2.0 T直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能及燃燒分析

李 顯，宋志平，張連方，夏春雨 Li Xian，Song Zhiping，Zhang Lianfang，Xia Chunyu

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2.0 T直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能及燃燒分析

李 顯，宋志平，張連方，夏春雨 Li Xian，Song Zhiping，Zhang Lianfang，Xia Chunyu

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心發(fā)動(dòng)機(jī)部，吉林 長(zhǎng)春 130011）

研究2.0 T直噴汽油機(jī)的噴油正時(shí)、噴油壓力、進(jìn)排氣相位和點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、燃燒特性和經(jīng)濟(jì)性的影響。研究結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。在2 000 r/min、200 kPa BMEP（Brake Mean Effective Pressure，平均有效缸內(nèi)壓力）工況，發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗可以達(dá)到375 g/kWh，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

汽油機(jī)；燃燒；油耗

0 引 言

全球變暖和石油匱乏已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的話題，這也要求汽車(chē)業(yè)進(jìn)一步降低油耗和排放。2009年哥本哈根聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)提出，將每年全球氣溫升幅控制在2 ℃以?xún)?nèi)，這需要社會(huì)各界的共同努力，特別是汽車(chē)行業(yè)。

為滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的CO2排放或油耗限值要求，汽車(chē)制造商都對(duì)未來(lái)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展進(jìn)行了預(yù)測(cè)并制定不同的技術(shù)策略。雖然混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)是未來(lái)汽車(chē)的方向，但在未來(lái)幾十年內(nèi)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)仍是汽車(chē)的主要?jiǎng)恿Γ绾伍_(kāi)發(fā)滿(mǎn)足油耗法規(guī)的內(nèi)燃機(jī)才是多數(shù)汽車(chē)制造商的迫切需求。歐洲和北美主要的技術(shù)發(fā)展方向是直噴汽油機(jī)為基礎(chǔ)的增壓降排量技術(shù)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；日本主要的技術(shù)路線是可變氣門(mén)結(jié)構(gòu)和整車(chē)輕量化，增壓降排量技術(shù)和柴油機(jī)的高成本給日本汽車(chē)企業(yè)增添了顧慮，但他們對(duì)汽油直噴技術(shù)保持贊同。

汽油直噴是公認(rèn)能夠有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性及車(chē)輛駕駛性能的先進(jìn)技術(shù)之一[1]。為提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，滿(mǎn)足國(guó)家油耗法規(guī)的要求，開(kāi)發(fā)汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，描述2.0 T直噴汽油機(jī)性能開(kāi)發(fā)過(guò)程，總結(jié)噴油參數(shù)、氣門(mén)相位和點(diǎn)火提前角等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置

2.0 T GDI（Gasoline Direct Injection，汽油機(jī)缸內(nèi)直噴）發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)布置如圖1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

參數(shù)參數(shù)值 形式直列4缸 排量/L1.994 缸徑/mm84 沖程/mm90 進(jìn)氣門(mén)尺寸/mm2×29.4 排氣門(mén)尺寸/mm2×24.6 額定功率/kW145 額定轉(zhuǎn)速/(r/min)5 500 最大扭矩/(N·m)280 最大扭矩轉(zhuǎn)速/(r/min)2 000～4 500 壓縮比10.3:1 排放標(biāo)準(zhǔn)歐Ⅳ

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性及部分負(fù)荷特性進(jìn)行研究，分析不同燃燒參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和經(jīng)濟(jì)性的影響，還對(duì)部分負(fù)荷的典型工況進(jìn)行油耗優(yōu)化。

注：1. 測(cè)功機(jī)；2. 排溫檢測(cè)；3. 排放分析儀；4. 三元催化器；5. 消聲器；6. 冷卻系統(tǒng)；7. 油耗儀；8. 燃燒分析儀。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性對(duì)比

