，导致ECU推迟点火角，不利于燃烧。两者相互作用导致燃烧持续期和循环变动对进气温度变化不敏感。
2.2 温度对TGDI发动机油耗的影响
对于TGDI发动机，从上节的分析可知增压能弥补进气温度增加所带来的进气量损失，因此进气温度对经济性的影响也不大，如图7所示。在转速低于3000r/min，随进气温度增加油耗略有增加，其主要原因是推迟的点火提前角（见图2）降低了燃烧效率，而在高于3000r/min时，由于增压度的增加导致油耗还略有降低。
2.3 温度对TGDI发动机排放的影响
该TGDI发动机在不同进气温度下的排放特性如图8所示。当改变进气温度后，除了THC排放有比较明显的差异外，CO和NOx的排放变化均不大。对于THC排放，在3000r/min之前，随着进气温度的增加排放降低。而在转速高于3000r/min时，当进气温度由25℃增加到45℃，THC排放降低，当温度继续增加到60℃时，THC排放升高。汽油机THC生成的主要原因是不完全燃烧、避免淬熄效应以及避免油膜和积碳的吸附效应[7]。结合图2，在3000r/min之前，随进气温度增加，点火提前角略有推迟，从而有利于未燃碳氢在缸内和排气管中的氧化，因此THC排放降低。在转速高于3000r/min后，过高的进气温度将会恶化燃烧，造成THC排放的增加。而CO和NOx变化不大的原因和发动机动力性变化不大的原因类似，即虽然进气温度增加导致进气密度降低从而使进气量减少造成不完全燃烧，但增压又补偿了这一损失导致过量空气系数的变化并不明显。
3 结论
①对于增压发动机，ECU会自动调节增压度，使得压力也随进气温度增加而增加。补偿了由于温度增加引起进气密度降低而导致的进气量减少，从而保证了发动机的动力性能不至于出现明显的降低，甚至在中高转速区域还略有升高。②对于对标使用的这台TGDI发动机，中冷后进气温度对动力性、经济性和排放特性的影响不显著。这也说明通过相关的标定，能有效地防止夏季中冷温度过高后对发动机性能的不利影响。③通过对标分析，可以对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。比如本次对标测试中的TGDI发动机的标定策略，企业可以进行学习和借鉴。
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]孙建军.1.8升增压直喷汽油机性能优化研究[D].吉林大学，2019.
[4]张宇璠，王占峰，陈海娥，等.利用GT-POWER研究进气温度升高对增压汽油机性能的影响[J].现代车用动力，2018，4：30-37.
[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及排放性能影响的试验[J].内燃机学报，2014，32（2）：125-130.
[6]陈志豪，范亚东，吴晓东，等.增压直喷汽油机的低速早燃特性研究[J].内燃机工程，2019，40（6）：50-55.
[7]王建昕，帅石金.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2011.
Abstract： Full load performance benchmarking test was conducted in engine test bed for a turbocharged direct injection gasoline engine （TGDI） to investigate the effects of inlet temperature on power performance， fuel economy and emission properties. Results shows that for TGDI engine， the effects of after-intercooler temperature on power performance， fuel economy and emission properties are insignificant because the turbocharger can compensate the inlet charge loss from the increasing charge temperature.
关键词：汽油机;缸内直喷;进气温度;性能
Key words： gasoline engine;gasoline direct injection;inlet temperature;performance
0 引言
为满足轻型车第四阶段油耗法规和国6b排放限值要求[1-2]，降低排放、改善油耗一直是各大汽车厂商追求的目标，缸内直喷、涡轮增压等技术已被广泛应用以改善汽油发动机进气和燃烧特性。研究表明直喷增压汽油机可有效改善发动机燃烧、提升发动机动力性、经济性、排放性等[3]。
汽油发动机的发展趋势是小型强化，采用直喷增压方式可有效提高发动机充气效率，改善发动机的燃烧、提高发动机的功率和扭矩，发动机排量缩小30-50%，使车辆行驶过程中发动机更趋于经济区域[4]，降低整车油耗、排放。
日趋严格的排放和油耗法规要求汽车企业在产品开发中必须考虑更周全细致。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。
汽油机是由进气量控制负荷的，进气对汽油机性能影响很大，不同进气温度影响着缸内进气量和燃烧[5]。而对于整车，随着外界环境温度的变化和伴随着车辆行驶时内部环境温度的变化，以及整车中冷能力的不同，发动机进气温度会发生变化，进而影响到汽油机的性能。
增压直喷技术目前已经在汽油机中广泛应用，但低速早燃引起的超级爆震是制约其动力性和效率提升的瓶颈。大量研究表明进气温度等因素对早燃均具有较大影响[6]。
