先進(jìn)燃燒系統(tǒng)的技術(shù)研究
——V6渦輪增壓直噴汽油機(jī)的燃燒技術(shù)

1 概述

近年來，針對(duì)汽油機(jī)面向低燃油耗的市場(chǎng)需求有所增強(qiáng)，同時(shí)關(guān)于動(dòng)力性能的競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈。為了兼顧汽油機(jī)的低燃油耗與動(dòng)力性能，各汽車生產(chǎn)商正在致力于通過缸內(nèi)直接噴射汽油方式(DIG)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化。此外，為改善空氣質(zhì)量，各國(guó)的排放法規(guī)將進(jìn)一步收緊，滿足排放要求的燃燒技術(shù)開發(fā)越來越重要。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)燃油直噴、渦輪增壓、廢氣再循環(huán)(EGR)等技術(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)隨之優(yōu)化，燃燒技術(shù)的開發(fā)變得更為復(fù)雜。憑借技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，廢氣再循環(huán)在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的運(yùn)算基礎(chǔ)上，反復(fù)開展樣機(jī)試制、評(píng)價(jià)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)性能目標(biāo)的燃燒系統(tǒng)的開發(fā)難度在逐步增加。

為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)燃燒技術(shù)的開發(fā)，根據(jù)性能要求及對(duì)相關(guān)燃燒現(xiàn)象建模的方法，采用了基于系統(tǒng)工程的有效解決復(fù)雜系統(tǒng)的方法。本文介紹這種新型燃燒技術(shù)的相關(guān)研究方法，以及采用新方法開發(fā)V6渦輪增壓直噴汽油機(jī)的實(shí)例。

2 最新的燃燒技術(shù)研究

2.1 傳統(tǒng)燃燒技術(shù)開發(fā)與課題

傳統(tǒng)燃燒技術(shù)的開發(fā)在一定程度上要依賴于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，如以“活塞頂部凹坑的半徑”等參數(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)格，以及“燃油消耗率”與發(fā)動(dòng)機(jī)性能的間接關(guān)系為基礎(chǔ)，進(jìn)行燃燒室設(shè)計(jì)。但是，每一代汽油機(jī)的燃燒系統(tǒng)要符合先進(jìn)的目標(biāo)值要求，需進(jìn)行設(shè)計(jì)的參數(shù)數(shù)量繁多。由于各參數(shù)水平的組合呈指數(shù)增加，所以，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中引進(jìn)實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的燃燒系統(tǒng)實(shí)際上是較為困難的(圖1)。

圖1 燃燒設(shè)計(jì)研究變量數(shù)的變遷

通過對(duì)相關(guān)物理現(xiàn)象的理解，定性地改善燃燒系統(tǒng)的研究中使用CFD分析。雖然嘗試削減樣機(jī)試制數(shù)量及提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的方法，但根據(jù)CFD分析，尚未進(jìn)行樣機(jī)試制時(shí)，能夠設(shè)計(jì)的性能則是有限的。例如，對(duì)于削減柴油機(jī)排放顆粒物(PM)和顆粒數(shù)(PN)的要求并不嚴(yán)苛[1]，其結(jié)果需要在燃燒技術(shù)的研究中反復(fù)進(jìn)行樣機(jī)的設(shè)計(jì)、試制與評(píng)價(jià)等工作，并逐次逼近目標(biāo)，研究開發(fā)所占的時(shí)間并不該因此而得以削減。

2.2 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能目標(biāo)設(shè)置高效燃燒系統(tǒng)的目標(biāo)

瞄準(zhǔn)解決上述課題的目標(biāo)，采用系統(tǒng)工程的思路，根據(jù)扭矩、燃油消耗率等發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)要求，高效燃燒系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的性能指標(biāo)。例如，燃燒系統(tǒng)起到的較大的作用為提升指示熱效率，同時(shí)可改善抗爆燃性，并對(duì)燃燒系統(tǒng)的要求分解為氣缸內(nèi)流動(dòng)強(qiáng)度、混合氣均勻度及燃燒室壁面黏附燃油量等過渡性參數(shù)。圖2示出了開發(fā)目標(biāo)。

圖2 基于系統(tǒng)工程，對(duì)燃燒系統(tǒng)要求的流程

2.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)的整理與理論設(shè)計(jì)

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了各中間物理指標(biāo)的目標(biāo)值。同時(shí)，將這些指標(biāo)與CFD數(shù)據(jù)分析的輸出端聯(lián)系起來，使得試驗(yàn)及理論研究成為可能。通過相關(guān)工作，可在理論上求得滿足目標(biāo)要求時(shí)的協(xié)調(diào)關(guān)系。CFD編碼使用了通用流體分析軟件STAR-CD；湍流模型使用了標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型；燃油的液滴分裂模型使用了可處理液滴動(dòng)態(tài)變形的SSP模型[2]；對(duì)壁面碰撞時(shí)的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)則使用了Senda模型[3]。

