一款2.0 L缸內直噴汽油機的燃燒系統設計

朱宏飛，鄭險峰，陳 泓，杜家坤，冶 麟，張 雙

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511400）

0 引言

直噴式汽油機與氣道噴射式汽油機相比，由于能夠在較為寬廣的曲軸轉角范圍內將燃料直接噴入缸內，可有效降低缸內溫度，抑制大負荷工況下爆震傾向，提升熱效率，同時也在實現分層稀薄燃燒模式控制方面表現出巨大潛力，成為國內外研究機構研發領域關注的焦點[1-2]。由于汽油具有較好的揮發性，即使通過與柴油機相似的直噴方式引入缸內，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，缸內混合氣仍存在不均勻的情況。因此，如何設計適宜的缸內噴霧靶點并與燃燒室及缸內氣流運動合理匹配成為直噴式汽油機燃燒系統開發過程中的關鍵[4-5]。

隨著研究的深入及研究手段的進一步完善，研究者采用可視化發動機，并借助多種非介入式光學研究手段，開展了一系列燃燒系統控制參數對發動機性能的影響研究[6-8]。研究發現，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進行優化設計，有助于提升燃燒穩定性，降低HC等未完全燃燒產物排放[9]。同時，通過燃油系統與燃燒室、進氣流動特性等進行合理匹配可有效改善缸內混合氣形成特性，設計出優化的燃燒系統，在保證發動機高效清潔燃燒方面表現出一定潛力[10-11]。

本文基于可視化的燃燒系統開發平臺，針對一款2.0 T GDI發動機的燃燒系統進行了開發設計。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匹配缸蓋燃燒室及活塞，確保合理的缸內進氣流動；在綜合考慮排放的條件下，兼顧機油稀釋率及油氣混合均勻程度，開發出了高效、低排放的燃燒系統，并最終在光學單缸機上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。

圖1 汽油機燃燒系統組成

1 GDI燃燒系統

1.1 結構組成

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，如圖1所示。進氣道對氣流的引導并合理產生滾流比，決定著燃燒系統燃燒速率的潛力；缸蓋燃燒室和活塞頂面對氣流的綜合作用決定了點火時間窗口油氣混合的狀況和分布特性；活塞頂面結構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

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。

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、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。噴霧試驗臺如圖3所示。

圖3 噴霧定容彈試驗臺

圖4 光學單缸機試驗臺

1.2.3 光學單缸機試驗臺

如圖4所示，在光學單缸機試驗臺架上，可以實現對缸內流動、缸內噴霧、油氣混合和著火過程及火焰傳播的全方位觀測，綜合評估燃燒系統。

2 2.0TGDI燃燒系統

2.1 高性能進氣道開發

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

圖5 2.0 T GDI氣道設計

圖6 方案3試驗結果

從圖6的試驗結果可以看出，所選定的氣道型線引導氣流高速運動，在燃燒室內形成了有規律的合理流動，為滾流強度的保持提供了良好的基礎，有力保證了點火時刻滾流比破碎產生較強的湍流強度，最終實現了火焰快速傳播的目標。評估表明2.0T GDI進氣道的積分滾流比達到了2.3以上，積分流量系數大于0.30，滿足發動機性能設計的流動要求。

2.2 缸蓋燃燒室和活塞頂面設計

缸蓋燃燒室采用匹配高滾流氣道設計的氣門夾角，約為35°，為汽油發動機滾流型燃燒室的典型設計，如圖7所示；構成燃燒系統的活塞設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運動過程中的保持和最終轉化，因此進行了5 250 r/min@WOT工況點的缸內流動計算，結果如圖9所示。結果表明方案2淺坑型的活塞頂面形狀的缸內流動更優，相對略微凸頂的活塞更能促進上止點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 活塞頂面形狀設計

圖9 缸內流動滾流比計算

2.3 2.0 T GDI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噴霧靶點定容彈測試

考慮到35 MPa（350 bar）系統優越的噴射、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燃燒系統光學單缸機試驗

以上述設計的燃燒系統搭建2.0T GDI光學單缸機測試臺架，進行光學單缸機試驗。催化器起燃工況試驗結果如圖12所示。

圖12 起燃工況光學單缸機試驗結果

從圖中的光學單缸機試驗結果可以看出，燃燒系統在起燃工況引導了良好的空間霧化，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。而火焰傳播的過程表明，著火時刻火核大小發展較好，產生了預混燃燒的淡藍色火焰。

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

圖13 1 500 r/min@WOT缸內噴霧過程

2.5 2.0T GDI多缸機熱力學開發試驗驗證

該2.0T GDI燃燒系統多缸機試驗驗證的結果如表1所示，所輸出的性能指標表明：（1）氣道積分流量系數大于0.3的設計保證了發動機額定功率運行時的進氣量，進而達成了功率輸出目標；（2）緊湊、快速、高滾流比的氣道及燃燒室設計，有效抑制了低速爆震問題，增大了低速扭矩的輸出，達到380 N·m@1 700 r/min，低速性能優秀；（3）在催化器起燃工況點，燃燒可視化過程（圖12）顯示的無碰壁油束設計，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域，顆粒物排放下降；（4）通過進氣供給、燃油噴射、缸內油氣混合形成、火核發展、火焰傳播等一系列過程的優化設計和組織，達到了較為優越的油耗目標。

表1 多缸機熱力學開發試驗驗證結果

綜上可以得出結論，此款2.0T GDI燃燒系統設計達到了預期的性能目標。

3 結束語

（1）通過系統化的設計，開發出了高性能進氣道，實現了噴霧、進氣和燃燒室的優化匹配，達到了快速、低排放燃燒的目標。

（2）基于可視化燃燒系統開發平臺，開發出的燃燒系統搭載2.0T GDI發動機，實現了升功率86 kW/L、最大扭矩380 N·m、排放較低的性能指標。