增压直喷汽油机燃烧放热规律研究*



增压直喷汽油机燃烧放热规律研究*

摘要：基于增压直喷汽油机，通过实测缸内压力信号，探讨了其燃烧放热规律，着重分析了转速和负荷对气缸压力和放热率的影响。试验结果表明：当发动机负荷较低（20%～50%）时，负荷升高，缸压峰值明显增大，缸压峰值对应的曲轴转角变化存在较大波动，转速对缸压峰值的影响均较小；当发动机处于较高负荷（50%～100%）时，负荷进一步提高，缸压峰值对应的曲轴转角逐渐推后，最大缸压增大幅度趋于缓慢，且转速对缸压峰值的影响趋于明显。发动机转速增大，瞬时放热率峰值逐渐减小，随着负荷的增大，放热始点推后；在60～80°CA范围内，由于缸内工质吸热，导致累积放热率略有下降。

关键词：涡轮增压缸内直喷汽油机气缸压力放热率

引言

随着国际排放法规的日益严格和驾车者对于动力性能的需求，小排量高动力性能发动机成为了国内外研究的重点[1]。近一个世纪以来，工程师们为了提高发动机的输出功率，一直致力于从事缸内直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）汽油机的研究[2-3]。增压直喷汽油机由于在改善输出功率和转矩方面的优势及其在降低油耗和排放方面所具有的潜力[4-6]，越来越成为现代内燃机工程师们的研究重点。缸内直喷和涡轮增压技术的结合可有效提高升功率，降低油耗和排放，满足现代发动机小型化的需求[7]。对增压直喷汽油机的燃烧放热规律展开分析，是对其进行燃烧优化及性能改善的基础[8]，具有十分重要的理论和实际意义。

本文主要基于试验开展增压直喷汽油机燃烧放热规律的研究，探讨不同工况下的燃烧变化规律，分析转速、负荷对气缸压力和放热率的影响。

1试验装置及方法

本文基于一台2.0L直列四缸可变气门正时增压直喷汽油机完成了试验台架的搭建，发动机主要结构及性能参数见表1，图1为发动机试验台架布置图。

台架上装有用于曲轴相位测量的增量式编码器，并在第四缸安装了缸压传感器，利用测功机对发动机在不同工况下的输出转矩进行测量。为了记录和测量试验过程中各稳态数据，本试验基于电荷放大器、燃烧分析仪、数据采集卡完成数据的采集任务，上位机基于对采集信号的分析处理，通过微处理器实现对发动机的控制。

本试验主要采集的数据为气缸压力，试验台架采用型号为Kistler 6125B的缸压传感器捕获气缸压力信号，经电荷放大器后转化为0～5V的电压信号，通过高速采集卡进行采集。通过以上试验台架系统，能够满足增压直喷汽油机不同工况下的发动机参数控制和缸压测量要求，保证了试验的顺利进行。

表1　发动机主要结构及性能参数

图1　发动机台架布置图

2转速、负荷对气缸压力的影响研究

2.1转速对气缸压力的影响

调节节气门开度分别为20%、50%、80%，在节气门开度保持一定时，发动机转速对缸压的影响如图2所示。为了分析缸压变动情况，记录不同工况下的点火提前角、进气压力数据，如图3所示。

图2　转速对GDI汽油机缸内压力的影响

图3　不同转速下发动机进气压力和点火提前角的试验记录值

由图可知：当节气门开度仅为20%时，发动机转速由2000 r/min增加至4000 r/min，气缸压力峰值逐渐减小，缸压峰值对应的曲轴转角也逐渐推迟。这是因为：20%油门开度下，2000 r/min工况可得到较大的进气压力，为0.073 MPa。而当转速增加至4000 r/min时，由于涡轮增压器效率降低，进气压力仅为0.044 MPa，进气压力小导致进气量降低，缸内压力峰值随之下降；且在低转速2000 r/min工况，点火提前角较大，在点火提前角和燃烧速度的共同影响下，转速增大，缸压峰值对应曲轴转角推后。

当节气门开度为50%时，不同转速下峰值差别较小，转速增大，最大缸压对应的曲轴转角推后。这是因为：不同转速下的进气压力相差较小；虽然转速增大，点火提前角增大，但由于高转速下进气时间短，实际进气量较少，缸内燃烧速率较慢。因此，最大缸压对应的曲轴转角偏后。

当节气门开度为80%时，随着发动机转速的提高，缸压峰值明显增大，最大缸压对应的曲轴转角提前。这是因为：此时高转速工况点通过增压器图谱的高效率区，增压效果明显，4000 r/min下进气压力为0.171 MPa，而3000 r/min和2000 r/min时进气压力较小，仅为0.154 MPa和0.155 MPa；此外，转速增大，点火提前角明显提前，且在4000 r/min节气门开度为80%工况下，发动机采用加浓喷射，过量空气系数为0.885，有利于加快燃烧速率加剧燃烧。

2.2负荷对气缸压力的影响

汽油机通过节气门开度调节负荷，试验分别保持发动机转速为2000 r/min、3000 r/min和4000 r/min，依次调节节气门开度为20%、50%、80%，研究负荷对气缸压力的影响，如图4所示。同样，记录不同工况下的点火提前角、进气压力数据，如图5所示。

由图可知：随着负荷的增大，缸压峰值增大，当节气门开度由20%增加至50%时，最大压力对应的曲轴转角略有提前，节气门开度继续增加至80%时，最大压力对应曲轴转角明显推后。这是因为：固定转速时，节气门开度增加，由于涡轮增压器效率提高，进气压力明显增大，进气量和喷油量随之增加，燃烧加剧，缸内最大压力增大。

