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增壓直噴汽油機(jī)燃燒放熱規(guī)律研究*

摘要：基于增壓直噴汽油機(jī)，通過實測缸內(nèi)壓力信號，探討了其燃燒放熱規(guī)律，著重分析了轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對氣缸壓力和放熱率的影響。試驗結(jié)果表明：當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷較低（20%～50%）時，負(fù)荷升高，缸壓峰值明顯增大，缸壓峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角變化存在較大波動，轉(zhuǎn)速對缸壓峰值的影響均較??；當(dāng)發(fā)動機(jī)處于較高負(fù)荷（50%～100%）時，負(fù)荷進(jìn)一步提高，缸壓峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角逐漸推后，最大缸壓增大幅度趨于緩慢，且轉(zhuǎn)速對缸壓峰值的影響趨于明顯。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增大，瞬時放熱率峰值逐漸減小，隨著負(fù)荷的增大，放熱始點推后；在60～80°CA范圍內(nèi)，由于缸內(nèi)工質(zhì)吸熱，導(dǎo)致累積放熱率略有下降。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)氣缸壓力放熱率

引言

隨著國際排放法規(guī)的日益嚴(yán)格和駕車者對于動力性能的需求，小排量高動力性能發(fā)動機(jī)成為了國內(nèi)外研究的重點[1]。近一個世紀(jì)以來，工程師們?yōu)榱颂岣甙l(fā)動機(jī)的輸出功率，一直致力于從事缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）汽油機(jī)的研究[2-3]。增壓直噴汽油機(jī)由于在改善輸出功率和轉(zhuǎn)矩方面的優(yōu)勢及其在降低油耗和排放方面所具有的潛力[4-6]，越來越成為現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)工程師們的研究重點。缸內(nèi)直噴和渦輪增壓技術(shù)的結(jié)合可有效提高升功率，降低油耗和排放，滿足現(xiàn)代發(fā)動機(jī)小型化的需求[7]。對增壓直噴汽油機(jī)的燃燒放熱規(guī)律展開分析，是對其進(jìn)行燃燒優(yōu)化及性能改善的基礎(chǔ)[8]，具有十分重要的理論和實際意義。

本文主要基于試驗開展增壓直噴汽油機(jī)燃燒放熱規(guī)律的研究，探討不同工況下的燃燒變化規(guī)律，分析轉(zhuǎn)速、負(fù)荷對氣缸壓力和放熱率的影響。

1試驗裝置及方法

本文基于一臺2.0L直列四缸可變氣門正時增壓直噴汽油機(jī)完成了試驗臺架的搭建，發(fā)動機(jī)主要結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)見表1，圖1為發(fā)動機(jī)試驗臺架布置圖。

臺架上裝有用于曲軸相位測量的增量式編碼器，并在第四缸安裝了缸壓傳感器，利用測功機(jī)對發(fā)動機(jī)在不同工況下的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量。為了記錄和測量試驗過程中各穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，本試驗基于電荷放大器、燃燒分析儀、數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，上位機(jī)基于對采集信號的分析處理，通過微處理器實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的控制。

本試驗主要采集的數(shù)據(jù)為氣缸壓力，試驗臺架采用型號為Kistler 6125B的缸壓傳感器捕獲氣缸壓力信號，經(jīng)電荷放大器后轉(zhuǎn)化為0～5V的電壓信號，通過高速采集卡進(jìn)行采集。通過以上試驗臺架系統(tǒng)，能夠滿足增壓直噴汽油機(jī)不同工況下的發(fā)動機(jī)參數(shù)控制和缸壓測量要求，保證了試驗的順利進(jìn)行。

表1　發(fā)動機(jī)主要結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

圖1　發(fā)動機(jī)臺架布置圖

2轉(zhuǎn)速、負(fù)荷對氣缸壓力的影響研究

2.1轉(zhuǎn)速對氣缸壓力的影響

調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度分別為20%、50%、80%，在節(jié)氣門開度保持一定時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對缸壓的影響如圖2所示。為了分析缸壓變動情況，記錄不同工況下的點火提前角、進(jìn)氣壓力數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖2　轉(zhuǎn)速對GDI汽油機(jī)缸內(nèi)壓力的影響

圖3　不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力和點火提前角的試驗記錄值

由圖可知：當(dāng)節(jié)氣門開度僅為20%時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速由2000 r/min增加至4000 r/min，氣缸壓力峰值逐漸減小，缸壓峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也逐漸推遲。這是因為：20%油門開度下，2000 r/min工況可得到較大的進(jìn)氣壓力，為0.073 MPa。而當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至4000 r/min時，由于渦輪增壓器效率降低，進(jìn)氣壓力僅為0.044 MPa，進(jìn)氣壓力小導(dǎo)致進(jìn)氣量降低，缸內(nèi)壓力峰值隨之下降；且在低轉(zhuǎn)速2000 r/min工況，點火提前角較大，在點火提前角和燃燒速度的共同影響下，轉(zhuǎn)速增大，缸壓峰值對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角推后。