进气温度是影响发动机性能的关键参数之一。在夏季炎熱大负荷工况下，进气温度会很高。有报道称对于增压中冷的车型，其中冷器后进气温度可在实车上达到80℃以上，远远偏离发动机要求的中冷后温度边界50℃，从而对整车性能产生影响。因此，在本文中选取了一台缸内直喷涡轮增压（TGDI）的汽油机，研究进气温度（对TGDI汽油机，进气温度指中冷后的进气温度）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TGDI汽油机上进行，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，通过中冷温度调节设备来控制TGDI发动机的中冷后温度分别在25℃、45℃和60℃，在此基础上进行了外特性试验。对于TGDI发动机，由于在低转速时增压器并未过多介入，将导致试验过程中中冷后的温度低于试验要求。而常规的中冷温度控制设备无法保证中冷后温度控制要求，因此开发了一套带加热的中冷温度控制设备来实现温度控制功能。试验过程中控制冷却水温在85±1 ℃之间，且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 温度对TGDI发动机动力性能的影响
TGDI发动机在不同进气温度下的外特性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变化幅度并不大。当进气温度由25℃增加到60℃之后，在转速低于3000r/min时，平均有效压力略有降低。而在转速超过3000r/min，平均有效压力略有提升。
图2为点火提前角随进气温度的变化曲线。从图2可以看出，随着进气温度的增加，在中低转速时点火提前角推迟了大约1-2°CA。
图3为不同进气温度下过量空气系数的变化曲线。随着进气温度的增加，过量空气系数变化并不大。
图4为不同进气温度下增压压力的变化曲线。在低转速时由于废气能量较少，增压度不大，增压压力较低，而在中高转速时增压压力随着进气温度增加而增加。这是因为对于增压发动机，ECU会自动调节增压度，增压压力也随进气温度增加而增加，补偿了由于温度增加引起进气密度降低而导致的进气量减少，从而保证了发动机的动力性能不至于出现明显的降低，相反，从图1看出，在中高转速区域还略有升高。 图5为不同进气温度下缸压峰值和缸压峰值对应的曲轴转角的变化曲线。当进气温度从25℃增加到45℃时，在大部分的转速范围内，其缸压峰值增加，并且峰值缸压对应的曲轴转角也相应提前，当继续增加到60℃时，缸压峰值反而稍微下降并且峰值缸压对应的曲轴转角延后。这主要是由于增加温度会有利于喷油的雾化，从而使燃烧速度变快，缸压峰值增加。而当温度增加过高后，虽然有利于雾化，但进气密度会有所降低，两者相互作用导致此时的缸压峰值稍有下降。
图6为不同进气温度下燃烧持續期和循环变动的变化曲线。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：
从图6中可以看到，随着进气温度的增加，燃烧持续期和循环变动总体上变化不大。如前文所述，进气温度的增加虽然有利于喷油的雾化，加快燃烧速度，缩短燃烧持续期，但另一方面，温度增加将会加大爆震倾向，导致ECU推迟点火角，不利于燃烧。两者相互作用导致燃烧持续期和循环变动对进气温度变化不敏感。
2.2 温度对TGDI发动机油耗的影响
对于TGDI发动机，从上节的分析可知增压能弥补进气温度增加所带来的进气量损失，因此进气温度对经济性的影响也不大，如图7所示。在转速低于3000r/min，随进气温度增加油耗略有增加，其主要原因是推迟的点火提前角（见图2）降低了燃烧效率，而在高于3000r/min时，由于增压度的增加导致油耗还略有降低。
2.3 温度对TGDI发动机排放的影响
该TGDI发动机在不同进气温度下的排放特性如图8所示。当改变进气温度后，除了THC排放有比较明显的差异外，CO和NOx的排放变化均不大。对于THC排放，在3000r/min之前，随着进气温度的增加排放降低。而在转速高于3000r/min时，当进气温度由25℃增加到45℃，THC排放降低，当温度继续增加到60℃时，THC排放升高。汽油机THC生成的主要原因是不完全燃烧、避免淬熄效应以及避免油膜和积碳的吸附效应[7]。结合图2，在3000r/min之前，随进气温度增加，点火提前角略有推迟，从而有利于未燃碳氢在缸内和排气管中的氧化，因此THC排放降低。在转速高于3000r/min后，过高的进气温度将会恶化燃烧，造成THC排放的增加。而CO和NOx变化不大的原因和发动机动力性变化不大的原因类似，即虽然进气温度增加导致进气密度降低从而使进气量减少造成不完全燃烧，但增压又补偿了这一损失导致过量空气系数的变化并不明显。
3 结论
①对于增压发动机，ECU会自动调节增压度，使得压力也随进气温度增加而增加。补偿了由于温度增加引起进气密度降低而导致的进气量减少，从而保证了发动机的动力性能不至于出现明显的降低，甚至在中高转速区域还略有升高。②对于对标使用的这台TGDI发动机，中冷后进气温度对动力性、经济性和排放特性的影响不显著。这也说明通过相关的标定，能有效地防止夏季中冷温度过高后对发动机性能的不利影响。③通过对标分析，可以对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。比如本次对标测试中的TGDI发动机的标定策略，企业可以进行学习和借鉴。
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]孙建军.1.8升增压直喷汽油机性能优化研究[D].吉林大学，2019.
[4]张宇璠，王占峰，陈海娥，等.利用GT-POWER研究进气温度升高对增压汽油机性能的影响[J].现代车用动力，2018，4：30-37.
[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及排放性能影响的试验[J].内燃机学报，2014，32（2）：125-130.
[6]陈志豪，范亚东，吴晓东，等.增压直喷汽油机的低速早燃特性研究[J].内燃机工程，2019，40（6）：50-55.
[7]王建昕，帅石金.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2011.