图4　负荷对GDI汽油机缸内压力的影响

图5　不同负荷下发动机进气压力和点火提前角的试验记录值

当节气门开度由20%增加至50%时，一方面，缸内燃烧加剧，使缸压峰值提前，但是另一方面点火提前角推迟了约16°CA，使燃烧推后；而前者的影响更加明显，因此较20%油门开度，50%工况下的最大压力对应曲轴转角稍有提前。当节气门开度进一步增大至80%负荷时，虽然进气压力提高，但点火提前角推迟，此时，后者的影响较为明显，最大缸压对应的曲轴转角明显推后，缸压在20°CA附近达到峰值。

2.3转速、负荷对最大缸压的影响

结合试验数据，整理得到最大气缸压力及其对应曲轴转角随发动机转速和负荷的变化图，如图6所示。由图可知：当发动机负荷较低（20%～50%）时，随着负荷的升高，缸压峰值明显增大，而其对应的曲轴转角变化存在较大波动，转速对缸压峰值的影响较小；当发动机处于较高负荷（50%～100%）时，随着发动机负荷进一步提高，缸压峰值出现的曲轴转角逐渐推后，最大缸压增大幅度趋于缓慢，且转速对缸压峰值的影响趋于明显，较大负荷时，转速提高气缸压力峰值增大。

图6　最大缸压及其对应曲轴转角随发动机转速和负荷的变化图

图7　转速对GDI汽油机放热率的影响

3转速、负荷对放热率的影响研究

3.1转速对放热率的影响

基于缸压计算燃烧放热率，分别固定发动机节气门开度为20%、50%和80%，得到发动机转速对瞬时放热率和累积放热率的影响，如图7所示。由图可知：随着发动机转速的增大，瞬时放热率峰值逐渐减小，这主要是由于高转速1°CA对应的时间较短导致放热率较低。瞬时放热率峰值对应曲轴转角与缸压对应曲轴转角的变化趋势相同。当发动机转速为2000 r/min和3000 r/min时，随着发动机转速的降低，放热持续期缩短，这主要是由于低转速下相同时间对应的曲轴转角较小，导致用曲轴转角表示的放热持续期缩短。而当发动机转速为4000 r/min时，随着转速的增大，放热持续期缩短，这是因为高负荷下缸内温度较高，随着转速提高，进气量明显增加，喷油增多，燃烧程度加剧，导致放热加快。

3.2转速对放热率的影响

图8为分别固定发动机转速2000 r/min、3000 r/min和4000 r/min时，负荷对GDI发动机放热率的影响。由图可知：固定发动机转速时，瞬时放热率随曲轴转角的变化与缸压的变化趋势相同。由累积放热率的变化可知：固定发动机转速时，随着负荷的增大，放热始点推后，这主要是由于点火正时的推后导致的。此外，由于高负荷下缸内温度高，混合气较浓，因此燃烧相对剧烈，使得燃烧持续期缩短，能在较短的时间内完成燃料放热过程。此外，在60～80°CA范围内，累积放热率略有下降，这是由于做功冲程已燃混合气对活塞做功，工质温度下降，而缸壁温度仍然较高，工质存在一定程度的吸热现象，导致放热率略有下降。

4　结论

1）当发动机负荷较低（20%～50%）时，负荷升高，缸压峰值明显增大，缸压峰值对应的曲轴转角变化存在较大波动，转速对缸压峰值的影响均较小；当发动机处于较高负荷（50%～100%）时，负荷进一步提高，缸压峰值对应的曲轴转角逐渐推后，最大缸压增大幅度趋于缓慢，且转速对缸压峰值的影响趋于明显。

2）发动机转速增大，瞬时放热率峰值逐渐减小，瞬时放热率峰值对应曲轴转角与缸压对应曲轴转角的变化趋势相同；当发动机转速为2000 r/min和3000 r/min时，随着发动机转速的降低，放热持续期越短，而当发动机转速为4000 r/min时，随着转速的增大，放热持续期缩短。

3）固定发动机转速时，随着负荷的增大，放热始点推后；在60～80°CA范围内，由于缸内工质吸热，导致累积放热率略有下降。

参考文献

1 C. Stan，A. Stanciu，R. Troeger，et al. Influence of mixture formation on injection and combustion characteristics in a compact GDI engine [C]. SAE Paper 2002-01-0997

2 G. Fontana，E. Galloni, R. Palmaccio，et al. Development of a new intake system for a small spark-ignition engine modeling the flow Through the inlet valve[C]. SAE Paper 2003-01-0369

3 Yorick Duchaussoy，Alain Lefebvre，Robert Bonetto. Dilution interest on turbocharged SI engine combustion[C]. SAE Paper 2003-01-0629

4高永兴，张玉银，许敏，等.基于LIVC和双VVT技术的增压直喷汽油机抑制爆震试验研究[J].车用发动机，2012（1）：63-67，76

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7 Amann M，Alger T，Mehta D. The effect of EGR on low speedpre-ignitioninboostedSIengines[C].SAE Paper 2011-01-0339

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图8　负荷对GDI汽油机放热率的影响

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）

文章编号：2095-8234（2015）03-0006-05

文献标识码：A

中图分类号：TK411+.2

作者简介：开进彬（1974-），男，工程师，主要研究方向为汽车设计工程。

*基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2012AA111702），国防重点实验室基金（9140C330203120C33120）。
开进彬
1张来涛
2石磊
2邓康耀
2（1-泛亚汽车技术中心有限公司上海2012012-上海交通大学动力机械及工程教育部重点实验室）