缸內直噴汽油機熱平衡試驗和紅外熱像測量技術研究

高長俊 倪計民 計維斌

（1.同濟大學，上海 201804；2.上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438）

0 前言

提高發動機熱效率，減少污染物排放一直是發動機研究的兩大目標。汽油機缸內直噴技術（GDI）被認為是目前最有效的節能減排技術之一，通過提升噴油壓力、缸內直噴、分層燃燒等技術改善發動機的冷起動、燃燒組織及廢氣排放的同時，可大大降低燃油耗并提升功率和扭矩。GDI發動機既具有柴油發動機低油耗的特點，又具有汽油機高輸出的優勢，在提高燃油經濟性和輸出功率方面有著巨大的潛力。因此，對GDI汽油機熱平衡的研究是目前新型汽車開發的基礎，也是中國汽車產業提升自主研發能力的關鍵環節之一。

在進行發動機熱平衡研究時，輻射散熱很難直接被測量，隨著紅外熱像儀在工業領域不斷廣泛應用，為進一步研究熱平衡中熱輻射的能量提供了測量方法。本文主要研究了GDI發動機熱平衡，并結合紅外熱像儀測量技術進一步分析輻射散熱，提出了發動機輻射散熱的測試方式。

1 發動機熱平衡模型

發動機熱平衡試驗的目的是確定在不同工況下燃油燃燒釋放的總熱量在發動機各部分中的分配。根據熱力學第一定律，增壓中冷發動機工作時燃油燃燒釋放的熱量主要轉化為以下部分：有效功率、冷卻液帶走的熱量、中冷帶走的熱量、排氣帶走的熱量和余項損失。余項損失包括對流和輻射到周圍環境中的熱量以及燃料不完全燃燒損失的熱量［1－4］。

穩態工況熱平衡試驗可以在發動機性能試驗中確保發動機工況穩定。當發動機冷卻系統、潤滑系統、進排氣系統達到穩定時，測量各系統熱量分配情況。發動機熱量流動采用集總參數方法分析，如圖1所示。

圖1 發動機能量流

2 發動機熱平衡試驗及結果

發動機熱平衡試驗符合GB／T 18297—2001《汽車發動機性能試驗方法》和GB／T 1147.2—2007《中小功率內燃機 第2部分：試驗方法》的要求，本課題研究的對象為2.0TGDI發動機，外形如圖2所示。

2.1 負荷對熱量分配的影響

當轉速為5 200r／min時不同負荷下各部分熱量損失的變化如圖3～圖4所示。GDI發動機的油量是通過改變節氣門的開度來調整空氣的進入量，從而控制噴油量，在轉速保持不變時，通過改變節氣門開度來調節進入氣缸的空氣量，以達到不同的負荷要求。對于燃油消耗量來說，當轉速一定時，其值的變化取決于每次循環供油量，它隨負荷的增加而增加，在中小負荷段近似成線性，在高負荷時，過量空氣系數明顯下降，導致燃燒惡化，上升的幅度更快一些。因此燃油燃燒釋放的總熱量表現為在中小負荷段近似成線形，隨負荷增大而增加，在高負荷段也呈線形上升，且上升斜率較大。

圖2 2.0TGDI發動機外形圖

圖3 轉速5 200r／min時，負荷特性各項熱量隨扭矩的變化曲線

圖4 轉速5 200r／min時，負荷特性各項占總燃料釋放熱量的比例

2.2 轉速對熱量分配的影響

發動機外特性下的熱量分配見圖5，外特性上功率占燃料釋放總熱量的19.7%～32%之間，冷卻液帶走的熱量占12.7%～19.3%，排氣帶走的熱量占20.5%～30.1%，中冷帶走的熱量占0.4%～2.8%，余項損失的熱量占23.5%～38.4%。

圖5 外特性上各項熱量分配比較

從圖5中可以看出，中冷帶走的熱量最少，而冷卻液帶走的熱量次之且近似線性。在發動機轉速3 200 r／min以下，功率、排氣、余項損失的熱量三者之間變化規律及數值基本一致。而在發動機轉速3 200～5 200 r／min時，功率占比逐漸變小，排氣帶走的熱量線性增加，而余項損失占比逐漸升高。在過量空氣系數低于0.8時，由于燃料的不完全燃燒程度逐漸加劇，使得余項損失的熱量顯著升高。

在不同轉速下排氣帶走熱量的變化如圖6所示。在同樣的燃油耗下，不同轉速時排氣帶走的熱量接近。

圖6 不同轉速下排氣帶走的熱量與燃油耗的關系圖

在不同轉速下余項損失熱量的變化如圖7所示。在燃油耗較低時，不同轉速下排氣帶走的熱量接近，在油耗較大時變化規律一致，隨轉速增大，曲線右移。

圖7 不同轉速下余項損失的熱量與燃油耗的關系圖

3 試驗數據分析

3.1 排氣溫度帶走的熱量分析

在發動機各溫度源中，排氣的溫度最高，且排氣的溫度對燃油經濟性、排放、動力性都有直接關系，常常在發動機標定過程中為了降低排放而犧牲燃油經濟性。由圖6可以看出，在4種不同轉速（2 000r／min、3 200r／min、3 600r／min、5 200r／min）排氣帶走的熱量隨燃油的增大而接近線性增大，燃油耗越大，消耗的空氣量也越多，燃油釋放總熱量增加，發出的功率越大。從4條排氣帶走的熱量與燃油耗的曲線可以看出，4條線接近重合，因此排氣帶走的熱量可以通過一元回歸分析得到擬合曲線。對上述4種不同轉速采用一元三次多項式擬合曲線，得到曲線方程

y＝ －6×10－5x3－0.009x2＋3.855 8x （1）式中，x代表燃油耗，y代表排氣帶走的熱量。在這4種轉速下共有73個數據點。油耗為0時，表示發動機停機狀態，排氣帶走的熱量也為0，因此擬合的線性曲線在y軸的截距為0。相關指數R越大說明殘差越小，則對應的關系曲線越好。R2＝0.993 2，曲線如圖8所示。

