2.0 T直噴汽油發動機性能及燃燒分析

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直噴汽油發動機性能及燃燒分析

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

（中國第一汽車股份有限公司技術中心發動機部，吉林 長春 130011）

研究2.0 T直噴汽油機的噴油正時、噴油壓力、進排氣相位和點火提前角對發動機動力性、燃燒特性和經濟性的影響。研究結果顯示，發動機的動力性達到了設計目標。在2 000 r/min、200 kPa BMEP（Brake Mean Effective Pressure，平均有效缸內壓力）工況，發動機的比油耗可以達到375 g/kWh，達到國際先進水平。

汽油機；燃燒；油耗

0 引 言

全球變暖和石油匱乏已經成為人們日益關注的話題，這也要求汽車業進一步降低油耗和排放。2009年哥本哈根聯合國氣候變化大會提出，將每年全球氣溫升幅控制在2 ℃以內，這需要社會各界的共同努力，特別是汽車行業。

為滿足日益嚴格的CO2排放或油耗限值要求，汽車制造商都對未來汽車工業的發展進行了預測并制定不同的技術策略。雖然混合動力和電動汽車是未來汽車的方向，但在未來幾十年內傳統的內燃機仍是汽車的主要動力，如何開發滿足油耗法規的內燃機才是多數汽車制造商的迫切需求。歐洲和北美主要的技術發展方向是直噴汽油機為基礎的增壓降排量技術和柴油發動機；日本主要的技術路線是可變氣門結構和整車輕量化，增壓降排量技術和柴油機的高成本給日本汽車企業增添了顧慮，但他們對汽油直噴技術保持贊同。

汽油直噴是公認能夠有效提高發動機燃油經濟性及車輛駕駛性能的先進技術之一[1]。為提高產品競爭力，滿足國家油耗法規的要求，開發汽油直噴發動機，描述2.0 T直噴汽油機性能開發過程，總結噴油參數、氣門相位和點火提前角等對發動機燃燒和經濟性的影響規律。

1 發動機臺架布置

2.0 T GDI（Gasoline Direct Injection，汽油機缸內直噴）發動機的主要技術參數見表1，發動機臺架試驗布置如圖1所示。

表1 發動機技術參數

參數參數值 形式直列4缸 排量/L1.994 缸徑/mm84 沖程/mm90 進氣門尺寸/mm2×29.4 排氣門尺寸/mm2×24.6 額定功率/kW145 額定轉速/(r/min)5 500 最大扭矩/(N·m)280 最大扭矩轉速/(r/min)2 000～4 500 壓縮比10.3:1 排放標準歐Ⅳ

2 試驗方案

試驗對發動機外特性及部分負荷特性進行研究，分析不同燃燒參數對發動機燃燒和經濟性的影響，還對部分負荷的典型工況進行油耗優化。

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

3 試驗結果分析

3.1 發動機外特性對比

相同排量不同發動機外特性的對比分析曲線如圖2所示，從圖上可以看出，2.0T GDI發動機外特性與同平臺的2.0 T PFI（Port Fuel Injection，進氣道噴射）相比扭矩提高20 N·m，與AUDI 2.0T相比，低速時扭矩相當，在5 000 r/min時，扭矩有20 N·m的差距。

相同排量不同發動機外特性油耗對比分析如圖3所示，與PFI發動機相比，GDI發動機的油耗均有降低，原因是采用直噴以后，燃油直接噴射到缸內，降低缸內溫度，同時利用進排氣VVT（Variable Valve Timing，可變氣門正時系統）技術可以更好地利用掃氣功能，大大降低缸內殘余廢氣，二者結合使直噴增壓發動機的爆震傾向降低，使得點火角可以提前，油耗降低。但是與AUDI 2.0T相比，油耗還有一定差距，只有部分點油耗優于AUDI 2.0T。

3.2 噴油正時對發動機工作特性的影響

噴油正時對缸內氣流運動和燃油濕壁都有重要的影響。噴油過早，會導致燃油在噴射過程中不能與缸內氣流有充分的相互作用時間，碰壁現象嚴重，從而不利于均質混合氣的形成；噴油過晚，會導致不能充分利用活塞頂部燃燒室的導流作用，碰壁現象嚴重，且混合氣形成時間變短，進而對缸內燃燒過程產生直接的影響。從試驗結果可以看出，在2 000 r/min，200 kPa BMEP工況，壓縮上止點前260～280° CA開始噴油，燃燒持續期短，燃燒相位靠前，燃燒穩定，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 噴油壓力對發動機工作特性的影響

