對汽油缸內直噴式技術的研究與應用

摘 要：汽油缸內直噴技術是引擎設計的關鍵技術環節，文章通過實驗方法，對汽油缸內直噴技術的需求與設計、缸內直噴技術性能分析工具及方法進行了說明，并經過分析，得到了一系列有價值的結論。

關鍵詞：汽油；缸內直噴；技術；應用

1 汽油缸內直噴技術發展概述

汽油引擎設計需求包含低噪聲振動（NVH）、足夠發電功率、低成本與維修費、低重量及高效率等，并且能在車體內有限空間安裝與驅動，一般需能產生20～50kW 的功率方能作為發電用途，目前汽車界所發展的引擎包含轉子引擎（Rotary engine）、微渦輪（micro gas turbine）及2～4 汽缸的內燃機引擎等，其中四缸引擎可采用對臥、V型及直列式汽缸排列，如GM公司所采用的1.4L 四缸內燃機、FEV及MAHLE 公司發展的V型四缸汽車引擎。采用V型可避免縱向震動，最佳化轉速設定在4000 RPM，可達可接受噪聲振動標準，并可達功率30 kW及平均制動有效壓力（Brake Mean Effective Pressure， BMEP）10 bar的目標。

汽車引擎界大都采用岐管噴油（Port Fuel Injection， PFI）方式噴油，現今引擎發展朝向采用缸內直噴（Gasoline Direct Injection， GDI）、進氣增壓及閥門控制等技術進行新引擎設計開發，汽油缸內直接噴射引擎具有很多的潛力與優點，如：燃油經濟性佳、高扭力輸出及低污染等等，這些正面性的特性吸引著汽車與機車引擎生產者致力于發展該項技術。學者使用引擎模擬軟件GT-Suite，針對引擎噴射正時及點火正時進行最佳化模擬，并且通過引擎驗證性能輸出，可以確立其計算模型建立的可行性。

2 汽油缸內直噴技術的需求與設計

本研究將以自行改裝的1000cc四缸汽油缸內直噴（Gasoline Direct Injection， GDI）實體引擎為基礎平臺，在不更改原本內部幾何構型（進氣型式與管道尺寸、閥門形狀），采用商用引擎模擬軟件GT-Suite輔助分析與設計四缸汽車引擎，預計可單點或多點最佳化操作，使BSFC可低于230g/kW-hr，以滿足未來環保要求，該目標引擎可在4000 RPM輸出30kW，以滿足汽車充電需求。本研究預計設計汽油缸內直噴四缸發動機，總排氣量為1000cc，采用V型構型且兩缸夾角為90度，該構型具有較小震動的優點。

在四缸引擎進氣設計及配氣方面上，引擎節氣閥門全開（Wide Open Throttle，WOT），并采用集氣室集氣，該部分采用圓柱體，體積為總掃氣容積的80%，約為800cc，具單一進氣、雙出口設計，尺寸為直徑（D）=80mm 及長度（L）=160mm，進氣管道配管與搭配V型四缸所建構汽缸結構與幾何，該部分集氣量、配氣管路及出口直徑均可能影響各汽缸的容積效率，并有可能引起氣動噪音，在本研究尚不考慮集氣室尺寸對引擎性能的影響，采用目前設計進行后續分析。

以前的研究已經完成四缸GDI引擎的點火正時DOE（Design of Experiment）設計分析，將承繼該部分結果進行V型四缸汽車GDI引擎設計開發，引擎設計參數包含缸徑衡程比（BSR， Bore Stroke Ratio）、壓縮比（CR， Compression Ratio）及改變進排氣閥門正時（Valve Timing），本研究在不改變連桿長度下，本引擎的原本設計是屬于短衡程（BSR=1.228），又因進氣門直徑較大，可縮小缸徑的范圍狠小，所探討設計變數范圍會因缸徑實際設計考量而范圍受限，因此BSR 所探討范圍設定在1.15～1.35 之間，而壓縮比范圍設定在11.5～13.5，而進氣閥門正時范圍為290°～350°ATDC Firing、排氣閥門正時范圍為80°～120°ATDC Firing，進行引擎轉速范圍在2000～ 6000 RPM 時V型四缸汽車GDI引擎的性能，通過檢視進氣效率、功率輸出、BMEP 及BSFC的變化以找出最佳設計范圍及設計點。

3 缸內直噴技術性能分析工具及方法

本文沿用先前所建立的四缸GT模型，配合實驗引擎所需，除去空氣濾清器及排氣尾管設置，并使用實際引擎所量測的各部件幾何形狀所建立，四缸分析模型已完成與實驗量測的容積效率驗證及缸內壓力變化的比較，均與實驗引擎量測數據相當吻合，經最佳的油耗分析于噴射正時于-230°CA ATDC （曲軸轉角）噴油為最佳，并且可得最高的引擎輸出功，因此后續引擎計算分析則以-230°CA ATDC為燃油噴射正時。根據V2汽車引擎實體設計配置，建立出分析模型，分析所使用火焰模型及蒸發模型。

4 分析結果與討論

本文以水冷式 V型四缸（V2）1000cc缸內直噴汽油引擎為模擬分析主體，目標以設計穩定于30 kW輸出且BSFC可低于230g/kW-hr的GDI汽車引擎，使用先前研究所做的點火正時最佳化所訂定出的點火正時角（隨轉速變化），V型四缸的點火正時時機相差270 度，并搭配最佳的燃油噴射正時（-230°CAATDC_Firing），在固定燃油當量比（Phi=1.0）的操作條件下，進行設計參數變化分析。

4.1 缸徑衡程比及壓縮比的影響

檢視在不同轉速下改變缸徑衡程比的分析結果，對BSFC（Brake Specific Fuel Consumption）影響不大，僅在高BSR時會些微影響，觀察可知在轉速4000RPM（含）以下，可達到本文設定BSFC值的目標。后續將以4000 RPM為基準，比對3500RPM及4500RPM的性能數據以判斷可行性。

接著探討改變壓縮比及缸徑衡程比對 BSF 的影響，結果改變BSR比并不會對BSFC有明顯的影響，但在改變壓縮比時則可以看到BSFC會隨著壓縮比增加而降低，由于本文所采用實驗引擎的壓縮比已達12.2，對汽油引擎來說已是偏高的設定值，因此若以增加引擎的壓縮比來改善BSFC的輸出值，則引擎成本也需相對的提高，也可成造成不預期的爆震發生，不可作為設計方向。探討BSR及壓縮比的參數分析結果，均無法取得一個最佳的改善方式，后續分析則采用原本引擎實體規格。

4.2 進排氣門正時的影響

適當控制進排氣正時將能掌握進氣效率而提高引擎性能，當引擎為3500RPM時，原實驗機的排氣門正時設定值于在此轉速下最佳的設定點，若進氣門正時可以再些微的延后則可以取得最佳的BSFC值，整體看來BSFC值均可達到230g/kW-hr的設計限制，但這一轉速下的所有操作點均無法達到30kW的充電輸出需求，所以勢必要再將轉速提高。當在4000RPM時，有一部分操作區間可達到220～230g/kW-hr左右，經對照到輸出功可達到30kW輸出的范圍，需將進氣門正時延后至335°～345°CA左右、排氣正時調整為90°CA，則可以達到本文對引擎輸出功目標且BSFC可以保持在230g/kW-hr。

參考文獻

[1]宋朋.汽油機缸內直噴技術[J].華章，2011（36）.

[2]高劍，蔣德明，黃佐華，王錫斌.缸內直噴（GDI）汽油機燃油噴霧和分層燃燒的數值研究[J].內燃機學報，2005（4）.