一款2.0 L缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的燃燒系統(tǒng)設(shè)計

朱宏飛，鄭險峰，陳 泓，杜家坤，冶 麟，張 雙

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511400）

0 引言

直噴式汽油機(jī)與氣道噴射式汽油機(jī)相比，由于能夠在較為寬廣的曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)將燃料直接噴入缸內(nèi)，可有效降低缸內(nèi)溫度，抑制大負(fù)荷工況下爆震傾向，提升熱效率，同時也在實(shí)現(xiàn)分層稀薄燃燒模式控制方面表現(xiàn)出巨大潛力，成為國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)研發(fā)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)[1-2]。由于汽油具有較好的揮發(fā)性，即使通過與柴油機(jī)相似的直噴方式引入缸內(nèi)，也能在一定程度上保證油氣混合過程[3]。但在某些工況下，由于混合氣形成時間相對較短，缸內(nèi)混合氣仍存在不均勻的情況。因此，如何設(shè)計適宜的缸內(nèi)噴霧靶點(diǎn)并與燃燒室及缸內(nèi)氣流運(yùn)動合理匹配成為直噴式汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵[4-5]。

隨著研究的深入及研究手段的進(jìn)一步完善，研究者采用可視化發(fā)動機(jī)，并借助多種非介入式光學(xué)研究手段，開展了一系列燃燒系統(tǒng)控制參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響研究[6-8]。研究發(fā)現(xiàn)，燃油噴霧特性對燃燒及排放有顯著影響，通過對燃油噴霧靶點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，有助于提升燃燒穩(wěn)定性，降低HC等未完全燃燒產(chǎn)物排放[9]。同時，通過燃油系統(tǒng)與燃燒室、進(jìn)氣流動特性等進(jìn)行合理匹配可有效改善缸內(nèi)混合氣形成特性，設(shè)計出優(yōu)化的燃燒系統(tǒng)，在保證發(fā)動機(jī)高效清潔燃燒方面表現(xiàn)出一定潛力[10-11]。

本文基于可視化的燃燒系統(tǒng)開發(fā)平臺，針對一款2.0 T GDI發(fā)動機(jī)的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計。以進(jìn)氣道滾流比和流量系數(shù)為控制目標(biāo)，設(shè)計出了高性能進(jìn)氣道匹配缸蓋燃燒室及活塞，確保合理的缸內(nèi)進(jìn)氣流動；在綜合考慮排放的條件下，兼顧機(jī)油稀釋率及油氣混合均勻程度，開發(fā)出了高效、低排放的燃燒系統(tǒng)，并最終在光學(xué)單缸機(jī)上和熱力學(xué)多缸機(jī)上進(jìn)行了試驗驗證，獲得了預(yù)期的性能指標(biāo)輸出。

圖1 汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)組成

1 GDI燃燒系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

汽油機(jī)的燃燒系統(tǒng)主要由進(jìn)排氣道、缸蓋燃燒室、活塞以及噴油、點(diǎn)火裝置組成，如圖1所示。進(jìn)氣道對氣流的引導(dǎo)并合理產(chǎn)生滾流比，決定著燃燒系統(tǒng)燃燒速率的潛力；缸蓋燃燒室和活塞頂面對氣流的綜合作用決定了點(diǎn)火時間窗口油氣混合的狀況和分布特性；活塞頂面結(jié)構(gòu)與油束的合理配合將直接影響油氣混合和分布的特性；而排氣道的流通特性決定著燃燒室內(nèi)的殘余廢氣量。同時，組成燃燒系統(tǒng)的各個結(jié)構(gòu)又相互作用，共同決定油氣燃燒的最終效能。因此開發(fā)高效燃燒系統(tǒng)是開發(fā)高效率汽油機(jī)的核心。

