GDI 汽油发动机外特性的试验研究

蓝翠汪，潘永亮，徐成思，郭晓宇

（1.东风柳州汽车有限公司，广西柳州 545005；2.广西大学机械工程学院，南宁 53000）

0 引言

汽车作为当今主要交通工具之一，为人们的出行提供极大的便利，因此，这极大促进汽车产业的发展。传统汽油发动机的喷油方式是进气道喷射，即汽油喷射到进气道中，并跟随进气气流进入到发动机缸内，从而形成预混混合气，但是这种喷油方式容易导致汽油机冷启动机困难，并且热效率较低。目前，GDI 发动机因为具有较好的动力性和经济性，被广泛应用于汽车领域[1-2]。

国内外研究者针对GDI 发动机进行了大量的研究工作。例如，王小燕等[3]对一台GDI 发动机建立仿真模型，并研究高低EGR 系统对发动机性能的影响，结果发现高EGR 系统能够有效降低发动机油耗，而低EGR 系统能够有效降低NOx 排放。Han 等[4]通过一台GDI 发动机研究汽油成分对发动机性能和排放的影响，结果发现芳烃能够有效改善发动机的燃油经济性。陶友东等[5]基于AVL-Fire 软件建立GDI 发动机仿真模型，分析在两次喷油策略下不同喷油比例对燃烧特性的影响，结果发现增加第二次喷油比例，发动机的燃烧速率降低。

根据上述文献可以知道，目前针对GDI 发动机的研究主要集中在喷油策略和燃料成分等方面，关于GDI 发动机的速度变化研究还不够。因此，本文通过发动机台架试验研究不同转速对GDI 发动机的影响。研究结果为进一步优化GDI 发动机的性能提供理论依据。

1 实验台架及方法

1.1 发动机台架系统

实验是在一台排量为1.5 L 的增压中冷的GDI 发动机上进行的。其中发动机的主要技术参数如表1 中所示。台架系统中其它的一些主要组成部件主要包括：测功机、INCA 系统、开放式ECU、Kistler6117BFD16 压力传感器等。而台架系统的结构简图如图1 所示。

图1 台架系统图

表1 发动机主要技术参数

1.2 实验方案

为了能够较好的研究GDI 发动机的外特性，在实验过程中，发动机的喷油压力为35 MPa，保持发动机节气门开度100%，改变发动机的转速，采集每个转速下发动机的性能数据并保存。

2 结果与讨论

图2 为不同转速工况下GDI 发动机缸内压力。可以看到，随转速增加，发动机的最大缸内压力峰值先增加后下降，并且最高压力峰值提前。这是因为随转速增加，缸内气体流动增强，改善了GDI 发动机的燃油雾化及与空气混合质量，促进燃烧，缸内压力峰值增加，但随转速增加，燃烧持续期增加，缸内定容燃烧恶化，缸内压力峰值下降。

图2 不同转速下GDI 发动机缸内压力

图3 为GDI 发动机在不同转速下的最大压力升高率。发动机的最大压力升高率对发动机的燃烧噪声有着显著的影响。随着GDI 发动机转速增加，发动机最大压力升高率先降低后上升，在中等转速具有最小的压力升高率。这说明GDI 发动机在中等转速范围内，发动机缸内燃烧更加平稳，燃烧噪声更低。

图3 不同转速下GDI 发动机最大压力升高率

图4 为不同转速下GDI 发动机的扭矩和充量系数。与柴油发动机相似，GDI 发动机的扭矩在低转速范围（1 000 r/min～1 500 r/min）下随转速增加而增加；在中等转速（1 500 r/min～ 4 000 r/min）范围内扭矩达到最大值，且随转速增加扭矩变化不大；在高转速（4 000 r/min～ 5 500 r/min）范围下，发动机扭矩随转速的增加而下降。

图4 不同转速下GDI 发动机的扭矩和充量系数

这是因为发动机扭矩受充量系数、指示热效率和机械效率三者乘积的影响。在低转速下，发动机摩擦损失较小，机械效率较高，充量系数较大（图4b），所以低转速范围（1 000 r/min～1 500 r/min）内，扭矩随转速的增加而增加；在中转速范围（1 500 r/min～4 000 r/min）内，充量系数随转速增加而下降，但在（2 000 r/min～3 500 r/min）转速范围内，充量系数变化不大（图4b），随转速增加指示热效率快速上升，所以在中转速范围（1 500 r/min～4 000 r/min）内，GDI发动机达到最大扭矩，且随转速增加扭矩保持稳定；在高转速范围内4 000 r/min～5 500 r/min），由于随转速增加，进气阻力增大，充量系数逐渐下降，发动机摩擦损失增加，机械效率下降，并且在高速运转下，由于以曲轴转角计的燃烧持续期增大，燃烧定容度恶化，发动机的泵气损失增加，使得指示热效率下降，因此高转速范围下，GDI 发动机的扭矩下降。

图5 为不同转速下GDI 发动机有效燃油消耗率和有效热效率。GDI 发动机的有效燃油消耗率随发动机转速的增加而增加，但在低速范围下有一段呈现相反的趋势。这是因为有效燃油消耗率与机械效率和指示热效率的乘积成反比，在低转速下，缸内气体运动减弱，火焰传播速度降低，传热损失及漏气损失增加相对增加，导致指示热效率略有下降，但机械效率较高，因此低速范围内有效燃油消耗率下降；随转速增加，发动机摩擦损失上升，机械效率下降，在高速运转时，以曲轴转角计的燃烧持续期增大，燃烧定容度恶化，发动机的泵气损失增加，使得指示热效率下降，所以有效燃油消耗率上升和有效热效率下降（图5b）。

图6 为不同转速下GDI 发动机的功率。随发动机转速增加，GDI 发动机的功率增加。进一步观察发现，随转速的增加，功率的增加趋势逐渐降低。这是因为发动机功率受扭矩和转速的影响，随转速增加过程，GDI 汽油发动机扭矩先增加后下降（图4a），导致功率的增加趋势下降。

图6 不同转速下GDI 发动机的功率

3 总结

（1）随转速增加，GDI 发动机的最大爆发压力峰值先上升后下降；最大压力升高率先降低后上升。

（2）GDI 发动机扭矩在低转速范围（1 000 r/min～1 500 r/min）下随转速增加而增加；在中等转速（1 500 r/min～ 4 000 r/min）范围内扭矩达到最大值，且随转速增加扭矩变化不大；在高转速（4 000 r/min～5 500 r/min）范围内，扭矩随转速增加而下降。

（3）随转速增加，GDI 发动机的充量系数降低，功率上升；有效燃油消耗率随转速增加先下降后上升，有效热效率呈相反的趋势。