3 面向V6渦輪增壓汽油機(jī)的應(yīng)用實(shí)例

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能目標(biāo)與燃燒概念

對(duì)V6渦輪增壓DIG汽油機(jī)的設(shè)計(jì)理念圍繞敏銳的響應(yīng)性、強(qiáng)勁的動(dòng)力性能，與環(huán)境良好的協(xié)調(diào)性能而展開。為實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)目標(biāo)，與傳統(tǒng)型的前置發(fā)動(dòng)機(jī)/后輪驅(qū)動(dòng)式(FR)汽車所配裝的V6 3.7 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，為實(shí)現(xiàn)更高的車輛動(dòng)力性能及低燃油耗，采用了3.0 L渦輪增壓DIG發(fā)動(dòng)機(jī)。表1列出了發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格。其燃油供給方式主要采用了DIG系統(tǒng)，為了兼顧利用米勒循環(huán)以改善燃油經(jīng)濟(jì)性及發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)性，可變配氣機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣側(cè)采用了電動(dòng)可變配氣機(jī)構(gòu)。由于采用了水冷中冷器、渦輪旋轉(zhuǎn)傳感器等技術(shù)，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)目標(biāo)：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 600 r/min提升到5 200 r/min，其最大扭矩為475 N·m，最大輸出功率在6 400 r/min轉(zhuǎn)速下可達(dá)298 kW。

從燃燒情況看，利用增強(qiáng)缸內(nèi)滾流及避免在活塞及氣缸套壁面產(chǎn)生黏附現(xiàn)象的噴霧，通過形成高均勻度的混合氣，以提高熱效率，以及在催化劑預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，通過點(diǎn)火定時(shí)延遲增強(qiáng)燃燒穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)低排放目標(biāo)，將以上內(nèi)容設(shè)定為燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理念(圖3)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

圖3 采用的DIG燃燒系統(tǒng)基本概念

3.2 進(jìn)氣道設(shè)計(jì)

進(jìn)氣道對(duì)于燃燒過程方面的重要影響在于可強(qiáng)化缸內(nèi)的氣體流動(dòng)，并且能實(shí)現(xiàn)以下要求：(1)提高低速高負(fù)荷工況下的混合氣均勻度，以及通過提高抗爆燃性而提高熱效率；(2)通過擴(kuò)展部分負(fù)荷區(qū)域的EGR界限以降低泵氣損失；(3)通過提高高速全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的燃燒速度、降低排氣溫度以提高增壓壓力，進(jìn)而提高輸出功率。

首先，提高抗爆燃性是改善燃燒速度的有效措施。為提高燃燒速度，對(duì)缸內(nèi)湍流速度產(chǎn)生較大的影響(增強(qiáng)缸內(nèi)湍流可提高燃燒速度，而快速燃燒又有利于擴(kuò)大EGR界限)。因此，在基于CFD分析的缸內(nèi)氣體流動(dòng)的設(shè)計(jì)過程中，作為過渡性參數(shù)，使用了壓縮上止點(diǎn)中缸內(nèi)的平均湍流速度，并設(shè)定了缸內(nèi)湍流過程數(shù)值的目標(biāo)值。

接下來，設(shè)計(jì)部分負(fù)荷區(qū)域的米勒循環(huán)附加內(nèi)部EGR時(shí)的EGR強(qiáng)度。如果EGR強(qiáng)度較低，則一旦附加了EGR，燃燒穩(wěn)定性會(huì)有所降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，車輛運(yùn)行性能會(huì)因此惡化。為實(shí)現(xiàn)其燃燒穩(wěn)定性，目標(biāo)設(shè)置在與燃燒穩(wěn)定性密切相關(guān)的主燃燒持續(xù)期[4]。因而，即便按計(jì)劃增加內(nèi)部EGR率達(dá)25%也可實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的燃燒持續(xù)期，并針對(duì)缸內(nèi)湍流過程設(shè)定了目標(biāo)值。