相同排量不同發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的對(duì)比分析曲線如圖2所示，從圖上可以看出，2.0T GDI發(fā)動(dòng)機(jī)外特性與同平臺(tái)的2.0 T PFI（Port Fuel Injection，進(jìn)氣道噴射）相比扭矩提高20 N·m，與AUDI 2.0T相比，低速時(shí)扭矩相當(dāng)，在5 000 r/min時(shí)，扭矩有20 N·m的差距。

相同排量不同發(fā)動(dòng)機(jī)外特性油耗對(duì)比分析如圖3所示，與PFI發(fā)動(dòng)機(jī)相比，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗均有降低，原因是采用直噴以后，燃油直接噴射到缸內(nèi)，降低缸內(nèi)溫度，同時(shí)利用進(jìn)排氣VVT（Variable Valve Timing，可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)）技術(shù)可以更好地利用掃氣功能，大大降低缸內(nèi)殘余廢氣，二者結(jié)合使直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向降低，使得點(diǎn)火角可以提前，油耗降低。但是與AUDI 2.0T相比，油耗還有一定差距，只有部分點(diǎn)油耗優(yōu)于AUDI 2.0T。

3.2 噴油正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的影響

噴油正時(shí)對(duì)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)和燃油濕壁都有重要的影響。噴油過(guò)早，會(huì)導(dǎo)致燃油在噴射過(guò)程中不能與缸內(nèi)氣流有充分的相互作用時(shí)間，碰壁現(xiàn)象嚴(yán)重，從而不利于均質(zhì)混合氣的形成；噴油過(guò)晚，會(huì)導(dǎo)致不能充分利用活塞頂部燃燒室的導(dǎo)流作用，碰壁現(xiàn)象嚴(yán)重，且混合氣形成時(shí)間變短，進(jìn)而對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程產(chǎn)生直接的影響。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在2 000 r/min，200 kPa BMEP工況，壓縮上止點(diǎn)前260～280° CA開(kāi)始噴油，燃燒持續(xù)期短，燃燒相位靠前，燃燒穩(wěn)定，獲得了較高的平均有效壓力和較低的比油耗[2]，如圖4和圖5所示。

3.3 噴油壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的影響

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，噴油壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各參數(shù)影響不大，這是因?yàn)樵诘娃D(zhuǎn)速、低負(fù)荷工況，噴油壓力對(duì)噴油相位角的影響可以忽略。當(dāng)噴油壓力在11 000 kPa以下時(shí)，噴油壓力對(duì)噴油脈寬有明顯的影響；超過(guò)11 000 kPa后，噴油壓力對(duì)脈寬影響不大。雖然高的噴油壓力可以降低噴霧粒徑，但是對(duì)于低轉(zhuǎn)速，具有足夠混合氣形成時(shí)間的燃燒系統(tǒng)而言，對(duì)燃燒的作用很小，圖6和圖7是2 000 r/min，200 kPa BMEP工況的試驗(yàn)結(jié)果。

3.4 點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的影響

點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有顯著的影響。適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火提前角，可以使燃燒相位提前并縮短燃燒持續(xù)期，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。 2 000 r/min，200 kPa BMEP工況，上止點(diǎn)前30～35° CA是合適的點(diǎn)火提前角，如圖8所示。如果推遲點(diǎn)火，會(huì)使燃燒滯后且增加燃燒持續(xù)期，進(jìn)而降低動(dòng)力性、增加油耗；如果進(jìn)一步使點(diǎn)火角提前，會(huì)使燃燒過(guò)早，對(duì)活塞做負(fù)功增加，降低了動(dòng)力性，增加了油耗[3]。此外，如圖9所示，點(diǎn)火提前角對(duì)渦輪前溫度有很大影響，增加點(diǎn)火提前角可以大幅度降低排溫。

