对汽油缸内直喷式技术的研究与应用

摘 要：汽油缸内直喷技术是引擎设计的关键技术环节，文章通过实验方法，对汽油缸内直喷技术的需求与设计、缸内直喷技术性能分析工具及方法进行了说明，并经过分析，得到了一系列有价值的结论。

关键词：汽油；缸内直喷；技术；应用

1 汽油缸内直喷技术发展概述

汽油引擎设计需求包含低噪声振动（NVH）、足够发电功率、低成本与维修费、低重量及高效率等，并且能在车体内有限空间安装与驱动，一般需能产生20～50kW 的功率方能作为发电用途，目前汽车界所发展的引擎包含转子引擎（Rotary engine）、微涡轮（micro gas turbine）及2～4 汽缸的内燃机引擎等，其中四缸引擎可采用对卧、V型及直列式汽缸排列，如GM公司所采用的1.4L 四缸内燃机、FEV及MAHLE 公司发展的V型四缸汽车引擎。采用V型可避免纵向震动，最佳化转速设定在4000 RPM，可达可接受噪声振动标准，并可达功率30 kW及平均制动有效压力（Brake Mean Effective Pressure， BMEP）10 bar的目标。

汽车引擎界大都采用岐管喷油（Port Fuel Injection， PFI）方式喷油，现今引擎发展朝向采用缸内直喷（Gasoline Direct Injection， GDI）、进气增压及阀门控制等技术进行新引擎设计开发，汽油缸内直接喷射引擎具有很多的潜力与优点，如：燃油经济性佳、高扭力输出及低污染等等，这些正面性的特性吸引着汽车与机车引擎生产者致力于发展该项技术。学者使用引擎模拟软件GT-Suite，针对引擎喷射正时及点火正时进行最佳化模拟，并且通过引擎验证性能输出，可以确立其计算模型建立的可行性。

2 汽油缸内直喷技术的需求与设计

本研究将以自行改装的1000cc四缸汽油缸内直喷（Gasoline Direct Injection， GDI）实体引擎为基础平台，在不更改原本内部几何构型（进气型式与管道尺寸、阀门形状），采用商用引擎模拟软件GT-Suite辅助分析与设计四缸汽车引擎，预计可单点或多点最佳化操作，使BSFC可低于230g/kW-hr，以满足未来环保要求，该目标引擎可在4000 RPM输出30kW，以满足汽车充电需求。本研究预计设计汽油缸内直喷四缸发动机，总排气量为1000cc，采用V型构型且两缸夹角为90度，该构型具有较小震动的优点。

在四缸引擎进气设计及配气方面上，引擎节气阀门全开（Wide Open Throttle，WOT），并采用集气室集气，该部分采用圆柱体，体积为总扫气容积的80%，约为800cc，具单一进气、双出口设计，尺寸为直径（D）=80mm 及长度（L）=160mm，进气管道配管与搭配V型四缸所建构汽缸结构与几何，该部分集气量、配气管路及出口直径均可能影响各汽缸的容积效率，并有可能引起气动噪音，在本研究尚不考虑集气室尺寸对引擎性能的影响，采用目前设计进行后续分析。

以前的研究已经完成四缸GDI引擎的点火正时DOE（Design of Experiment）设计分析，将承继该部分结果进行V型四缸汽车GDI引擎设计开发，引擎设计参数包含缸径衡程比（BSR， Bore Stroke Ratio）、压缩比（CR， Compression Ratio）及改变进排气阀门正时（Valve Timing），本研究在不改变连杆长度下，本引擎的原本设计是属于短衡程（BSR=1.228），又因进气门直径较大，可缩小缸径的范围狠小，所探讨设计变数范围会因缸径实际设计考量而范围受限，因此BSR 所探讨范围设定在1.15～1.35 之间，而压缩比范围设定在11.5～13.5，而进气阀门正时范围为290°～350°ATDC Firing、排气阀门正时范围为80°～120°ATDC Firing，进行引擎转速范围在2000～ 6000 RPM 时V型四缸汽车GDI引擎的性能，通过检视进气效率、功率输出、BMEP 及BSFC的变化以找出最佳设计范围及设计点。

3 缸内直喷技术性能分析工具及方法

本文沿用先前所建立的四缸GT模型，配合实验引擎所需，除去空气滤清器及排气尾管设置，并使用实际引擎所量测的各部件几何形状所建立，四缸分析模型已完成与实验量测的容积效率验证及缸内压力变化的比较，均与实验引擎量测数据相当吻合，经最佳的油耗分析于喷射正时于-230°CA ATDC （曲轴转角）喷油为最佳，并且可得最高的引擎输出功，因此后续引擎计算分析则以-230°CA ATDC为燃油喷射正时。根据V2汽车引擎实体设计配置，建立出分析模型，分析所使用火焰模型及蒸发模型。

4 分析结果与讨论

本文以水冷式 V型四缸（V2）1000cc缸内直喷汽油引擎为模拟分析主体，目标以设计稳定于30 kW输出且BSFC可低于230g/kW-hr的GDI汽车引擎，使用先前研究所做的点火正时最佳化所订定出的点火正时角（随转速变化），V型四缸的点火正时时机相差270 度，并搭配最佳的燃油喷射正时（-230°CAATDC_Firing），在固定燃油当量比（Phi=1.0）的操作条件下，进行设计参数变化分析。

4.1 缸径衡程比及压缩比的影响

检视在不同转速下改变缸径衡程比的分析结果，对BSFC（Brake Specific Fuel Consumption）影响不大，仅在高BSR时会些微影响，观察可知在转速4000RPM（含）以下，可达到本文设定BSFC值的目标。后续将以4000 RPM为基准，比对3500RPM及4500RPM的性能数据以判断可行性。

接着探讨改变压缩比及缸径衡程比对 BSF 的影响，结果改变BSR比并不会对BSFC有明显的影响，但在改变压缩比时则可以看到BSFC会随着压缩比增加而降低，由于本文所采用实验引擎的压缩比已达12.2，对汽油引擎来说已是偏高的设定值，因此若以增加引擎的压缩比来改善BSFC的输出值，则引擎成本也需相对的提高，也可成造成不预期的爆震发生，不可作为设计方向。探讨BSR及压缩比的参数分析结果，均无法取得一个最佳的改善方式，后续分析则采用原本引擎实体规格。

4.2 进排气门正时的影响

适当控制进排气正时将能掌握进气效率而提高引擎性能，当引擎为3500RPM时，原实验机的排气门正时设定值于在此转速下最佳的设定点，若进气门正时可以再些微的延后则可以取得最佳的BSFC值，整体看来BSFC值均可达到230g/kW-hr的设计限制，但这一转速下的所有操作点均无法达到30kW的充电输出需求，所以势必要再将转速提高。当在4000RPM时，有一部分操作区间可达到220～230g/kW-hr左右，经对照到输出功可达到30kW输出的范围，需将进气门正时延后至335°～345°CA左右、排气正时调整为90°CA，则可以达到本文对引擎输出功目标且BSFC可以保持在230g/kW-hr。

参考文献

[1]宋朋.汽油机缸内直喷技术[J].华章，2011（36）.

[2]高剑，蒋德明，黄佐华，王锡斌.缸内直喷（GDI）汽油机燃油喷雾和分层燃烧的数值研究[J].内燃机学报，2005（4）.

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