2.0 T直喷汽油发动机性能及燃烧分析

李 显，宋志平，张连方，夏春雨 Li Xian，Song Zhiping，Zhang Lianfang，Xia Chunyu



2.0 T直喷汽油发动机性能及燃烧分析

李 显，宋志平，张连方，夏春雨 Li Xian，Song Zhiping，Zhang Lianfang，Xia Chunyu

（中国第一汽车股份有限公司技术中心发动机部，吉林 长春 130011）

研究2.0 T直喷汽油机的喷油正时、喷油压力、进排气相位和点火提前角对发动机动力性、燃烧特性和经济性的影响。研究结果显示，发动机的动力性达到了设计目标。在2 000 r/min、200 kPa BMEP（Brake Mean Effective Pressure，平均有效缸内压力）工况，发动机的比油耗可以达到375 g/kWh，达到国际先进水平。

汽油机；燃烧；油耗

0 引 言

全球变暖和石油匮乏已经成为人们日益关注的话题，这也要求汽车业进一步降低油耗和排放。2009年哥本哈根联合国气候变化大会提出，将每年全球气温升幅控制在2 ℃以内，这需要社会各界的共同努力，特别是汽车行业。

为满足日益严格的CO2排放或油耗限值要求，汽车制造商都对未来汽车工业的发展进行了预测并制定不同的技术策略。虽然混合动力和电动汽车是未来汽车的方向，但在未来几十年内传统的内燃机仍是汽车的主要动力，如何开发满足油耗法规的内燃机才是多数汽车制造商的迫切需求。欧洲和北美主要的技术发展方向是直喷汽油机为基础的增压降排量技术和柴油发动机；日本主要的技术路线是可变气门结构和整车轻量化，增压降排量技术和柴油机的高成本给日本汽车企业增添了顾虑，但他们对汽油直喷技术保持赞同。

汽油直喷是公认能够有效提高发动机燃油经济性及车辆驾驶性能的先进技术之一[1]。为提高产品竞争力，满足国家油耗法规的要求，开发汽油直喷发动机，描述2.0 T直喷汽油机性能开发过程，总结喷油参数、气门相位和点火提前角等对发动机燃烧和经济性的影响规律。

1 发动机台架布置

2.0 T GDI（Gasoline Direct Injection，汽油机缸内直喷）发动机的主要技术参数见表1，发动机台架试验布置如图1所示。

表1 发动机技术参数

参数参数值 形式直列4缸 排量/L1.994 缸径/mm84 冲程/mm90 进气门尺寸/mm2×29.4 排气门尺寸/mm2×24.6 额定功率/kW145 额定转速/(r/min)5 500 最大扭矩/(N·m)280 最大扭矩转速/(r/min)2 000～4 500 压缩比10.3:1 排放标准欧Ⅳ

2 试验方案

试验对发动机外特性及部分负荷特性进行研究，分析不同燃烧参数对发动机燃烧和经济性的影响，还对部分负荷的典型工况进行油耗优化。

注：1. 测功机；2. 排温检测；3. 排放分析仪；4. 三元催化器；5. 消声器；6. 冷却系统；7. 油耗仪；8. 燃烧分析仪。

3 试验结果分析

3.1 发动机外特性对比

相同排量不同发动机外特性的对比分析曲线如图2所示，从图上可以看出，2.0T GDI发动机外特性与同平台的2.0 T PFI（Port Fuel Injection，进气道喷射）相比扭矩提高20 N·m，与AUDI 2.0T相比，低速时扭矩相当，在5 000 r/min时，扭矩有20 N·m的差距。

相同排量不同发动机外特性油耗对比分析如图3所示，与PFI发动机相比，GDI发动机的油耗均有降低，原因是采用直喷以后，燃油直接喷射到缸内，降低缸内温度，同时利用进排气VVT（Variable Valve Timing，可变气门正时系统）技术可以更好地利用扫气功能，大大降低缸内残余废气，二者结合使直喷增压发动机的爆震倾向降低，使得点火角可以提前，油耗降低。但是与AUDI 2.0T相比，油耗还有一定差距，只有部分点油耗优于AUDI 2.0T。

3.2 喷油正时对发动机工作特性的影响

喷油正时对缸内气流运动和燃油湿壁都有重要的影响。喷油过早，会导致燃油在喷射过程中不能与缸内气流有充分的相互作用时间，碰壁现象严重，从而不利于均质混合气的形成；喷油过晚，会导致不能充分利用活塞顶部燃烧室的导流作用，碰壁现象严重，且混合气形成时间变短，进而对缸内燃烧过程产生直接的影响。从试验结果可以看出，在2 000 r/min，200 kPa BMEP工况，压缩上止点前260～280° CA开始喷油，燃烧持续期短，燃烧相位靠前，燃烧稳定，获得了较高的平均有效压力和较低的比油耗[2]，如图4和图5所示。

