第37卷（2019）第3期
内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE
V ol.37（2019）No.3
收稿日期：2018-10-13；修回日期：2019-01-09.
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFB0103402).
作者简介：贾志超，高级工程师，E-mail ：jiazhichao@mychery.
DOI: 10.jxb.201903029
贾志超1，王 志2，王孟轲1，古春山1
(1. 奇瑞汽车股份有限公司动力总成技术中心，安徽 芜湖 241009； 2. 清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)
摘要：通过一款涡轮增压汽油机，研究了不同的进气湿度对发动机性能的影响．试验结果表明：随着湿度的增加，一方面实际进入缸内参与燃烧的干空气量下降，另一方面燃烧相位和燃烧持续期恶化，两者共同导致发动机的实测转矩降低而燃油消耗率升高．在大负荷工况时，发动机的抗爆性因湿度增加而得到改善，通过优化发动机的点火提前角，可以改善发动机的燃烧相位，增压发动机在大负荷工况的燃油消耗率反而降低，降低了1.4%～1.8%． 关键词：汽油机；增压；湿度；性能
中图分类号：TK417 文献标志码：A 文章编号：1000-0909(2019)03-0222-06
Experiment on the Effect of Air Humidity on the Performance of
Turbocharged Gasoline Engine
Jia Zhichao 1，Wang Zhi 2，Wang Mengke 1，Gu Chunshan 1
(1. Chery Automobile Company Limited Powertrain Technology Center ，Wuhu 241009，China ；
2. State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China )
Abstract ：Effects of air humidity on engine performance were studied experimentally on a turbocharged gasoline en-
gine ．The test results show that ，with the increase of humidity ，the actual amount of dry air involved in the combus-tion process is decreased ，leading to a retard of combustion phase and an increase of combustion duration ．As a re-sult ，the engine measured torque decreases and the fuel consumption increases ．However ，the anti-knock character-istics are remarkably improved with the increase of air humidity under high load operations ．Thus ，the fuel consump-tion is decreased by 1.4%—1.8% under high loads by optimizing the ignition advanced angle and the combustion phase ．
Keywords ：gasoline engine ；turbocharged ；air humidity ；performance
众所周知，大气温度和大气压力变化会改变发动机进气入口的大气密度，从而影响发动机进气质量，进而造成发动机功率输出变化，因而发动机动力性需要根据进气状态进行修正[1-5]．随着技术的不断进步，涡轮增压、进气中冷及缸内直喷已成为现代车用汽油机主流技术，汽油机的升功率越来越高，有的升功率甚至超过100kW/L ．在这种情况下，进气状态对发动机的影响更为复杂，除进气密度外，还必须考虑进气组分的变化，其中大气湿度是一个主要的影响因素．进气中的水蒸汽不仅影响进入发动机的干空气量，也对混合气在缸内的燃烧有一定影响，从而影响
发动机性能输出[6-7]．对于车用柴油机，进气湿度对其燃烧和排放特性均有较大影响，并且进气湿度
越大，对燃烧和排放的影响也越大[8]．由于中国幅员辽阔，地域及天气条件复杂多变，不同条件下的含湿量(水蒸汽相对干空气重量比)可以从0变化到35g/kg (以质量分数计约为3%[9])，对发动机性能的影响不可忽略．此外，目前在某些机型上使用的“喷水”技术(向进气中喷水)[10-13]在本质上也相当于增加了进气湿度，与大气湿度具有相同特征．“喷水”技术是当下提升发动机功率密度的一项重要技术手段，受到越来越广泛的重视．因此，产品开发过程中有必