1.2 燃燒系統(tǒng)可視化開發(fā)平臺

1.2.1 3D-PIV氣道試驗臺

采用非介入式三維流場測試技術(shù)可以精確測量缸內(nèi)流場，從而計算氣道的滾流比和流量系數(shù)，保證高性能進(jìn)氣道的設(shè)計。氣道試驗臺如圖2所示。

圖2 3D-PIV氣道試驗臺

1.2.2 噴霧定容彈試驗臺

采用定容彈噴霧試驗臺可以測試噴油器的宏觀噴霧形態(tài)、貫穿距、噴霧靶點(diǎn)和靜態(tài)流量等，為噴霧設(shè)計的幾何匹配提供數(shù)據(jù)支撐。噴霧試驗臺如圖3所示。

圖3 噴霧定容彈試驗臺

圖4 光學(xué)單缸機(jī)試驗臺

1.2.3 光學(xué)單缸機(jī)試驗臺

如圖4所示，在光學(xué)單缸機(jī)試驗臺架上，可以實(shí)現(xiàn)對缸內(nèi)流動、缸內(nèi)噴霧、油氣混合和著火過程及火焰?zhèn)鞑サ娜轿挥^測，綜合評估燃燒系統(tǒng)。

2 2.0TGDI燃燒系統(tǒng)

2.1 高性能進(jìn)氣道開發(fā)

為了獲得較快的燃燒速度，并促進(jìn)油氣的混合，氣道需要在保證流量系數(shù)的同時，組織較強(qiáng)的滾流比，2.0T GDI共設(shè)計了3種方案的氣道，如圖5所示，最終通過試驗（試驗結(jié)果如圖6所示）選定了方案3。

圖5 2.0 T GDI氣道設(shè)計

圖6 方案3試驗結(jié)果

從圖6的試驗結(jié)果可以看出，所選定的氣道型線引導(dǎo)氣流高速運(yùn)動，在燃燒室內(nèi)形成了有規(guī)律的合理流動，為滾流強(qiáng)度的保持提供了良好的基礎(chǔ)，有力保證了點(diǎn)火時刻滾流比破碎產(chǎn)生較強(qiáng)的湍流強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)了火焰快速傳播的目標(biāo)。評估表明2.0T GDI進(jìn)氣道的積分滾流比達(dá)到了2.3以上，積分流量系數(shù)大于0.30，滿足發(fā)動機(jī)性能設(shè)計的流動要求。

2.2 缸蓋燃燒室和活塞頂面設(shè)計

缸蓋燃燒室采用匹配高滾流氣道設(shè)計的氣門夾角，約為35°，為汽油發(fā)動機(jī)滾流型燃燒室的典型設(shè)計，如圖7所示；構(gòu)成燃燒系統(tǒng)的活塞設(shè)計選用兩種頂面形狀，如圖8所示。

活塞凹坑的深度和形狀決定了滾流在缸內(nèi)運(yùn)動過程中的保持和最終轉(zhuǎn)化，因此進(jìn)行了5 250 r/min@WOT工況點(diǎn)的缸內(nèi)流動計算，結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明方案2淺坑型的活塞頂面形狀的缸內(nèi)流動更優(yōu)，相對略微凸頂?shù)幕钊艽龠M(jìn)上止點(diǎn)附近滾流的保持和破碎。

圖7 2.0 T GDI缸蓋燃燒室布置

圖8 活塞頂面形狀設(shè)計

圖9 缸內(nèi)流動滾流比計算

2.3 2.0 T GDI噴霧設(shè)計

基于上述設(shè)計的缸蓋燃燒室和活塞頂面，匹配設(shè)計噴霧，考慮貫穿距、流量、噴霧宏觀錐角和噴霧靶點(diǎn)，共設(shè)計了兩種噴霧方案，油束如圖10所示。圖11所示為方案一的定容彈測試結(jié)果。

