一款1.5L缸內直噴汽油機的燃燒系統設計

孫凡嘉 張雙 陳泓 李鈺懷 林思聰 占文鋒

摘 要：基于進氣道三維流場測試裝置、定容彈噴霧試驗臺和光學單缸機測試系統組成的缸內直噴汽油機燃燒系統可視化開發平臺，開發設計了滿足設計要求的高性能進氣道，并匹配了缸蓋燃燒室和活塞，有助于缸內混合氣的形成，提高燃燒速率;綜合考慮排放與機油稀釋量的基礎上，優化設計了噴霧靶點。對所設計的燃燒系統進行了光學單缸機試驗和熱力學多缸機試驗驗證。結果表明，進氣道和燃燒室組織引導的氣流在缸內形成高滾流，對噴霧油束有強烈的彎卷作用，極大促進了均質混合氣的形成，并減小噴霧碰壁的風險;噴霧靶點的合理設計有效避免噴霧油束與壁面的碰撞，減少了機油稀釋率和起燃工況HC排放;所設計的燃燒系統搭載1.5TGDI發動機實現了80kW/L、最大扭矩250N·m、排放較低的性能指標。

關鍵詞：缸內直噴汽油機;進氣道;燃燒室;燃燒系統設計

中圖分類號：U464.171??文獻標識碼：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

缸內直噴汽油機相比于氣道噴射汽油機，能夠直接把燃油噴射到氣缸內，可以精確的控制噴油時間和噴油量，能夠提高燃油經濟性和排放特性，還可以在較為寬廣的曲軸轉角范圍內，實現分層稀薄燃燒，成為國內外研究機構研發領域關注的焦點^[1，2]。燃燒系統的合理設計直接影響著發動機的性能。噴霧靶點的優化設計，可以減小發動機排放，降低機油稀釋的風險;進氣道和燃燒室的合理設計，可以加強缸內油氣混合，提高燃燒速率。因此，如何設計適宜的噴霧靶點并與燃燒室、進氣道及活塞頂形狀的合理匹配成為直噴式汽油機燃燒系統開發過程中的關鍵^[3-4]。

隨著研究手段的進一步完善，研究者采用可視化方法及使用光學設備，開展了一系列燃燒系統控制參數對發動機性能影響的研究^[5-7]。研究發現，通過對噴霧靶點的優化，有助于減小油束濕壁的風險，降低未燃HC及顆粒物的排放^[8]。燃燒速率與缸內滾流強度有很大的關系，進氣時的滾流強度取決于氣道與燃燒室的合理匹配，壓縮行程的滾流強度取決于氣流運動與活塞頂形狀的配合^[9-10]，因此，燃燒系統的優化設計有助于提高燃燒速率，對發動機高效清潔燃燒具有至關重要的作用。

本文基于可視化的燃燒系統開發平臺及激光診斷工具的運用，針對一款1.5TGDI發動機的燃燒系統進行開發設計。以進氣道滾流比和流量系數為控制目標，設計出了高性能進氣道;為了保證缸內氣流的合理運功及滾流強度的維持，匹配了缸蓋燃燒室和活塞。在考慮滿足排放目標的前提下，綜合兼顧機油稀釋及油氣混合均勻程度，設計了合理的噴霧靶點。開發設計的燃燒系統最終在光學單缸機和熱力學多缸機上進行了試驗驗證，獲得了預期的性能指標輸出。

1 GDI燃燒系統開發概述

1.1 燃燒系統開發概述

汽油機的燃燒系統主要由進排氣道、缸蓋燃燒室、活塞以及噴油、點火裝置組成（圖1）。進氣道對氣流進行引導并產生滾流，缸內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油氣混合，并對發動機排放有重要影響;而排氣道的流通特性決定著燃燒室內的殘余廢氣量。同時，組成燃燒系統的各個結構又相互作用，共同決定油氣燃燒的最終效能。因此開發高效燃燒系統是開發高效率汽油機的核心。

1.2 燃燒系統可視化開發平臺

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、穩壓腔等。該試驗臺采用非介入式三維流場測試技術可以精確測量缸內流場，從而計算氣道的滾流比和流量系數，保證高性能進氣道的設計。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、時序控制單元、燃油噴射系統等。該試驗臺可以測試噴油器的宏觀噴霧形態、貫穿距、噴霧靶點和靜態流量等，為噴霧設計的幾何匹配提供數據支撐。噴霧試驗臺見圖3所示。

1.2.3 光學單缸機試驗臺

光學單缸機試驗臺包括光學單缸發動機、測功機、時序控制單元、高壓供油系統等。該試驗臺可以對缸內噴霧形態、油氣混合狀態和火焰發展過程進行觀測，進而綜合評估燃燒系統。單缸機試驗臺如圖4所示。

2 1.5TGDI燃燒系統開發概述

2.1 高性能進氣道開發

為了獲得較高的火焰傳播速率，并促進油氣混合，進氣道需要保證較高的流量系數并組織較強的滾流，1.5TGDI燃燒系統的進氣道經過幾輪設計優化，最終得到如圖5所示的進氣道，同時滿足流量系數和滾流比的設計要求。氣道試驗臺對進氣道進行測試的結果如圖6所示。

對圖6的試驗結果進行后處理，可以計算出1.5TGDI進氣道的積分滾流比達到2.3以上，滿足發動機上應用低壓廢氣再循環EGR技術的要求;且積分流量系數大于0.30，認為滿足性能設計目標。

