GDI 汽油發動機外特性的試驗研究

藍翠汪，潘永亮，徐成思，郭曉宇

（1.東風柳州汽車有限公司，廣西柳州 545005；2.廣西大學機械工程學院，南寧 53000）

0 引言

汽車作為當今主要交通工具之一，為人們的出行提供極大的便利，因此，這極大促進汽車產業的發展。傳統汽油發動機的噴油方式是進氣道噴射，即汽油噴射到進氣道中，并跟隨進氣氣流進入到發動機缸內，從而形成預混混合氣，但是這種噴油方式容易導致汽油機冷啟動機困難，并且熱效率較低。目前，GDI 發動機因為具有較好的動力性和經濟性，被廣泛應用于汽車領域[1-2]。

國內外研究者針對GDI 發動機進行了大量的研究工作。例如，王小燕等[3]對一臺GDI 發動機建立仿真模型，并研究高低EGR 系統對發動機性能的影響，結果發現高EGR 系統能夠有效降低發動機油耗，而低EGR 系統能夠有效降低NOx 排放。Han 等[4]通過一臺GDI 發動機研究汽油成分對發動機性能和排放的影響，結果發現芳烴能夠有效改善發動機的燃油經濟性。陶友東等[5]基于AVL-Fire 軟件建立GDI 發動機仿真模型，分析在兩次噴油策略下不同噴油比例對燃燒特性的影響，結果發現增加第二次噴油比例，發動機的燃燒速率降低。

根據上述文獻可以知道，目前針對GDI 發動機的研究主要集中在噴油策略和燃料成分等方面，關于GDI 發動機的速度變化研究還不夠。因此，本文通過發動機臺架試驗研究不同轉速對GDI 發動機的影響。研究結果為進一步優化GDI 發動機的性能提供理論依據。

1 實驗臺架及方法

1.1 發動機臺架系統

實驗是在一臺排量為1.5 L 的增壓中冷的GDI 發動機上進行的。其中發動機的主要技術參數如表1 中所示。臺架系統中其它的一些主要組成部件主要包括：測功機、INCA 系統、開放式ECU、Kistler6117BFD16 壓力傳感器等。而臺架系統的結構簡圖如圖1 所示。

圖1 臺架系統圖

表1 發動機主要技術參數

1.2 實驗方案

為了能夠較好的研究GDI 發動機的外特性，在實驗過程中，發動機的噴油壓力為35 MPa，保持發動機節氣門開度100%，改變發動機的轉速，采集每個轉速下發動機的性能數據并保存。

2 結果與討論

圖2 為不同轉速工況下GDI 發動機缸內壓力。可以看到，隨轉速增加，發動機的最大缸內壓力峰值先增加后下降，并且最高壓力峰值提前。這是因為隨轉速增加，缸內氣體流動增強，改善了GDI 發動機的燃油霧化及與空氣混合質量，促進燃燒，缸內壓力峰值增加，但隨轉速增加，燃燒持續期增加，缸內定容燃燒惡化，缸內壓力峰值下降。

圖2 不同轉速下GDI 發動機缸內壓力

圖3 為GDI 發動機在不同轉速下的最大壓力升高率。發動機的最大壓力升高率對發動機的燃燒噪聲有著顯著的影響。隨著GDI 發動機轉速增加，發動機最大壓力升高率先降低后上升，在中等轉速具有最小的壓力升高率。這說明GDI 發動機在中等轉速范圍內，發動機缸內燃燒更加平穩，燃燒噪聲更低。

圖3 不同轉速下GDI 發動機最大壓力升高率

圖4 為不同轉速下GDI 發動機的扭矩和充量系數。與柴油發動機相似，GDI 發動機的扭矩在低轉速范圍（1 000 r/min～1 500 r/min）下隨轉速增加而增加；在中等轉速（1 500 r/min～ 4 000 r/min）范圍內扭矩達到最大值，且隨轉速增加扭矩變化不大；在高轉速（4 000 r/min～ 5 500 r/min）范圍下，發動機扭矩隨轉速的增加而下降。

圖4 不同轉速下GDI 發動機的扭矩和充量系數

這是因為發動機扭矩受充量系數、指示熱效率和機械效率三者乘積的影響。在低轉速下，發動機摩擦損失較小，機械效率較高，充量系數較大（圖4b），所以低轉速范圍（1 000 r/min～1 500 r/min）內，扭矩隨轉速的增加而增加；在中轉速范圍（1 500 r/min～4 000 r/min）內，充量系數隨轉速增加而下降，但在（2 000 r/min～3 500 r/min）轉速范圍內，充量系數變化不大（圖4b），隨轉速增加指示熱效率快速上升，所以在中轉速范圍（1 500 r/min～4 000 r/min）內，GDI發動機達到最大扭矩，且隨轉速增加扭矩保持穩定；在高轉速范圍內4 000 r/min～5 500 r/min），由于隨轉速增加，進氣阻力增大，充量系數逐漸下降，發動機摩擦損失增加，機械效率下降，并且在高速運轉下，由于以曲軸轉角計的燃燒持續期增大，燃燒定容度惡化，發動機的泵氣損失增加，使得指示熱效率下降，因此高轉速范圍下，GDI 發動機的扭矩下降。

圖5 為不同轉速下GDI 發動機有效燃油消耗率和有效熱效率。GDI 發動機的有效燃油消耗率隨發動機轉速的增加而增加，但在低速范圍下有一段呈現相反的趨勢。這是因為有效燃油消耗率與機械效率和指示熱效率的乘積成反比，在低轉速下，缸內氣體運動減弱，火焰傳播速度降低，傳熱損失及漏氣損失增加相對增加，導致指示熱效率略有下降，但機械效率較高，因此低速范圍內有效燃油消耗率下降；隨轉速增加，發動機摩擦損失上升，機械效率下降，在高速運轉時，以曲軸轉角計的燃燒持續期增大，燃燒定容度惡化，發動機的泵氣損失增加，使得指示熱效率下降，所以有效燃油消耗率上升和有效熱效率下降（圖5b）。

圖6 為不同轉速下GDI 發動機的功率。隨發動機轉速增加，GDI 發動機的功率增加。進一步觀察發現，隨轉速的增加，功率的增加趨勢逐漸降低。這是因為發動機功率受扭矩和轉速的影響，隨轉速增加過程，GDI 汽油發動機扭矩先增加后下降（圖4a），導致功率的增加趨勢下降。

圖6 不同轉速下GDI 發動機的功率

3 總結

（1）隨轉速增加，GDI 發動機的最大爆發壓力峰值先上升后下降；最大壓力升高率先降低后上升。

（2）GDI 發動機扭矩在低轉速范圍（1 000 r/min～1 500 r/min）下隨轉速增加而增加；在中等轉速（1 500 r/min～ 4 000 r/min）范圍內扭矩達到最大值，且隨轉速增加扭矩變化不大；在高轉速（4 000 r/min～5 500 r/min）范圍內，扭矩隨轉速增加而下降。

（3）隨轉速增加，GDI 發動機的充量系數降低，功率上升；有效燃油消耗率隨轉速增加先下降后上升，有效熱效率呈相反的趨勢。