當(dāng)節(jié)氣門開度為50%時，不同轉(zhuǎn)速下峰值差別較小，轉(zhuǎn)速增大，最大缸壓對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角推后。這是因為：不同轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣壓力相差較??；雖然轉(zhuǎn)速增大，點火提前角增大，但由于高轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣時間短，實際進(jìn)氣量較少，缸內(nèi)燃燒速率較慢。因此，最大缸壓對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角偏后。

當(dāng)節(jié)氣門開度為80%時，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，缸壓峰值明顯增大，最大缸壓對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前。這是因為：此時高轉(zhuǎn)速工況點通過增壓器圖譜的高效率區(qū)，增壓效果明顯，4000 r/min下進(jìn)氣壓力為0.171 MPa，而3000 r/min和2000 r/min時進(jìn)氣壓力較小，僅為0.154 MPa和0.155 MPa；此外，轉(zhuǎn)速增大，點火提前角明顯提前，且在4000 r/min節(jié)氣門開度為80%工況下，發(fā)動機(jī)采用加濃噴射，過量空氣系數(shù)為0.885，有利于加快燃燒速率加劇燃燒。

2.2負(fù)荷對氣缸壓力的影響

汽油機(jī)通過節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)負(fù)荷，試驗分別保持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min、3000 r/min和4000 r/min，依次調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度為20%、50%、80%，研究負(fù)荷對氣缸壓力的影響，如圖4所示。同樣，記錄不同工況下的點火提前角、進(jìn)氣壓力數(shù)據(jù)，如圖5所示。

由圖可知：隨著負(fù)荷的增大，缸壓峰值增大，當(dāng)節(jié)氣門開度由20%增加至50%時，最大壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角略有提前，節(jié)氣門開度繼續(xù)增加至80%時，最大壓力對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角明顯推后。這是因為：固定轉(zhuǎn)速時，節(jié)氣門開度增加，由于渦輪增壓器效率提高，進(jìn)氣壓力明顯增大，進(jìn)氣量和噴油量隨之增加，燃燒加劇，缸內(nèi)最大壓力增大。

圖4　負(fù)荷對GDI汽油機(jī)缸內(nèi)壓力的影響

圖5　不同負(fù)荷下發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力和點火提前角的試驗記錄值

當(dāng)節(jié)氣門開度由20%增加至50%時，一方面，缸內(nèi)燃燒加劇，使缸壓峰值提前，但是另一方面點火提前角推遲了約16°CA，使燃燒推后；而前者的影響更加明顯，因此較20%油門開度，50%工況下的最大壓力對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角稍有提前。當(dāng)節(jié)氣門開度進(jìn)一步增大至80%負(fù)荷時，雖然進(jìn)氣壓力提高，但點火提前角推遲，此時，后者的影響較為明顯，最大缸壓對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角明顯推后，缸壓在20°CA附近達(dá)到峰值。

2.3轉(zhuǎn)速、負(fù)荷對最大缸壓的影響

結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，整理得到最大氣缸壓力及其對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化圖，如圖6所示。由圖可知：當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷較低（20%～50%）時，隨著負(fù)荷的升高，缸壓峰值明顯增大，而其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角變化存在較大波動，轉(zhuǎn)速對缸壓峰值的影響較?。划?dāng)發(fā)動機(jī)處于較高負(fù)荷（50%～100%）時，隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷進(jìn)一步提高，缸壓峰值出現(xiàn)的曲軸轉(zhuǎn)角逐漸推后，最大缸壓增大幅度趨于緩慢，且轉(zhuǎn)速對缸壓峰值的影響趨于明顯，較大負(fù)荷時，轉(zhuǎn)速提高氣缸壓力峰值增大。

圖6　最大缸壓及其對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化圖

圖7　轉(zhuǎn)速對GDI汽油機(jī)放熱率的影響

3轉(zhuǎn)速、負(fù)荷對放熱率的影響研究

3.1轉(zhuǎn)速對放熱率的影響

基于缸壓計算燃燒放熱率，分別固定發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度為20%、50%和80%，得到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對瞬時放熱率和累積放熱率的影響，如圖7所示。由圖可知：隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，瞬時放熱率峰值逐漸減小，這主要是由于高轉(zhuǎn)速1°CA對應(yīng)的時間較短導(dǎo)致放熱率較低。瞬時放熱率峰值對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角與缸壓對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的變化趨勢相同。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min和3000 r/min時，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，放熱持續(xù)期縮短，這主要是由于低轉(zhuǎn)速下相同時間對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角較小，導(dǎo)致用曲軸轉(zhuǎn)角表示的放熱持續(xù)期縮短。而當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為4000 r/min時，隨著轉(zhuǎn)速的增大，放熱持續(xù)期縮短，這是因為高負(fù)荷下缸內(nèi)溫度較高，隨著轉(zhuǎn)速提高，進(jìn)氣量明顯增加，噴油增多，燃燒程度加劇，導(dǎo)致放熱加快。

