缸內(nèi)直噴汽油機(jī)熱平衡試驗(yàn)和紅外熱像測(cè)量技術(shù)研究

高長(zhǎng)俊 倪計(jì)民 計(jì)維斌

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438）

0 前言

提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，減少污染物排放一直是發(fā)動(dòng)機(jī)研究的兩大目標(biāo)。汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)（GDI）被認(rèn)為是目前最有效的節(jié)能減排技術(shù)之一，通過提升噴油壓力、缸內(nèi)直噴、分層燃燒等技術(shù)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)、燃燒組織及廢氣排放的同時(shí)，可大大降低燃油耗并提升功率和扭矩。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)既具有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低油耗的特點(diǎn)，又具有汽油機(jī)高輸出的優(yōu)勢(shì)，在提高燃油經(jīng)濟(jì)性和輸出功率方面有著巨大的潛力。因此，對(duì)GDI汽油機(jī)熱平衡的研究是目前新型汽車開發(fā)的基礎(chǔ)，也是中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)提升自主研發(fā)能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究時(shí)，輻射散熱很難直接被測(cè)量，隨著紅外熱像儀在工業(yè)領(lǐng)域不斷廣泛應(yīng)用，為進(jìn)一步研究熱平衡中熱輻射的能量提供了測(cè)量方法。本文主要研究了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡，并結(jié)合紅外熱像儀測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步分析輻射散熱，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)輻射散熱的測(cè)試方式。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡模型

發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)的目的是確定在不同工況下燃油燃燒釋放的總熱量在發(fā)動(dòng)機(jī)各部分中的分配。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，增壓中冷發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)燃油燃燒釋放的熱量主要轉(zhuǎn)化為以下部分：有效功率、冷卻液帶走的熱量、中冷帶走的熱量、排氣帶走的熱量和余項(xiàng)損失。余項(xiàng)損失包括對(duì)流和輻射到周圍環(huán)境中的熱量以及燃料不完全燃燒損失的熱量［1－4］。

穩(wěn)態(tài)工況熱平衡試驗(yàn)可以在發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)中確保發(fā)動(dòng)機(jī)工況穩(wěn)定。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，測(cè)量各系統(tǒng)熱量分配情況。發(fā)動(dòng)機(jī)熱量流動(dòng)采用集總參數(shù)方法分析，如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)能量流

2 發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)及結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)符合GB／T 18297—2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》和GB／T 1147.2—2007《中小功率內(nèi)燃機(jī) 第2部分：試驗(yàn)方法》的要求，本課題研究的對(duì)象為2.0TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)，外形如圖2所示。

2.1 負(fù)荷對(duì)熱量分配的影響

當(dāng)轉(zhuǎn)速為5 200r／min時(shí)不同負(fù)荷下各部分熱量損失的變化如圖3～圖4所示。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的油量是通過改變節(jié)氣門的開度來調(diào)整空氣的進(jìn)入量，從而控制噴油量，在轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，通過改變節(jié)氣門開度來調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的空氣量，以達(dá)到不同的負(fù)荷要求。對(duì)于燃油消耗量來說，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，其值的變化取決于每次循環(huán)供油量，它隨負(fù)荷的增加而增加，在中小負(fù)荷段近似成線性，在高負(fù)荷時(shí)，過量空氣系數(shù)明顯下降，導(dǎo)致燃燒惡化，上升的幅度更快一些。因此燃油燃燒釋放的總熱量表現(xiàn)為在中小負(fù)荷段近似成線形，隨負(fù)荷增大而增加，在高負(fù)荷段也呈線形上升，且上升斜率較大。

圖2 2.0TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)外形圖

圖3 轉(zhuǎn)速5 200r／min時(shí)，負(fù)荷特性各項(xiàng)熱量隨扭矩的變化曲線

圖4 轉(zhuǎn)速5 200r／min時(shí)，負(fù)荷特性各項(xiàng)占總?cè)剂厢尫艧崃康谋壤?/p>

2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)熱量分配的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)外特性下的熱量分配見圖5，外特性上功率占燃料釋放總熱量的19.7%～32%之間，冷卻液帶走的熱量占12.7%～19.3%，排氣帶走的熱量占20.5%～30.1%，中冷帶走的熱量占0.4%～2.8%，余項(xiàng)損失的熱量占23.5%～38.4%。