2019年5月 贾志超等：进气湿度对增压汽油机性能影响的试验 ·223·
要考虑大气湿度对发动机性能的影响．
针对以上背景，笔者通过分析大气湿度的特性，在一款涡轮增压汽油机上，通过台架研究了进气湿度对发动机动力性及燃油经济性的影响，并分析了大负荷下湿度的最佳点火提前角特性．
1 试验装置与方法
1.1 增压直喷汽油机
试验发动机为一台涡轮增压、中冷4缸汽油机，满足国Ⅵ的排放，其主要技术参数见表1．该发动机采用进气道喷射，进气道水平布置，中冷器与进气歧管集成布置；排气歧管与缸盖集成；采用进/排气连续可变正时系统；增压器废气阀由电动执行器控制．
表1 发动机主要技术参数
Tab.1 Main technical specifications of engine
参数 数值
缸径/mm 活塞行程/mm 77.0
80.5
排量/L 1.498
压缩比 9.5
标定功率/kW 115(5500r/min )
奇瑞柴油发动机最大转矩/(N ·m ) 230(2000r/min )
低速最大转矩/(N ·m ) 210(1500r/min ) 1.2 台架测试设备
试验台架测功机为A VL PUMA Open 1.3电力测功机，使用A VL 753S 连续质量流量仪测量燃油消耗量
．通过Kistler 6052U 20传感器测量缸压，然后使用A VL IndiCom 进行燃烧过程分析．试验用空燃比仪为ETAS LA4-4.9型，电控系统为Bosch ME 7.8平台．发动机试验台架布置见图1．
图1 发动机试验台架示意
Fig.1 Schematic of experimental set -up
试验在冬季进行，采用进气空调对进气加热，可使进气温度在20～35℃间调节．使用工业加湿器模拟环境湿度对进气湿度进行调节，相对湿度调节范围可达10%～90%．采用维萨拉HMT 330型湿度传感
器进行湿度测量，其精度可达到±1%，响应时间小 于8s ．
1.3 试验方法
在动力性影响研究中，选取了标定功率、低速全负荷和中转速全负荷3个工况点，其具体工况参数设置见表2．在燃油经济性研究中，选取了转速为
2000r/min 条件下，平均有效压力p me 为0.2、
0.8和1.4MPa 共3个工况点，其具体参数设置见表3．
试验中，通过调节工业加湿器，每个工况分别设定进气相对湿度为(10±2)%、(30±2)%、(50±2)%、(70±2)%和(90±2)%，进气温度为(30±2)℃.
表2 动力性考察工况及试验条件
Tab.2 Dynamic test conditions and test conditions
参数
工况1
工况2
工况3
转速n /(r ·min -1) 1500 2500 5500 油门开度/% 100 100 100
进气压力/kPa 178 180 187
点火提前角/(°)CA BTDC 9 -2 -10
过量空气系数 0.93 0.89 0.76
中冷进气温度/℃ 30 33 50
冷却液温度/℃ 88 88 88
进气温度/℃ 25 25 25
环境压力/kPa 100.9 100.9 100.9
表3 经济性考察工况及试验条件
Tab.3 Economic conditions and test conditions
参数
工况1 工况2工况3
转速n /(r ·min -1
) 2000 2000 2000 负荷p me /MPa 0.2 0.8 1.4 进气压力/kPa 48 95 140 点火提前角/(°)CA BTDC 43.0 19.9 2.8 过量空气系数 1.00 1.00 1.00 中冷进气温度/℃ 26 28 32 冷却液温度/ ℃ 88 88 88 进气温度/℃ 25 25 25 环境压力/kPa 100.9 100.9 100.9
发动机台架采用的湿度传感器一般测量相对湿度，但对于发动机性能分析来讲，用含湿量d 表示进气湿度更有意义．含湿量d 与相对湿度φ的关系为
h h h,max h,max ρϕρ==p
p (1)
h,max s k 0h,max
0.622p m
d m p p ϕϕ×⋅==−⋅ (2)
式中：h ρ、h p 分别为湿空气的密度和压力；h,max ρ、
h,max p 分别为饱和湿空气的密度和压力；s m 为湿空气
中水蒸汽的含量；k m 为干空气的质量；0p 为实验室环境大气压力．
根据相对湿度与含湿量的计算公式，可以计算出不同进气温度下含湿量与相对湿度的关系见图2．
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图2 不同进气温度下大气含湿量与相对湿度关系 Fig.2 Relationship between atmospheric moisture con -tent and relative humidity at different inlet tem -peratures