3.3 喷油压力对发动机工作特性的影响

从试验结果可以看出，喷油压力对发动机各参数影响不大，这是因为在低转速、低负荷工况，喷油压力对喷油相位角的影响可以忽略。当喷油压力在11 000 kPa以下时，喷油压力对喷油脉宽有明显的影响；超过11 000 kPa后，喷油压力对脉宽影响不大。虽然高的喷油压力可以降低喷雾粒径，但是对于低转速，具有足够混合气形成时间的燃烧系统而言，对燃烧的作用很小，图6和图7是2 000 r/min，200 kPa BMEP工况的试验结果。

3.4 点火提前角对发动机工作特性的影响

点火提前角对发动机性能有显著的影响。适当的点火提前角，可以使燃烧相位提前并缩短燃烧持续期，进而提高发动机的动力性和经济性。 2 000 r/min，200 kPa BMEP工况，上止点前30～35° CA是合适的点火提前角，如图8所示。如果推迟点火，会使燃烧滞后且增加燃烧持续期，进而降低动力性、增加油耗；如果进一步使点火角提前，会使燃烧过早，对活塞做负功增加，降低了动力性，增加了油耗[3]。此外，如图9所示，点火提前角对涡轮前温度有很大影响，增加点火提前角可以大幅度降低排温。

3.5 进气凸轮相位对发动机工作特性的影响

试验过程中保持排气凸轮相位处于初始值，进气凸轮相位对进排气过程的影响：1）排气凸轮相位越靠前，排气行程末期缸内压力降低越快，说明进气早开，缸内废气会进入进气道，压缩行程末期缸内压力，可以反应进入进气道的废气量；2）进气凸轮相位越靠前，进气过程缸内压力越高，可以从图10缸压曲线看出，说明进气凸轮相位可以调节进气量，这一点从空气流量计得到验证；进气相位对空气流量的影响如图11所示；3）进气凸轮相位提前20° CA时进气量比提前10° CA时有所减少。从缸压曲线可以看出，在两种进气凸轮相位下，进气行程缸内压力相当，说明进气量相当，但是因为凸轮相位为20° CA时相应缸内会有更多的EGR，导致空滤后的空气流量传感器测得的进气量有所减少。

进气凸轮相位对燃烧过程的影响：1）燃烧相位、燃烧持续期随进气凸轮相位的提前而滞后（EGR率增加），如图12、13所示；2）燃烧循环变动率随进气凸轮相位的提前而大幅度增加（EGR率增加），如图14所示。

3.6 排气凸轮相位对发动机工作特性的影响

试验过程中保持进气凸轮相位20° CA，排气凸轮相位对进排气过程的影响：1）对排气行程末期缸内压力影响不大，可以认为对进入进气道的废气量影响不大，如图15所示；2）进气过程缸内压力随排气凸轮相位的推迟而增加，说明缸内气体总量在增加。其增加幅度高于进气流量增加幅度，说明有大量的EGR倒流回缸内，如图16所示。

3.7 发动机部分负荷工况油耗

发动机几个常用部分负荷工况点油耗如图17所示，由于发动机采用增压技术、高滚流气道等技术，发动机压缩比可以提高到10.3，从而提高了发动机热效率。目前，发动机油耗已经与国际先进水平相当。

4 结 论

对比不同增压器对发动机外特性的影响，对比喷油正时、喷油压力、点火角度、进气相位和排气相位对发动机燃烧和经济性的影响。试验还完成了具有代表性的部分负荷工况点的油耗优化。

试验结果显示，发动机的升功率达到72.5 kW，升转矩达到了140 N·m。2 000 r/min、200 kPa BMEP的比油耗达到了375 g/kWh，与国际先进水平相当。

[1]H. Tokuda, T. Yoshinaga, T. Nakashima, et al. Flexible Design of Fuel Injection and Ignition Systems for Gasoline Direct Injection Engines. 27th International Vienna Motor Symposium, 2006.

[2]R. Leonhard, J. Gerhardt. Direct Injection – From Vision to Reality. 27th International Vienna Motor Symposium, 2006.

[3]E. Groff, A. Königstein, H. Drangel. The New 2.0L High Performance Turbo Engine with Gasoline Direct Injection, from GM Powertrain. 27th International Vienna Motor Symposium, 2006.

2017-04-14

1002-4581（2017）04-0039-05

U467.2

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.04.011