為使缸內(nèi)湍流指標(biāo)達(dá)到目標(biāo)值，需強(qiáng)化進(jìn)氣道內(nèi)的滾流運(yùn)動(dòng)，但處于平衡狀態(tài)的流量系數(shù)通常會(huì)變小。同時(shí)為滿足高功率要求，也應(yīng)確保其流量系數(shù)。因此，在進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方面，應(yīng)兼顧滾流強(qiáng)化與確保流量系數(shù)的目標(biāo)，同時(shí)研究了進(jìn)氣道各部分的影響。基于CFD分析研究的結(jié)果得知，如果要求使新鮮空氣沿著屋脊形燃燒室直接流向排氣側(cè)，其一方面可以確保必要的滾流運(yùn)動(dòng)，另一方面則能改善流量系數(shù)。圖4(a)示出了進(jìn)氣道形狀，圖4(b)則表示流量系數(shù)與滾流比的關(guān)系，不僅可確保滾流，而且為實(shí)現(xiàn)高輸出功率而滿足流量系數(shù)目標(biāo)。

圖5表示預(yù)設(shè)的缸內(nèi)湍流過程數(shù)值，以及引進(jìn)了噴霧、活塞頂部設(shè)計(jì)技術(shù)后的缸內(nèi)湍流過程實(shí)際數(shù)值，以及采用多缸發(fā)動(dòng)機(jī)后對(duì)抗爆燃性的評(píng)價(jià)結(jié)果。由于滿足了缸內(nèi)湍流指標(biāo)的目標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)了抗爆燃性的目標(biāo)。圖6表示在多缸發(fā)動(dòng)機(jī)上評(píng)價(jià)低負(fù)荷區(qū)域的EGR強(qiáng)度的結(jié)果，確認(rèn)了由于具有相同的缸內(nèi)平均湍流過程數(shù)值，可設(shè)定內(nèi)部EGR率。

圖4 設(shè)計(jì)的進(jìn)氣道與實(shí)現(xiàn)了滾流比、流量系數(shù)協(xié)調(diào)關(guān)系的改善

圖5 爆燃裕度的目標(biāo)設(shè)定與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際值

圖6 由平均指示壓力(IMEP)變動(dòng)率目標(biāo)及EGR率目標(biāo)設(shè)定氣缸內(nèi)湍流指標(biāo)目標(biāo)以及發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際值

3.3 噴霧設(shè)計(jì)

DIG噴霧的主要功能是形成低速高負(fù)荷區(qū)域的均勻混合氣，以及抑制面向缸套壁面的燃油黏附現(xiàn)象，而缸套黏附燃油是發(fā)生機(jī)油稀釋及實(shí)現(xiàn)低速預(yù)燃燒的重要因素[5]，抑制活塞頂部的燃油黏附現(xiàn)象，而活塞頂部黏附燃油是PM的重要來源。圖7表示了概念不同的各種燃油噴射定時(shí)，研究了PN的差異的基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果。由圖7得知，噴霧前端向上偏移，在同樣的噴射定時(shí)中使PN值降低。因此可知，在PN比例較高的發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)前的狀態(tài)中，如果噴霧會(huì)導(dǎo)致活塞頂部黏附燃油，則PN值會(huì)隨之增大。如需降低PN，采用基本的噴霧設(shè)計(jì)便可實(shí)現(xiàn)，即采用使噴霧向上側(cè)偏移的設(shè)計(jì)理念。進(jìn)行噴霧設(shè)計(jì)時(shí)，CFD分析中將PN作為過渡參數(shù)，對(duì)活塞頂部燃油著壁量預(yù)設(shè)了目標(biāo)值。

圖7 為削減PN使噴霧前端向上側(cè)移動(dòng)的效果(試驗(yàn)結(jié)果)

另一方面，噴霧向上側(cè)偏移引起機(jī)油稀釋率增加。發(fā)動(dòng)機(jī)DIG目前有使燃油黏附缸套的趨勢(shì)，因此會(huì)使著壁的燃油與機(jī)油相混合。因此，機(jī)油的黏度降低會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)各部位造成損傷。為此研究了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷與機(jī)油稀釋率的關(guān)系，其基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果示于圖8。由圖8可知，如果扭矩變大，則其機(jī)油稀釋率也隨之增加。但是，這時(shí)如果進(jìn)行分次噴射，則機(jī)油稀釋率亦會(huì)隨之降低。這是由于燃油分次噴射致使噴霧的貫穿距降低，就可降低缸套壁面的燃油著壁量。如果設(shè)定分次噴射的次數(shù)為3次，則即使在高負(fù)荷工況下，也具備可實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的機(jī)油稀釋率的能力。設(shè)計(jì)噴霧時(shí)，將機(jī)油稀釋率作為CFD分析時(shí)的過渡參數(shù)，并對(duì)缸套燃油黏附量設(shè)定了目標(biāo)值。

此外，混合氣的不均勻性表示其局部的空燃比存在過高或過低的現(xiàn)象，由于未燃混合氣的生成，關(guān)系到燃油效率的惡化，不過從噴射定時(shí)到燃燒起始點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)，比PFI特續(xù)時(shí)間更短的燃油直噴，仍存在一定的弊端。CFD混合氣的均勻性通常使用混合氣均勻度(H.I.)進(jìn)行判斷