對排氣帶走的熱量擬合曲線方程進行驗證，選取轉速4 400r／min時試驗所得的排氣帶走的熱量值與擬合曲線進行比較，如圖9所示。通過計算可得，各工況點排氣散熱擬合值與試驗值之間標準差S為3.36，相關指數R為0.993，絕對差值與擬合值間百分比的平均值為4.2%，說明所選取的轉速4 400r／min各試驗點排氣帶走的熱量符合擬合曲線方程。

3.2 余項損失的熱量分析

圖8 排氣帶走的熱量與燃油耗的3次擬合曲線圖

圖9 排氣帶走的熱量擬合曲線與試驗曲線比較圖

由圖7可以看出，在6種不同轉速（2 000r／min、2 800r／min、3 200r／min、3 600r／min、4 400r／min、5 200r／min）余項損失的熱量與燃油耗及發動機轉速相關，都為二元函數。采用Matlab軟件對試驗數據分析。對107個試驗工況得到的余項損失的熱量采用二元多項式進行擬合，擬合曲面如圖10所示，得到方程為

式中，z代表余項損失的熱量，x代表發動機轉速，y代表燃油耗。采用轉速2 800r／min時的19個試驗工況數據對擬合方程進行驗證（圖10中白色點為驗證點），標準差（RMSE）＝3.983 9，符合擬合方程。R2＝0.992，RMSE＝6.103。

4 基于紅外熱成像儀的發動機表面溫度場研究

圖10 余項損失的熱量與轉速和燃油耗擬合曲面圖

余項損失中對流及熱輻射的散熱影響發動機前艙熱管理的分析，因此分析這部分的熱量對前艙熱管理非常重要。但這部分熱量無法直接測量得到，往往通過發動機的傳熱模型進行仿真計算，仿真計算結果的準確性依賴于試驗測量的準確邊界條件。隨著紅外熱成像技術的廣泛應用，為發動機表面溫度場的測量提供了更有效、快速、便捷、測量精度更準確的先進測量和分析手段。

4.1 試驗裝置

試驗用紅外熱像儀為德國InfaTec公司生產的ImageIR 8300測溫紅外熱像儀，采樣頻率為100Hz／325Hz／850Hz，探測波長為2～5μm。由于紅外圖像處理軟件IRBIS3得到的是溫度圖像及溫度數值，而最終要分析的是發動機表面熱輻射值，因此后期借助EXCEL利用輻射理論將軟件IRBIS3得到的溫度值進行熱輻射值計算。試驗現場如圖11所示。

圖11 紅外熱像儀測量發動機表面溫度試驗現場

4.2 試驗及結果分析

試驗在發動機轉速1 200r／min時的全負荷穩態工況點進行測量，攝像頭分兩次布置，第一次在發動機進氣側，熱像圖如圖12所示。第二次在發動機排氣側，熱像圖如圖13所示。試驗時由于油底殼表面溫度不便測量，機油溫度是均勻的，因此油底殼的溫度可以認為是均勻的，所以取油底殼側面點代表油底殼表面溫度。由于頂部、前端、后端不便測量，不考慮反射等其他方面的影響，假設溫度也均勻，用局部區域溫度代表整體溫度。

圖12 發動機進氣側熱像圖

圖13 發動機排氣側熱像圖

通過熱像儀成像技術得到的是一組圖像數據，利用IRBIS 3professional可以將設定區域各像素點的溫度值導成EXCEL格式數據，各像素點對應的物體的實際面積可以認為是相等的，因此根據普朗克黑體輻射定律和斯忒藩－波爾茲曼定律得到輻射熱量如下

式中，PM為輻射熱量，單位為kW；ε為物體發射率；σ為斯忒藩—波爾茲曼常數；Ti為第i個像素點絕對溫度，單位為K；n為像素點個數；A為輻射區物體面積，單位為cm2。假定ε為1，不考慮反射等其他因素影響，可得輻射散熱量為1.28kW。由熱平衡試驗得到轉速在1 200r／min全負荷工況時余項損失為18.3 kW，因此輻射散熱所占余項比例為7.0%。

5 結論

本文主要研究了某款2.0TGDI發動機熱平衡，并結合紅外熱像儀測量技術進一步分析輻射散熱，主要研究成果如下：

（1）利用集總參數法對發動機熱平衡建立模型；

（2）通過GDI發動機試驗及結果分析，得出了外特性時及不同轉速時的負荷特性發動機的熱平衡數據。用回歸分析方法建立了排氣帶走與油耗間的一元三次曲線擬合公式，利用Matlab軟件中余項損失與燃油耗和發動機轉速間的相關性進行分析，采用二元多項式的方法得到擬合函數。

（3）通過紅外熱成像原理，提出了利用紅外熱像儀計算發動機熱輻射，并利用此方式計算了GDI發動機在發動機轉速1 200r／min時的熱輻射值為1.28kW，占余項損失的7.0%。

通過研究，得到GDI發動機熱平衡的基本規律，為GDI發動機后續的研究提供了依據，并引入前沿紅外測溫技術應用于發動機熱輻射的研究，為后續發動機熱輻射的研究提供了方案。