3.2轉(zhuǎn)速對放熱率的影響

圖8為分別固定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2000 r/min、3000 r/min和4000 r/min時，負(fù)荷對GDI發(fā)動機(jī)放熱率的影響。由圖可知：固定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速時，瞬時放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化與缸壓的變化趨勢相同。由累積放熱率的變化可知：固定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速時，隨著負(fù)荷的增大，放熱始點推后，這主要是由于點火正時的推后導(dǎo)致的。此外，由于高負(fù)荷下缸內(nèi)溫度高，混合氣較濃，因此燃燒相對劇烈，使得燃燒持續(xù)期縮短，能在較短的時間內(nèi)完成燃料放熱過程。此外，在60～80°CA范圍內(nèi)，累積放熱率略有下降，這是由于做功沖程已燃混合氣對活塞做功，工質(zhì)溫度下降，而缸壁溫度仍然較高，工質(zhì)存在一定程度的吸熱現(xiàn)象，導(dǎo)致放熱率略有下降。

4　結(jié)論

1）當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷較低（20%～50%）時，負(fù)荷升高，缸壓峰值明顯增大，缸壓峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角變化存在較大波動，轉(zhuǎn)速對缸壓峰值的影響均較??；當(dāng)發(fā)動機(jī)處于較高負(fù)荷（50%～100%）時，負(fù)荷進(jìn)一步提高，缸壓峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角逐漸推后，最大缸壓增大幅度趨于緩慢，且轉(zhuǎn)速對缸壓峰值的影響趨于明顯。

2）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增大，瞬時放熱率峰值逐漸減小，瞬時放熱率峰值對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角與缸壓對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的變化趨勢相同；當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min和3000 r/min時，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，放熱持續(xù)期越短，而當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為4000 r/min時，隨著轉(zhuǎn)速的增大，放熱持續(xù)期縮短。

3）固定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速時，隨著負(fù)荷的增大，放熱始點推后；在60～80°CA范圍內(nèi)，由于缸內(nèi)工質(zhì)吸熱，導(dǎo)致累積放熱率略有下降。

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圖8　負(fù)荷對GDI汽油機(jī)放熱率的影響

Study on Rules of Heat Release Rate in
a Turbocharged GDI Engine

Kai Jinbin1，Zhang Laitao2，Shi Lei2，Deng Kangyao2
1- Pan Asia Technical Automotive Center（Shanghai，201201，China）2- Key Laboratory for
Power Machinery and Engineering of Ministry of Education，Shanghai Jiao Tong University

Abstract：Based on the turbocharged GDI engine，by measuring cylinder pressures，the rules of heat release rate have been studied，and this paper concentrated on analyzing the effects of engine speed and load on cylinder pressure and heat release rate. Results show that when engine load is relatively low（about 20～ 50%），with the increase of load，max cylinder pressure increases obviously，the crank angle of max cylinder pressure changes visibly. The effect of engine speed on max cylinder pressure is unconspicuous. When engine load is relatively high（about 50～100%），with load increasing，the crank angle of max cylinder pressure increases，cylinder pressure's rate of increase tends to mild，and the effect of engine speed on max cylinder pressure tends to be obvious. With engine speed increasing, maximum of transient heat release rate decreases. With engine load increasing，the initial point of heat release rate is postponed. Because of heat absorption of mixture in cylinder，the accumulated heat release rate decreases mildly between 60 to 80°CA ATDC.

Keywords：Turbocharged，Direct injection，Gasoline engine，Cylinder pressure，Heat release rate

收稿日期：（2015-05-12）

文章編號：2095-8234（2015）03-0006-05

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK411+.2

作者簡介：開進(jìn)彬（1974-），男，工程師，主要研究方向為汽車設(shè)計工程。

*基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2012AA111702），國防重點實驗室基金（9140C330203120C33120）。
開進(jìn)彬
1張來濤
2石磊
2鄧康耀
2（1-泛亞汽車技術(shù)中心有限公司上海2012012-上海交通大學(xué)動力機(jī)械及工程教育部重點實驗室）