圖10 三角形和橢圓形噴霧油束布置

圖11 方案1噴霧靶點(diǎn)定容彈測試

考慮到35 MPa（350 bar）系統(tǒng)優(yōu)越的噴射、燃油霧化性能，選取三角形噴霧油束布置方式為主方案，該布置方式緊湊，油束在噴射過程中相對不容易撞擊缸壁，從而減少了機(jī)油稀釋和HC排放生成；橢圓形為備用方案。

2.4 2.0T GDI燃燒系統(tǒng)光學(xué)單缸機(jī)試驗

以上述設(shè)計的燃燒系統(tǒng)搭建2.0T GDI光學(xué)單缸機(jī)測試臺架，進(jìn)行光學(xué)單缸機(jī)試驗。催化器起燃工況試驗結(jié)果如圖12所示。

圖12 起燃工況光學(xué)單缸機(jī)試驗結(jié)果

從圖中的光學(xué)單缸機(jī)試驗結(jié)果可以看出，燃燒系統(tǒng)在起燃工況引導(dǎo)了良好的空間霧化，噴霧與活塞頂面及缸壁沒有任何接觸，從而從設(shè)計上避免了催化器起燃工況時由于濕壁導(dǎo)致的碳煙和HC排放生成，同時降低了機(jī)油稀釋的風(fēng)險。而火焰?zhèn)鞑サ倪^程表明，著火時刻火核大小發(fā)展較好，產(chǎn)生了預(yù)混燃燒的淡藍(lán)色火焰。

圖13所示為1 500 r/min@WOT的缸內(nèi)噴霧發(fā)展過程，表明燃燒室引導(dǎo)的氣道所產(chǎn)生的滾流對噴霧油束有強(qiáng)烈的彎卷作用，有效減少了油束與缸壁的碰撞，強(qiáng)烈的滾流也大大促進(jìn)了混合氣的形成和快速完成燃燒。

圖13 1 500 r/min@WOT缸內(nèi)噴霧過程

2.5 2.0T GDI多缸機(jī)熱力學(xué)開發(fā)試驗驗證

該2.0T GDI燃燒系統(tǒng)多缸機(jī)試驗驗證的結(jié)果如表1所示，所輸出的性能指標(biāo)表明：（1）氣道積分流量系數(shù)大于0.3的設(shè)計保證了發(fā)動機(jī)額定功率運(yùn)行時的進(jìn)氣量，進(jìn)而達(dá)成了功率輸出目標(biāo)；（2）緊湊、快速、高滾流比的氣道及燃燒室設(shè)計，有效抑制了低速爆震問題，增大了低速扭矩的輸出，達(dá)到380 N·m@1 700 r/min，低速性能優(yōu)秀；（3）在催化器起燃工況點(diǎn)，燃燒可視化過程（圖12）顯示的無碰壁油束設(shè)計，避免了燃油壁面淬熄，大大降低了HC排放，此外也減少了壁面不完全燃燒區(qū)域，顆粒物排放下降；（4）通過進(jìn)氣供給、燃油噴射、缸內(nèi)油氣混合形成、火核發(fā)展、火焰?zhèn)鞑サ纫幌盗羞^程的優(yōu)化設(shè)計和組織，達(dá)到了較為優(yōu)越的油耗目標(biāo)。

表1 多缸機(jī)熱力學(xué)開發(fā)試驗驗證結(jié)果

綜上可以得出結(jié)論，此款2.0T GDI燃燒系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到了預(yù)期的性能目標(biāo)。

3 結(jié)束語

（1）通過系統(tǒng)化的設(shè)計，開發(fā)出了高性能進(jìn)氣道，實(shí)現(xiàn)了噴霧、進(jìn)氣和燃燒室的優(yōu)化匹配，達(dá)到了快速、低排放燃燒的目標(biāo)。

（2）基于可視化燃燒系統(tǒng)開發(fā)平臺，開發(fā)出的燃燒系統(tǒng)搭載2.0T GDI發(fā)動機(jī)，實(shí)現(xiàn)了升功率86 kW/L、最大扭矩380 N·m、排放較低的性能指標(biāo)。