(1)

式中，φ表示氣缸內(nèi)平均當(dāng)量比，σφ表示該當(dāng)量比的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖9(a)表示滿足PN目標(biāo)及機(jī)油稀釋目標(biāo)所要求的噴霧形狀，圖9(b)則表示多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)上燃燒效率的評(píng)價(jià)結(jié)果，可知由于達(dá)到了混合氣均勻度的目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)與PFI相同的燃燒效率。圖9(c)表示多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)PN值的評(píng)價(jià)結(jié)果。由于采用了避免活塞頂部黏附燃油的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)先要求的PN值。此外，圖9(d)表示多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油稀率的評(píng)價(jià)結(jié)果。其所設(shè)計(jì)的噴霧形狀，由于采用了多級(jí)噴射，實(shí)現(xiàn)了噴射定時(shí)的最佳化，并且已實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)要求的機(jī)油稀釋率。

3.4 活塞頂部

活塞頂部的主要功能是，在催化劑預(yù)熱(暖機(jī))時(shí)，為確保燃燒穩(wěn)定性形成分層混合氣，同時(shí)對(duì)由于活塞頂部黏附燃油而產(chǎn)生的PM進(jìn)行抑制。為了在催化劑暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中確保燃燒滯后的燃燒穩(wěn)定性，保證初期燃燒過程的穩(wěn)定是較為重要的。因此，采用分次噴射，即在進(jìn)氣行程中進(jìn)行噴射并以此確保著火穩(wěn)定性。此時(shí)，因?yàn)樵诨钊敳康娜加宛じ搅康脑黾又苯佑绊懙絇M排放量，因此活塞頂部的設(shè)計(jì)理念需重點(diǎn)關(guān)注最低限度的噴射量，同時(shí)需確保初期的燃燒穩(wěn)定性。初期燃燒的穩(wěn)定性是由點(diǎn)火定時(shí)中點(diǎn)火火花塞間隙周邊的當(dāng)量比所支配的，據(jù)此對(duì)該當(dāng)量比設(shè)定了目標(biāo)值。

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的當(dāng)量比要求，需形成穩(wěn)定的分層混合氣，因此在活塞頂部設(shè)計(jì)了凹坑，如圖10所示。圖中噴霧形狀中間A型與C型用于研究目標(biāo)內(nèi)的噴霧形狀。但是，假設(shè)燃燒室壁面的高度有所提升，則缸內(nèi)的有效高度會(huì)有所變小，同時(shí)由于缸內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象的持續(xù)性惡化，缸內(nèi)湍流過程參數(shù)降低，會(huì)引發(fā)一系列問題。為了不斷提升輸出功率，高效率的影響處在最低限度，選擇了所需最小限度的活塞頂凹坑。

圖11示出了多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)的催化劑暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的燃燒穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，由于實(shí)現(xiàn)了火花塞周邊當(dāng)量比的目標(biāo)值，因此其燃燒穩(wěn)定性也達(dá)到了預(yù)設(shè)要求。

圖10 催化劑預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的凹抗形狀研究

圖11 設(shè)計(jì)的活塞頂部與達(dá)到值

4 結(jié)論

為了開發(fā)出滿足先進(jìn)性能要求的燃燒技術(shù)，采用了基于系統(tǒng)工程的方法，實(shí)際上已將關(guān)于燃燒技術(shù)的開發(fā)方法應(yīng)用到V6渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上，并得到了以下成果。

(1)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)要求，設(shè)定了過渡參量，同時(shí)通過運(yùn)用CFD分析，使其與各個(gè)燃燒要素建立關(guān)系，就可能在試驗(yàn)機(jī)上選定燃燒系統(tǒng)的最佳參數(shù)指標(biāo)。

(2)應(yīng)用了上文所述的V6渦輪增壓DIG發(fā)動(dòng)機(jī)，由于其采用了低位的臥式切向氣道，以及使噴霧向上偏移及多級(jí)噴射，還具備了改善活塞頂部形狀的燃燒室新技術(shù)，同時(shí)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求重新設(shè)定了燃燒系統(tǒng)，本燃燒系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了全部預(yù)設(shè)目標(biāo)。

為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)日趨復(fù)雜化及多樣化的需求，為了開發(fā)出與發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配的燃燒系統(tǒng)，需以本次使用的過渡參數(shù)的設(shè)定為基礎(chǔ)，同時(shí)基于系統(tǒng)工程的原理，進(jìn)一步推進(jìn)燃燒技術(shù)開發(fā)的創(chuàng)新。