2 试验结果与分析
2.1 进气湿度对发动机动力性的影响
由图3可知，随着进气相对湿度的增加，所选取
的3个试验工况的发动机实测转矩、燃油消耗量和进
入缸内的干空气量均有所降低；当相对湿度由20%增加到80%时，实测转矩的下降幅度在2.7%～4.6%间，而中、低速表现更为明显．同时图4～图5显示，随进气湿度的增加，发动机燃烧中心CA 50逐渐后移，燃烧持续期CA 10-90(从燃烧放热10%到90%的时间)增加，而缸内最高爆发压力和爆震指标参数kp_pk (缸压燃烧压力高通滤波峰值)则明显下降．
把3种工况下试验结果随湿度的变化进行线性拟合，对比各参数拟合比例系数k 值的变化，可以看出，中、低转速(1500r/min 和2500r/min )下，发动机转矩随相对湿度的增加下降较快，比例系数k 值较大，湿度对中、低转速实测转矩的影响更为明显．图3b 还显示，中、低转速(1500r/min 和2500r/min )下干空气量随湿度的变化比例系数小于高转速
（a ）实测转矩
（b ）干空气量
（c ）燃油消耗量
图3 不同转速下转矩、干空气量和燃油消耗量随湿度变化
Fig.3 Comparison of torque variation ，
dry air volume and fuel consumption with humidity at different speeds
（a ）燃烧质量分数CA
50
（b ）燃烧持续期CA 10-90
图4 不同转速下燃烧质量分数CA50和燃烧持续期
CA10-90随湿度变化
Fig.4 Comparison of CA50 and CA10-90 with humidity
at different speeds
（a ）缸内燃烧最高压力
（b ）爆震信号积分值
图5不同转速下缸内燃烧最高压力和爆震信号积分值
随湿度变化
Fig.5Comparison of p max and kp_pk with humidity at
different speeds
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(5500r/min)，但图4a中燃烧中心CA50的变化却相反，其变化比例系数在中、低转速条件下较高．通过以上分析可以看出，随湿度的增加，中、低转速时发动机实测转矩下降的主要因素表现在燃烧中心CA 50的延后，而高转速时则是由于进入缸内的干空气量下降相对占比较大．
2.2进气湿度对燃油经济性的影响
转速为2000r/min时、3种不同负荷的发动机燃油消耗率及各参数随进气相对湿度增加的试验结果如图6～图8所示．相对湿度对发动机燃油经济性的影响，与动力性变化趋势类似，随着相对湿度的增加，发动机燃油消耗率也出现恶化．
选取10%、50%和90%3个进气相对湿度条件下的试验结果进行分析，从表4～表6可知，进气相对湿度由10%提高到90%后，在3种负荷条件下，燃油消耗率分别升高1.86%、1.05%和2.13%．不同负荷下
燃油消耗率表现出不同程度的恶化，其主要原因还是在于燃烧中心CA50及燃烧持续期的变化不尽相同；此外，燃烧循环波动率也是重要影响因素．在p me＝0.2MPa时，为降低小负荷工况的泵气功，进气门开启和排气门关闭时刻较晚，内部EGR 率较高．在进气湿度为10%下，发动机平均指示有效压力循环波动率为2.3%，燃烧循环波动率处于标准3%范围内；但随着进气湿度的增加，燃烧中心及燃烧持续期都明显增加，相对湿度由10%增加到90%，燃烧中心CA50和燃烧持续期CA10-90分别增加
（a）燃油消耗率 （b）实测转矩
图6不同负荷下燃油消耗率和实测转矩随湿度变化
Fig.6Comparison of fuel consumption and measured torque with humidity at different p me
（a）燃烧质量分数CA50（b）燃烧持续期CA10-90 图7不同负荷下燃烧质量分数和燃烧持续期CA10-90随湿度变化
Fig.7Comparison of CA50 and CA10-90 with humidity at different p me
（a）燃烧循环波动率 （b）缸内燃烧最高压力图8不同负荷下燃烧循环波动率和缸内燃烧最高压力随湿度变化Fig.8Comparison of COV of IMEP and pmax with humidity at different p me
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1.3°CA 和 1.5°CA ，燃烧恶化，循环波动率达到3.5%．这是小负荷下随着湿度的增加，燃油消耗率恶化的主要原因．
在p me ＝0.8MPa 时，发动机进气量增加，气门重叠角较小，内部EGR 率较低，燃烧较为稳定．随着相