2.2 缸蓋燃燒室和活塞頂面設計

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

2.3 噴霧設計

基于上述設計的缸蓋燃燒室和活塞頂面，匹配設計噴霧，考慮貫穿距、流量、噴霧宏觀錐角和噴霧靶點，共設計了三種噴霧方案，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果，在定容彈實驗臺上可以測量噴霧的宏觀形態及噴霧落點。

圖11是在單缸機上進行測試后，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內壁積碳嚴重，方案二有輕微積碳，方案三噴油器試驗后缸套內壁無明顯局部積碳。由于方案三噴油器油束布置方式緊湊，可以減小機油稀釋的風險和未燃碳氫的生成，選為主方案，方案二選為備用方案。

2.4 1.5TGDI燃燒系統光學單缸機試驗

以上述設計的燃燒系統搭建1.5TGDI光學單缸機測試臺架，進行光學單缸機試驗。測試了起燃工況和2000r/min@2bar缸內噴霧特性和燃燒特性，試驗結果如圖12和13所示。

從圖12的光學單缸機試驗結果可以看出，燃燒系統匹配合適的噴油壓力和噴油時刻，可以實現噴霧與活塞頂面及缸壁沒有接觸，從而從設計上避免了催化器起燃工況時由于濕壁導致的碳煙和HC排放生成，同時降低了機油稀釋的風險。從火花塞點火到火焰傳播的過程表明，著火時刻火核大小發展較好，沒有產生明亮的擴散燃燒火焰，均呈現為預混燃燒，說明高滾流進氣道的設計和合理的噴霧落點設計，可以實現良好的缸內油氣混合。

圖13為2000r/min@2bar的缸內噴霧發展過程，表明此燃燒系統的氣道可以產生較強的滾流，對噴霧的霧束有強烈的彎卷作用，有效減少了油束與缸壁的碰撞，強烈的滾流也可以促進缸內油氣混合，加快火焰傳播速率，并且配合合理的噴油時刻，可以減小噴霧與活塞碰撞。

2.5 1.5TGDI多缸機熱力學開發試驗驗證

該1.5TGDI燃燒系統多缸機試驗驗證的結果如表1所示。所輸出的性能指標均達到了預期的目標。

3 結論

（1）通過系統化的設計，開發出了高性能進氣道，優化設計了燃燒室和活塞頂形狀，匹配了合理的噴霧靶點，實現了快速燃燒和低排放的目標。

（2）基于可視化燃燒系統開發平臺，實現了噴油器預選型，開發出的燃燒系統搭載1.5TGDI發動機，實現了升功率80kw/L、最大扭矩250N·m、排放較低的性能指標。

參考文獻

[1]?S. Krishna Addepalli， Mallikarjuna J.M.，?Parametric analysis of a 4-stroke GDI engine using CFD， 2016， 57： 23-34.

[2]?Yejian Qian， ZhenGong， Xiaowei Shao， Changfa Tao， Yuan Zhuang， Numerical study of the effect of combustion chamber structure on scavenging process in a boosted GDI engine， Energy， 2019，168： 9-29.

[3]?Yangyang Li，?Xiongbo Duan，?Yiqun Liu，?JingpingLiu，?Genmiao Guo，?YonghaoTang，?Experimental investigation the impacts of injection strategies coupled with gasoline/ethanol blend on combustion， performance and emissions characteristics of a GDI spark-ignition engine， Fuel， 2019， 256： Article 115910.

[4]?S.Krishna Addepalli， MallikarjunaJ.M.，Parametric analysis of a 4-?stroke GDI engine using CFD， Alexandria Engineering Journal， 2018， 57（1） ; 23-34.

[5]?Mohammadreza Anbari Attar，?Hua Zhao，?Mohammad Reza Herfat?-manesh，?Alasdair Cairns， Turbulent flame boundary and structure detection in an optical DISI engine using tracer-based two-line PLIF technique， 2015， 68： 545-558.

[6]?S.Breda，?F.D'Orrico，?F.Berni，?A.d'Adamo，?S.Fontanesi，?A.Irimescu，?S.S.Merola，?Experimental and numerical study on the adoption of split injection strategies to improve air-butanol mixture formation in a DISI optical engine， Fuel， 2019， 243： 104-124.

[7]?Adrian Irimescu， Simona Silvia Merola， Silvana Di Iorio， Bianca Maria Vaglieco， Investigation on the effects of butanol and ethanol fueling on combustion and PM emissions in an optically accessible DISI engine， Fuel， 2018， 216： 121-141.

[8]?張宗瀾，陳泓，杜家坤，冶麟，潘中明，噴霧油.束靶點對直噴汽油機燃燒及排放的影響，中國汽車工程年會， 2018：670-676.

[9]?Nakata，K. and Shimizu，R.，”Toyotas New Combustion Technology for High Engine Thermal Efficiency and High Engine Output Perfor?-mance”，37th International Vienna Moter Symposium 2016， Austia， 2016.

[10]?Kazunori Yamaji， Makoto Tomimatsu， Isao Takagi， akihiko Higuchi， Takashi Yoshida，Eiji Murase.New 2.0L I4 Gasoline Direct Injec?-tion Engine with Toyeta New Global Architecture Concept. SAE Paper， 2018-01-0370，2018.

[11]?Merola S S， Irimescu A， Tornatore C， et al. UV-visible digital ima?-ging of split injection in a Gasoline Direct Injection engine. Ther?-mal Science， 2015， 19（6）： 1873-1886.