藍(lán)翠汪，潘永亮，徐成思，郭曉宇

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西柳州 545005；2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 53000）

0 引言

汽車作為當(dāng)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(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油方式是進(jìn)氣道噴射，即汽油噴射到進(jìn)氣道中，并跟隨進(jìn)氣氣流進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)，從而形成預(yù)混混合氣，但是這種噴油方式容易導(dǎo)致汽油機(jī)冷啟動(dòng)機(jī)困難，并且熱效率較低。目前，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)榫哂休^好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域[1-2]。

國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大量的研究工作。例如，王小燕等[3]對(duì)一臺(tái)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)建立仿真模型，并研究高低EGR 系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高EGR 系統(tǒng)能夠有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，而低EGR 系統(tǒng)能夠有效降低NOx 排放。Han 等[4]通過一臺(tái)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)研究汽油成分對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)芳烴能夠有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。陶友東等[5]基于AVL-Fire 軟件建立GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，分析在兩次噴油策略下不同噴油比例對(duì)燃燒特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)增加第二次噴油比例，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒速率降低。

根據(jù)上述文獻(xiàn)可以知道，目前針對(duì)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的研究主要集中在噴油策略和燃料成分等方面，關(guān)于GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的速度變化研究還不夠。因此，本文通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研究不同轉(zhuǎn)速對(duì)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。研究結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架及方法

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái)排量為1.5 L 的增壓中冷的GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的。其中發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1 中所示。臺(tái)架系統(tǒng)中其它的一些主要組成部件主要包括：測(cè)功機(jī)、INCA 系統(tǒng)、開放式ECU、Kistler6117BFD16 壓力傳感器等。而臺(tái)架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 臺(tái)架系統(tǒng)圖

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

為了能夠較好的研究GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性，在實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油壓力為35 MPa，保持發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度100%，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，采集每個(gè)轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能數(shù)據(jù)并保存。

2 結(jié)果與討論

圖2 為不同轉(zhuǎn)速工況下GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力?？梢钥吹?，隨轉(zhuǎn)速增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大缸內(nèi)壓力峰值先增加后下降，并且最高壓力峰值提前。這是因?yàn)殡S轉(zhuǎn)速增加，缸內(nèi)氣體流動(dòng)增強(qiáng)，改善了GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油霧化及與空氣混合質(zhì)量，促進(jìn)燃燒，缸內(nèi)壓力峰值增加，但隨轉(zhuǎn)速增加，燃燒持續(xù)期增加，缸內(nèi)定容燃燒惡化，缸內(nèi)壓力峰值下降。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力

圖3 為GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的最大壓力升高率。發(fā)動(dòng)機(jī)的最大壓力升高率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲有著顯著的影響。隨著GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，發(fā)動(dòng)機(jī)最大壓力升高率先降低后上升，在中等轉(zhuǎn)速具有最小的壓力升高率。這說明GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)在中等轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒更加平穩(wěn)，燃燒噪聲更低。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)最大壓力升高率

圖4 為不同轉(zhuǎn)速下GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和充量系數(shù)。與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相似，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩在低轉(zhuǎn)速范圍（1 000 r/min～1 500 r/min）下隨轉(zhuǎn)速增加而增加；在中等轉(zhuǎn)速（1 500 r/min～ 4 000 r/min）范圍內(nèi)扭矩達(dá)到最大值，且隨轉(zhuǎn)速增加扭矩變化不大；在高轉(zhuǎn)速（4 000 r/min～ 5 500 r/min）范圍下，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩隨轉(zhuǎn)速的增加而下降。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和充量系數(shù)

這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)扭矩受充量系數(shù)、指示熱效率和機(jī)械效率三者乘積的影響。在低轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失較小，機(jī)械效率較高，充量系數(shù)較大（圖4b），所以低轉(zhuǎn)速范圍（1 000 r/min～1 500 r/min）內(nèi)，扭矩隨轉(zhuǎn)速的增加而增加；在中轉(zhuǎn)速范圍（1 500 r/min～4 000 r/min）內(nèi)，充量系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加而下降，但在（2 000 r/min～3 500 r/min）轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，充量系數(shù)變化不大（圖4b），隨轉(zhuǎn)速增加指示熱效率快速上升，所以在中轉(zhuǎn)速范圍（1 500 r/min～4 000 r/min）內(nèi)，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大扭矩，且隨轉(zhuǎn)速增加扭矩保持穩(wěn)定；在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)4 000 r/min～5 500 r/min），由于隨轉(zhuǎn)速增加，進(jìn)氣阻力增大，充量系數(shù)逐漸下降，發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失增加，機(jī)械效率下降，并且在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，由于以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的燃燒持續(xù)期增大，燃燒定容度惡化，發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失增加，使得指示熱效率下降，因此高轉(zhuǎn)速范圍下，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩下降。

圖5 為不同轉(zhuǎn)速下GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率和有效熱效率。GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增加，但在低速范圍下有一段呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。這是因?yàn)橛行加拖穆逝c機(jī)械效率和指示熱效率的乘積成反比，在低轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)減弱，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，傳熱損失及漏氣損失增加相對(duì)增加，導(dǎo)致指示熱效率略有下降，但機(jī)械效率較高，因此低速范圍內(nèi)有效燃油消耗率下降；隨轉(zhuǎn)速增加，發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失上升，機(jī)械效率下降，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的燃燒持續(xù)期增大，燃燒定容度惡化，發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)速下GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率增加。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，隨轉(zhuǎn)速的增加，功率的增加趨勢(shì)逐漸降低。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)功率受扭矩和轉(zhuǎn)速的影響，隨轉(zhuǎn)速增加過程，GDI 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩先增加后下降（圖4a），導(dǎo)致功率的增加趨勢(shì)下降。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率

3 總結(jié)

（1）隨轉(zhuǎn)速增加，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的最大爆發(fā)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(fā)動(dòng)機(jī)扭矩在低轉(zhuǎn)速范圍（1 000 r/min～1 500 r/min）下隨轉(zhuǎn)速增加而增加；在中等轉(zhuǎn)速（1 500 r/min～ 4 000 r/min）范圍內(nèi)扭矩達(dá)到最大值，且隨轉(zhuǎn)速增加扭矩變化不大；在高轉(zhuǎn)速（4 000 r/min～5 500 r/min）范圍內(nèi)，扭矩隨轉(zhuǎn)速增加而下降。

（3）隨轉(zhuǎn)速增加，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)降低，功率上升；有效燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速增加先下降后上升，有效熱效率呈相反的趨勢(shì)。