圖5 外特性上各項(xiàng)熱量分配比較

從圖5中可以看出，中冷帶走的熱量最少，而冷卻液帶走的熱量次之且近似線性。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 200 r／min以下，功率、排氣、余項(xiàng)損失的熱量三者之間變化規(guī)律及數(shù)值基本一致。而在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 200～5 200 r／min時(shí)，功率占比逐漸變小，排氣帶走的熱量線性增加，而余項(xiàng)損失占比逐漸升高。在過量空氣系數(shù)低于0.8時(shí)，由于燃料的不完全燃燒程度逐漸加劇，使得余項(xiàng)損失的熱量顯著升高。

在不同轉(zhuǎn)速下排氣帶走熱量的變化如圖6所示。在同樣的燃油耗下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)排氣帶走的熱量接近。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下排氣帶走的熱量與燃油耗的關(guān)系圖

在不同轉(zhuǎn)速下余項(xiàng)損失熱量的變化如圖7所示。在燃油耗較低時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下排氣帶走的熱量接近，在油耗較大時(shí)變化規(guī)律一致，隨轉(zhuǎn)速增大，曲線右移。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下余項(xiàng)損失的熱量與燃油耗的關(guān)系圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 排氣溫度帶走的熱量分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)各溫度源中，排氣的溫度最高，且排氣的溫度對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性、排放、動(dòng)力性都有直接關(guān)系，常常在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定過程中為了降低排放而犧牲燃油經(jīng)濟(jì)性。由圖6可以看出，在4種不同轉(zhuǎn)速（2 000r／min、3 200r／min、3 600r／min、5 200r／min）排氣帶走的熱量隨燃油的增大而接近線性增大，燃油耗越大，消耗的空氣量也越多，燃油釋放總熱量增加，發(fā)出的功率越大。從4條排氣帶走的熱量與燃油耗的曲線可以看出，4條線接近重合，因此排氣帶走的熱量可以通過一元回歸分析得到擬合曲線。對(duì)上述4種不同轉(zhuǎn)速采用一元三次多項(xiàng)式擬合曲線，得到曲線方程

y＝ －6×10－5x3－0.009x2＋3.855 8x （1）式中，x代表燃油耗，y代表排氣帶走的熱量。在這4種轉(zhuǎn)速下共有73個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。油耗為0時(shí)，表示發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)，排氣帶走的熱量也為0，因此擬合的線性曲線在y軸的截距為0。相關(guān)指數(shù)R越大說明殘差越小，則對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線越好。R2＝0.993 2，曲線如圖8所示。

對(duì)排氣帶走的熱量擬合曲線方程進(jìn)行驗(yàn)證，選取轉(zhuǎn)速4 400r／min時(shí)試驗(yàn)所得的排氣帶走的熱量值與擬合曲線進(jìn)行比較，如圖9所示。通過計(jì)算可得，各工況點(diǎn)排氣散熱擬合值與試驗(yàn)值之間標(biāo)準(zhǔn)差S為3.36，相關(guān)指數(shù)R為0.993，絕對(duì)差值與擬合值間百分比的平均值為4.2%，說明所選取的轉(zhuǎn)速4 400r／min各試驗(yàn)點(diǎn)排氣帶走的熱量符合擬合曲線方程。

3.2 余項(xiàng)損失的熱量分析

圖8 排氣帶走的熱量與燃油耗的3次擬合曲線圖

圖9 排氣帶走的熱量擬合曲線與試驗(yàn)曲線比較圖

由圖7可以看出，在6種不同轉(zhuǎn)速（2 000r／min、2 800r／min、3 200r／min、3 600r／min、4 400r／min、5 200r／min）余項(xiàng)損失的熱量與燃油耗及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，都為二元函數(shù)。采用Matlab軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。對(duì)107個(gè)試驗(yàn)工況得到的余項(xiàng)損失的熱量采用二元多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，擬合曲面如圖10所示，得到方程為

式中，z代表余項(xiàng)損失的熱量，x代表發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，y代表燃油耗。采用轉(zhuǎn)速2 800r／min時(shí)的19個(gè)試驗(yàn)工況數(shù)據(jù)對(duì)擬合方程進(jìn)行驗(yàn)證（圖10中白色點(diǎn)為驗(yàn)證點(diǎn)），標(biāo)準(zhǔn)差（RMSE）＝3.983 9，符合擬合方程。R2＝0.992，RMSE＝6.103。

