一款1.5L缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的燃燒系統(tǒng)設(shè)計

孫凡嘉 張雙 陳泓 李鈺懷 林思聰 占文鋒

摘 要：基于進(jìn)氣道三維流場測試裝置、定容彈噴霧試驗臺和光學(xué)單缸機(jī)測試系統(tǒng)組成的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)可視化開發(fā)平臺，開發(fā)設(shè)計了滿足設(shè)計要求的高性能進(jìn)氣道，并匹配了缸蓋燃燒室和活塞，有助于缸內(nèi)混合氣的形成，提高燃燒速率;綜合考慮排放與機(jī)油稀釋量的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計了噴霧靶點。對所設(shè)計的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了光學(xué)單缸機(jī)試驗和熱力學(xué)多缸機(jī)試驗驗證。結(jié)果表明，進(jìn)氣道和燃燒室組織引導(dǎo)的氣流在缸內(nèi)形成高滾流，對噴霧油束有強(qiáng)烈的彎卷作用，極大促進(jìn)了均質(zhì)混合氣的形成，并減小噴霧碰壁的風(fēng)險;噴霧靶點的合理設(shè)計有效避免噴霧油束與壁面的碰撞，減少了機(jī)油稀釋率和起燃工況HC排放;所設(shè)計的燃燒系統(tǒng)搭載1.5TGDI發(fā)動機(jī)實現(xiàn)了80kW/L、最大扭矩250N·m、排放較低的性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：缸內(nèi)直噴汽油機(jī);進(jìn)氣道;燃燒室;燃燒系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：U464.171??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）04-95-04

Combustion System Design of a 1.5L In-cylinder Direct Injection Gasoline Engine

Sun Fanjia， Zhang Shuang， Chen Hong， Li Yuhuai， Lin Sicong， Zhan Wenfeng

（ Guangzhou Automobile Group Co.， Ltd.， Automotive Engineering Research Institute， Guangdong Guangzhou 511400 ）

Abstract：?Based on a visualization platform designed for the development of combustion system of direct injection gasoline engines which including 3D-PIV technique， constant volume chamber and a transparent single cylinder engine， designed a high performance intake port， combustion chamber and piston， which can improve combustion speed by improving the formation of mixture. The spray target was optimized， considering the emission and oil dilution. Transparent single cylinder engine test and thermodynamic multi-cylinder engine test have been carried out to verify the combustion system design. The present study demonstrated that the high tumble induced by the intake port and combustion chamber can curve the spray， improve the formation of the homogeneous mixture and avoid the impingement of spray. Reasonable design of spray target can reduce oil dilution and emission of HC. The 1.5L gasoline direct injection engine achieved top level specific power and thermal efficiency in its class.

Keywords： Direct injection gasoline engine; Intake port; Combustion chamber; Combustion system design

CLC NO.： U464.171??Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）04-95-04

前言

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)相比于氣道噴射汽油機(jī)，能夠直接把燃油噴射到氣缸內(nèi)，可以精確的控制噴油時間和噴油量，能夠提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性，還可以在較為寬廣的曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，實現(xiàn)分層稀薄燃燒，成為國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)研發(fā)領(lǐng)域關(guān)注的焦點^[1，2]。燃燒系統(tǒng)的合理設(shè)計直接影響著發(fā)動機(jī)的性能。噴霧靶點的優(yōu)化設(shè)計，可以減小發(fā)動機(jī)排放，降低機(jī)油稀釋的風(fēng)險;進(jìn)氣道和燃燒室的合理設(shè)計，可以加強(qiáng)缸內(nèi)油氣混合，提高燃燒速率。因此，如何設(shè)計適宜的噴霧靶點并與燃燒室、進(jìn)氣道及活塞頂形狀的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^[3-4]。

隨著研究手段的進(jìn)一步完善，研究者采用可視化方法及使用光學(xué)設(shè)備，開展了一系列燃燒系統(tǒng)控制參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能影響的研究^[5-7]。研究發(fā)現(xiàn)，通過對噴霧靶點的優(yōu)化，有助于減小油束濕壁的風(fēng)險，降低未燃HC及顆粒物的排放^[8]。燃燒速率與缸內(nèi)滾流強(qiáng)度有很大的關(guān)系，進(jìn)氣時的滾流強(qiáng)度取決于氣道與燃燒室的合理匹配，壓縮行程的滾流強(qiáng)度取決于氣流運動與活塞頂形狀的配合^[9-10]，因此，燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計有助于提高燃燒速率，對發(fā)動機(jī)高效清潔燃燒具有至關(guān)重要的作用。

本文基于可視化的燃燒系統(tǒng)開發(fā)平臺及激光診斷工具的運用，針對一款1.5TGDI發(fā)動機(jī)的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行開發(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;為了保證缸內(nèi)氣流的合理運功及滾流強(qiáng)度的維持，匹配了缸蓋燃燒室和活塞。在考慮滿足排放目標(biāo)的前提下，綜合兼顧機(jī)油稀釋及油氣混合均勻程度，設(shè)計了合理的噴霧靶點。開發(fā)設(shè)計的燃燒系統(tǒng)最終在光學(xué)單缸機(jī)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。

1 GDI燃燒系統(tǒng)開發(fā)概述

1.1 燃燒系統(tǒng)開發(fā)概述

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、點火裝置組成（圖1）。進(jìn)氣道對氣流進(jìn)行引導(dǎo)并產(chǎn)生滾流，缸內(nèi)流場分布決定了燃燒速率;缸蓋燃燒室和活塞頂面對氣流的綜合作用決定了點火時間窗口油氣混合的狀況和分布特性;噴油器靶點的分布影響缸內(nèi)油氣混合，并對發(fā)動機(jī)排放有重要影響;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