從試驗結果可以看出，噴油壓力對發動機各參數影響不大，這是因為在低轉速、低負荷工況，噴油壓力對噴油相位角的影響可以忽略。當噴油壓力在11 000 kPa以下時，噴油壓力對噴油脈寬有明顯的影響；超過11 000 kPa后，噴油壓力對脈寬影響不大。雖然高的噴油壓力可以降低噴霧粒徑，但是對于低轉速，具有足夠混合氣形成時間的燃燒系統而言，對燃燒的作用很小，圖6和圖7是2 000 r/min，200 kPa BMEP工況的試驗結果。

3.4 點火提前角對發動機工作特性的影響

點火提前角對發動機性能有顯著的影響。適當的點火提前角，可以使燃燒相位提前并縮短燃燒持續期，進而提高發動機的動力性和經濟性。 2 000 r/min，200 kPa BMEP工況，上止點前30～35° CA是合適的點火提前角，如圖8所示。如果推遲點火，會使燃燒滯后且增加燃燒持續期，進而降低動力性、增加油耗；如果進一步使點火角提前，會使燃燒過早，對活塞做負功增加，降低了動力性，增加了油耗[3]。此外，如圖9所示，點火提前角對渦輪前溫度有很大影響，增加點火提前角可以大幅度降低排溫。

3.5 進氣凸輪相位對發動機工作特性的影響

試驗過程中保持排氣凸輪相位處于初始值，進氣凸輪相位對進排氣過程的影響：1）排氣凸輪相位越靠前，排氣行程末期缸內壓力降低越快，說明進氣早開，缸內廢氣會進入進氣道，壓縮行程末期缸內壓力，可以反應進入進氣道的廢氣量；2）進氣凸輪相位越靠前，進氣過程缸內壓力越高，可以從圖10缸壓曲線看出，說明進氣凸輪相位可以調節進氣量，這一點從空氣流量計得到驗證；進氣相位對空氣流量的影響如圖11所示；3）進氣凸輪相位提前20° CA時進氣量比提前10° CA時有所減少。從缸壓曲線可以看出，在兩種進氣凸輪相位下，進氣行程缸內壓力相當，說明進氣量相當，但是因為凸輪相位為20° CA時相應缸內會有更多的EGR，導致空濾后的空氣流量傳感器測得的進氣量有所減少。

進氣凸輪相位對燃燒過程的影響：1）燃燒相位、燃燒持續期隨進氣凸輪相位的提前而滯后（EGR率增加），如圖12、13所示；2）燃燒循環變動率隨進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 排氣凸輪相位對發動機工作特性的影響

試驗過程中保持進氣凸輪相位20° CA，排氣凸輪相位對進排氣過程的影響：1）對排氣行程末期缸內壓力影響不大，可以認為對進入進氣道的廢氣量影響不大，如圖15所示；2）進氣過程缸內壓力隨排氣凸輪相位的推遲而增加，說明缸內氣體總量在增加。其增加幅度高于進氣流量增加幅度，說明有大量的EGR倒流回缸內，如圖16所示。

3.7 發動機部分負荷工況油耗

發動機幾個常用部分負荷工況點油耗如圖17所示，由于發動機采用增壓技術、高滾流氣道等技術，發動機壓縮比可以提高到10.3，從而提高了發動機熱效率。目前，發動機油耗已經與國際先進水平相當。

4 結 論

對比不同增壓器對發動機外特性的影響，對比噴油正時、噴油壓力、點火角度、進氣相位和排氣相位對發動機燃燒和經濟性的影響。試驗還完成了具有代表性的部分負荷工況點的油耗優化。

試驗結果顯示，發動機的升功率達到72.5 kW，升轉矩達到了140 N·m。2 000 r/min、200 kPa BMEP的比油耗達到了375 g/kWh，與國際先進水平相當。

[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