表4 n ＝2000r/min 和p me ＝0.2MPa 时3种湿度下各
参数对比
Tab.4 Comparison of parameters in three humidity con -ditions n ＝2000r/min and p me ＝0.2MPa
参数 数值
相对湿度/% BSFC/(g ·kW -1
·h -1
) 10 366 50 368 90
373
BSFC 变化率/% 0.00 0.65 1.86 实测转矩/(N ·m ) 25.6 25.1 24.4
CA 50/(°)CA ATDC 8.7 9.1 10.0
CA 10-90/(°)CA 29.1 29.4 30.6 燃烧循环波动率/% 2.3 2.5 3.5
爆发压力/MPa 1.65 1.62 1.55 点火提前角 /(°)CA BTDC 43 43 43
进气门开启角/(°)CA ATDC 49 49 49
排气门关闭角/(°)CA ATDC 16 16 16
表5 n ＝2000r/min 和p me ＝0.8MPa 时3种湿度下各
参数对比
Tab.5 Comparison of parameters in three humidity con -ditions n ＝2000r/min and p me ＝0.8MPa 参数 数值
相对湿度/% BSFC/(g ·kW -1·h -1
) 10 249 50 250 90
251
BSFC 变化率/% 0.00 0.32 1.05
实测转矩/(N ·m ) 99.4 97.8 95.0 CA 50/(°)CA ATDC 8.7 9.0 9.0 CA 10-90/(°)CA 17.6 17.8 燃烧循环波动率//% 1.1 1.2 爆发压力/MPa 4.60 4.50 4.41 点火提前角 /(°)CA BTDC 19.9 19.9 19.9 进气门开启角/(°)CA ATDC 32 32 32 排气门关闭角/
(°)CA ATDC 5 5 5
表6 n ＝2000r/min 和p me ＝1.4MPa 时3种湿度下各
参数对比
Tab.6 Comparison of parameters in three humidity con -ditions n ＝2000r/min and p me ＝1.4MPa
参数 数值
相对湿度/% BSFC/(g ·kW -1·h -1
) 10 243 50 246 90
248 BSFC 变化率/% 0.00 1.13 2.13 实测转矩/(N ·m ) 163.9
158.8 154.0 CA 50/(°)CA ATDC 21.4 22.6 23.4 CA 10-90/(°)CA 18.6 19.6 20.2
燃烧循环波动率//% 1.9 2.1 2.5
爆发压力/MPa 5.26 4.94 4.70 点火提前角 /(°)CA BTDC 2.8 2.8 2.8 进气门开启角/(°)CA ATDC 16 16 16 排气门关闭角/(°)CA ATDC -9 -9 -9 对湿度的增加，发动机燃烧恶化不明显，燃油消耗率下降幅度较小．在p me ＝1.4MPa 时，由于发动机增压压力较高，受爆震影响，燃烧中心相位较为滞后，随着湿度的增加，燃烧中心及燃烧持续期更进一步滞后和延长，燃烧循环波动率增大，综合因素造成燃油消耗率明显增加．
2.3 不同进气湿度的点火提前角优化
进气湿度不仅影响发动机实际干空气量，还对燃烧产生较大的影响，因而有必要对点火提前角进行匹
配调整．选取n ＝2000r/min 、p me ＝1.4MPa 工况点，
固定涡轮增压器废气阀开度，进气相对湿度为90%、50%和10%，研究发动机各参数在不同湿度下随点火提前角的变化影响，图9～图10给出了试验结果．以
爆震指标参数kp_pk ＝28kPa 为爆震边界(图9a )，10%、50%和90%相对湿度所对应的最佳转矩点火提前角分别为1.1°、1.9°和3.4° CA BTDC ，最佳转矩分别为160.4、157.6和156.0N ·m (图9b )．50%和90%湿度下的实测转矩相对10%湿度情况分别下降1.7%和2.7%．如果3种湿度条件下点火提前角都设置为1.1° CA BTDC ，则转矩分别为160.4、156.3和150.1N ·m (图9b )，50%和90%湿度下的实测转矩相
对10%湿度分别下降了2.6%和6.4%．相对优化点火提前角前，50%和90%湿度条件下的转矩分别提升了
0.8%和3.8%．
（a ）爆震信号
（b ）最佳转矩 图9 3种湿度边界爆震信号和最佳转矩变化对比 Fig.9Comparison of detonation signal and optimal torque variation at three humidity boundary con -ditions
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