3D-PIV氣道試驗臺包括雙腔激光器、片光成型器、CCD相機(jī)、穩(wěn)壓腔等。該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。

1.2.2 定容彈噴霧試驗臺

定容彈噴霧試驗臺包括定容彈、NdYAG激光器、CCD相機(jī)、時序控制單元、燃油噴射系統(tǒng)等。該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。噴霧試驗臺見圖3所示。

1.2.3 光學(xué)單缸機(jī)試驗臺

光學(xué)單缸機(jī)試驗臺包括光學(xué)單缸發(fā)動機(jī)、測功機(jī)、時序控制單元、高壓供油系統(tǒng)等。該試驗臺可以對缸內(nèi)噴霧形態(tài)、油氣混合狀態(tài)和火焰發(fā)展過程進(jìn)行觀測，進(jìn)而綜合評估燃燒系統(tǒng)。單缸機(jī)試驗臺如圖4所示。

2 1.5TGDI燃燒系統(tǒng)開發(fā)概述

2.1 高性能進(jìn)氣道開發(fā)

為了獲得較高的火焰?zhèn)鞑ニ俾剩⒋龠M(jìn)油氣混合，進(jìn)氣道需要保證較高的流量系數(shù)并組織較強(qiáng)的滾流，1.5TGDI燃燒系統(tǒng)的進(jìn)氣道經(jīng)過幾輪設(shè)計優(yōu)化，最終得到如圖5所示的進(jìn)氣道，同時滿足流量系數(shù)和滾流比的設(shè)計要求。氣道試驗臺對進(jìn)氣道進(jìn)行測試的結(jié)果如圖6所示。

對圖6的試驗結(jié)果進(jìn)行后處理，可以計算出1.5TGDI進(jìn)氣道的積分滾流比達(dá)到2.3以上，滿足發(fā)動機(jī)上應(yīng)用低壓廢氣再循環(huán)EGR技術(shù)的要求;且積分流量系數(shù)大于0.30，認(rèn)為滿足性能設(shè)計目標(biāo)。

2.2 缸蓋燃燒室和活塞頂面設(shè)計

缸蓋燃燒室一方面需要匹配滾流設(shè)計，另一方面需要和活塞配合滿足目標(biāo)壓縮比，如圖7所示，1.5TGDI燃燒系統(tǒng)進(jìn)排氣門布置與豎直方向成較大夾角。如圖8所示，活塞頂部設(shè)計為大面積凹坑，有利于維持滾流，促進(jìn)缸內(nèi)油氣混合。

2.3 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，共設(shè)計了三種噴霧方案，如圖9所示。三種方案均使用五孔噴油器，噴霧落點不同。圖10為方案二的定容彈測試結(jié)果，在定容彈實驗臺上可以測量噴霧的宏觀形態(tài)及噴霧落點。

圖11是在單缸機(jī)上進(jìn)行測試后，玻璃缸套的情況，從圖中可以看出，方案一噴油器試驗后缸內(nèi)內(nèi)壁積碳嚴(yán)重，方案二有輕微積碳，方案三噴油器試驗后缸套內(nèi)壁無明顯局部積碳。由于方案三噴油器油束布置方式緊湊，可以減小機(jī)油稀釋的風(fēng)險和未燃碳?xì)涞纳桑x為主方案，方案二選為備用方案。

2.4 1.5TGDI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1.5TGDI光學(xué)單缸機(jī)測試臺架，進(jìn)行光學(xué)單缸機(jī)試驗。測試了起燃工況和2000r/min@2bar缸內(nèi)噴霧特性和燃燒特性，試驗結(jié)果如圖12和13所示。

從圖12的光學(xué)單缸機(jī)試驗結(jié)果可以看出，燃燒系統(tǒng)匹配合適的噴油壓力和噴油時刻，可以實現(xiàn)噴霧與活塞頂面及缸壁沒有接觸，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。從火花塞點火到火焰?zhèn)鞑サ倪^程表明，著火時刻火核大小發(fā)展較好，沒有產(chǎn)生明亮的擴(kuò)散燃燒火焰，均呈現(xiàn)為預(yù)混燃燒，說明高滾流進(jìn)氣道的設(shè)計和合理的噴霧落點設(shè)計，可以實現(xiàn)良好的缸內(nèi)油氣混合。

圖13為2000r/min@2bar的缸內(nèi)噴霧發(fā)展過程，表明此燃燒系統(tǒng)的氣道可以產(chǎn)生較強(qiáng)的滾流，對噴霧的霧束有強(qiáng)烈的彎卷作用，有效減少了油束與缸壁的碰撞，強(qiáng)烈的滾流也可以促進(jìn)缸內(nèi)油氣混合，加快火焰?zhèn)鞑ニ俾剩⑶遗浜虾侠淼膰娪蜁r刻，可以減小噴霧與活塞碰撞。

2.5 1.5TGDI多缸機(jī)熱力學(xué)開發(fā)試驗驗證

該1.5TGDI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)均達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

3 結(jié)論

（1）通過系統(tǒng)化的設(shè)計，開發(fā)出了高性能進(jìn)氣道，優(yōu)化設(shè)計了燃燒室和活塞頂形狀，匹配了合理的噴霧靶點，實現(xiàn)了快速燃燒和低排放的目標(biāo)。

（2）基于可視化燃燒系統(tǒng)開發(fā)平臺，實現(xiàn)了噴油器預(yù)選型，開發(fā)出的燃燒系統(tǒng)搭載1.5TGDI發(fā)動機(jī)，實現(xiàn)了升功率80kw/L、最大扭矩250N·m、排放較低的性能指標(biāo)。

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