3.5 進(jìn)氣凸輪相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的影響

試驗(yàn)過(guò)程中保持排氣凸輪相位處于初始值，進(jìn)氣凸輪相位對(duì)進(jìn)排氣過(guò)程的影響：1）排氣凸輪相位越靠前，排氣行程末期缸內(nèi)壓力降低越快，說(shuō)明進(jìn)氣早開(kāi)，缸內(nèi)廢氣會(huì)進(jìn)入進(jìn)氣道，壓縮行程末期缸內(nèi)壓力，可以反應(yīng)進(jìn)入進(jìn)氣道的廢氣量；2）進(jìn)氣凸輪相位越靠前，進(jìn)氣過(guò)程缸內(nèi)壓力越高，可以從圖10缸壓曲線看出，說(shuō)明進(jìn)氣凸輪相位可以調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，這一點(diǎn)從空氣流量計(jì)得到驗(yàn)證；進(jìn)氣相位對(duì)空氣流量的影響如圖11所示；3）進(jìn)氣凸輪相位提前20° CA時(shí)進(jìn)氣量比提前10° CA時(shí)有所減少。從缸壓曲線可以看出，在兩種進(jìn)氣凸輪相位下，進(jìn)氣行程缸內(nèi)壓力相當(dāng)，說(shuō)明進(jìn)氣量相當(dāng)，但是因?yàn)橥馆喯辔粸?0° CA時(shí)相應(yīng)缸內(nèi)會(huì)有更多的EGR，導(dǎo)致空濾后的空氣流量傳感器測(cè)得的進(jìn)氣量有所減少。

進(jìn)氣凸輪相位對(duì)燃燒過(guò)程的影響：1）燃燒相位、燃燒持續(xù)期隨進(jìn)氣凸輪相位的提前而滯后（EGR率增加），如圖12、13所示；2）燃燒循環(huán)變動(dòng)率隨進(jìn)氣凸輪相位的提前而大幅度增加（EGR率增加），如圖14所示。

3.6 排氣凸輪相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的影響

試驗(yàn)過(guò)程中保持進(jìn)氣凸輪相位20° CA，排氣凸輪相位對(duì)進(jìn)排氣過(guò)程的影響：1）對(duì)排氣行程末期缸內(nèi)壓力影響不大，可以認(rèn)為對(duì)進(jìn)入進(jìn)氣道的廢氣量影響不大，如圖15所示；2）進(jìn)氣過(guò)程缸內(nèi)壓力隨排氣凸輪相位的推遲而增加，說(shuō)明缸內(nèi)氣體總量在增加。其增加幅度高于進(jìn)氣流量增加幅度，說(shuō)明有大量的EGR倒流回缸內(nèi)，如圖16所示。

3.7 發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工況油耗

發(fā)動(dòng)機(jī)幾個(gè)常用部分負(fù)荷工況點(diǎn)油耗如圖17所示，由于發(fā)動(dòng)機(jī)采用增壓技術(shù)、高滾流氣道等技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比可以提高到10.3，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗已經(jīng)與國(guó)際先進(jìn)水平相當(dāng)。

4 結(jié) 論

對(duì)比不同增壓器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的影響，對(duì)比噴油正時(shí)、噴油壓力、點(diǎn)火角度、進(jìn)氣相位和排氣相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和經(jīng)濟(jì)性的影響。試驗(yàn)還完成了具有代表性的部分負(fù)荷工況點(diǎn)的油耗優(yōu)化。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率達(dá)到72.5 kW，升轉(zhuǎn)矩達(dá)到了140 N·m。2 000 r/min、200 kPa BMEP的比油耗達(dá)到了375 g/kWh，與國(guó)際先進(jìn)水平相當(dāng)。

[1]H. Tokuda, T. Yoshinaga, T. Nakashima, et al. Flexible Design of Fuel Injection and Ignition Systems for Gasoline Direct Injection Engines. 27th International Vienna Motor Symposium, 2006.

[2]R. Leonhard, J. Gerhardt. Direct Injection – From Vision to Reality. 27th International Vienna Motor Symposium, 2006.

[3]E. Groff, A. K?nigstein, H. Drangel. The New 2.0L High Performance Turbo Engine with Gasoline Direct Injection, from GM Powertrain. 27th International Vienna Motor Symposium, 2006.

2017-04-14

1002-4581（2017）04-0039-05

U467.2

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.04.011