4 基于紅外熱成像儀的發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度場(chǎng)研究

圖10 余項(xiàng)損失的熱量與轉(zhuǎn)速和燃油耗擬合曲面圖

余項(xiàng)損失中對(duì)流及熱輻射的散熱影響發(fā)動(dòng)機(jī)前艙熱管理的分析，因此分析這部分的熱量對(duì)前艙熱管理非常重要。但這部分熱量無法直接測(cè)量得到，往往通過發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱模型進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于試驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確邊界條件。隨著紅外熱成像技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度場(chǎng)的測(cè)量提供了更有效、快速、便捷、測(cè)量精度更準(zhǔn)確的先進(jìn)測(cè)量和分析手段。

4.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用紅外熱像儀為德國(guó)InfaTec公司生產(chǎn)的ImageIR 8300測(cè)溫紅外熱像儀，采樣頻率為100Hz／325Hz／850Hz，探測(cè)波長(zhǎng)為2～5μm。由于紅外圖像處理軟件IRBIS3得到的是溫度圖像及溫度數(shù)值，而最終要分析的是發(fā)動(dòng)機(jī)表面熱輻射值，因此后期借助EXCEL利用輻射理論將軟件IRBIS3得到的溫度值進(jìn)行熱輻射值計(jì)算。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。

圖11 紅外熱像儀測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4.2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200r／min時(shí)的全負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，攝像頭分兩次布置，第一次在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)，熱像圖如圖12所示。第二次在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)，熱像圖如圖13所示。試驗(yàn)時(shí)由于油底殼表面溫度不便測(cè)量，機(jī)油溫度是均勻的，因此油底殼的溫度可以認(rèn)為是均勻的，所以取油底殼側(cè)面點(diǎn)代表油底殼表面溫度。由于頂部、前端、后端不便測(cè)量，不考慮反射等其他方面的影響，假設(shè)溫度也均勻，用局部區(qū)域溫度代表整體溫度。

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)熱像圖

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)熱像圖

通過熱像儀成像技術(shù)得到的是一組圖像數(shù)據(jù)，利用IRBIS 3professional可以將設(shè)定區(qū)域各像素點(diǎn)的溫度值導(dǎo)成EXCEL格式數(shù)據(jù)，各像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物體的實(shí)際面積可以認(rèn)為是相等的，因此根據(jù)普朗克黑體輻射定律和斯忒藩－波爾茲曼定律得到輻射熱量如下

式中，PM為輻射熱量，單位為kW；ε為物體發(fā)射率；σ為斯忒藩—波爾茲曼常數(shù)；Ti為第i個(gè)像素點(diǎn)絕對(duì)溫度，單位為K；n為像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；A為輻射區(qū)物體面積，單位為cm2。假定ε為1，不考慮反射等其他因素影響，可得輻射散熱量為1.28kW。由熱平衡試驗(yàn)得到轉(zhuǎn)速在1 200r／min全負(fù)荷工況時(shí)余項(xiàng)損失為18.3 kW，因此輻射散熱所占余項(xiàng)比例為7.0%。

5 結(jié)論

本文主要研究了某款2.0TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡，并結(jié)合紅外熱像儀測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步分析輻射散熱，主要研究成果如下：

（1）利用集總參數(shù)法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡建立模型；

（2）通過GDI發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)及結(jié)果分析，得出了外特性時(shí)及不同轉(zhuǎn)速時(shí)的負(fù)荷特性發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡數(shù)據(jù)。用回歸分析方法建立了排氣帶走與油耗間的一元三次曲線擬合公式，利用Matlab軟件中余項(xiàng)損失與燃油耗和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速間的相關(guān)性進(jìn)行分析，采用二元多項(xiàng)式的方法得到擬合函數(shù)。

（3）通過紅外熱成像原理，提出了利用紅外熱像儀計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射，并利用此方式計(jì)算了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200r／min時(shí)的熱輻射值為1.28kW，占余項(xiàng)損失的7.0%。

通過研究，得到GDI發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡的基本規(guī)律，為GDI發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)的研究提供了依據(jù)，并引入前沿紅外測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射的研究，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射的研究提供了方案。