吳廣權(quán) 陳 泓 李鈺懷 吳 堅(jiān) 林思聰 占文鋒

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院 廣東 廣州 511400）

引言

國家對于汽車的油耗排放要求日趨嚴(yán)格，在低碳環(huán)保的大環(huán)境下，如何保持汽車動力性和舒適性、并盡量降低油耗和排放成為汽車行業(yè)面臨的重要課題和挑戰(zhàn)[1]。作為汽車的核心零部件，發(fā)動機(jī)直接影響到車輛的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能以及乘坐的舒適性，其研發(fā)能力也是自主品牌汽車企業(yè)研發(fā)實(shí)力的重要體現(xiàn)之一，先進(jìn)汽油機(jī)技術(shù)的開發(fā)面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存的局面。

直噴式汽油機(jī)由于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)高效清潔燃燒模式控制方面表現(xiàn)出巨大潛力[2-3]。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(jì)適宜的燃燒系統(tǒng)，保證燃油與空氣的充分混合是開發(fā)過程中的關(guān)鍵[4-5]。已有研究表明，綜合利用一維/三維仿真分析技術(shù)、光學(xué)測試技術(shù)及單缸發(fā)動機(jī)熱力學(xué)開發(fā)技術(shù)有助于從更深層次理解燃燒系統(tǒng)開發(fā)過程中的核心技術(shù)要點(diǎn)，提高產(chǎn)品開發(fā)效率[6-8]。

廣汽集團(tuán)已經(jīng)掌握了完整的發(fā)動機(jī)研發(fā)能力，包括仿真分析、燃燒開發(fā)、滿足輕量化的本體設(shè)計(jì)、熱管理及減摩技術(shù)開發(fā)、試驗(yàn)試制、熱力學(xué)開發(fā)和臺架標(biāo)定能力。在多年發(fā)動機(jī)產(chǎn)品開發(fā)的過程中，注重總結(jié)積累，并逐步創(chuàng)立了GCCS高效燃燒控制系統(tǒng)，提煉出了“發(fā)動機(jī)性能目標(biāo)制定，燃燒過程關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，燃燒控制原型提出，熱力學(xué)開發(fā)試驗(yàn)，性能實(shí)測與驗(yàn)證”的V字型開發(fā)流程，掌握了以燃燒控制原型機(jī)為核心，通過前期的仿真分析與后期的試驗(yàn)驗(yàn)證相互驗(yàn)證的開發(fā)模式。

廣汽第三代發(fā)動機(jī)在第二代機(jī)型的基礎(chǔ)上整體性能顯著提高，以高效燃燒過程控制系統(tǒng)GCCS為核心，主要采用Miller循環(huán)、高壓縮比、高壓直噴等技術(shù)，將輕量化、低摩擦、熱管理、NVH作為關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素，全方位提升發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性和NVH性能。

本文針對一款直噴1.5T發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)的開發(fā)理念及主要技術(shù)進(jìn)行了概述。采用先進(jìn)的光學(xué)診斷技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)出了高效、低排放的燃燒系統(tǒng)，同時綜合了發(fā)動機(jī)本體的輕量化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)性的減摩技術(shù)和先進(jìn)的熱管理等技術(shù)開發(fā)出了全新一代基于Miller循環(huán)的增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)輸出。

1 設(shè)計(jì)開發(fā)目標(biāo)

作為廣汽第三代發(fā)動機(jī)，基于Miller循環(huán)的1.5T直噴汽油機(jī)是廣汽集團(tuán)動力總成G平臺的首款三缸發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)以油耗和排放為主要開發(fā)目標(biāo)，同時兼顧動力性和NVH指標(biāo)，能夠滿足廣汽集團(tuán)A+/B級乘用車匹配兼顧混合動力整車需求。發(fā)動機(jī)主要性能及參數(shù)如圖1、2，表1所示。

圖1 廣汽1.5T直噴汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)

圖2 發(fā)動機(jī)性能特性曲線

表1 發(fā)動機(jī)主要性能參數(shù)

眾多新技術(shù)的應(yīng)用使得發(fā)動機(jī)在兼顧高性能的同時具有更優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性。通過提高壓縮比并應(yīng)用Miller循環(huán)，配合配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)行優(yōu)化，使得工作過程中膨脹比大于實(shí)際壓縮比，保證燃料做功更為充分，降低燃油消耗[9]。為保證燃燒室內(nèi)混合氣的均質(zhì)性，高滾流比氣道與35 MPa高壓汽油噴射系統(tǒng)的應(yīng)用能夠確保更優(yōu)的汽油霧化效果，促進(jìn)均質(zhì)油氣混合氣的形成，減少局部過濃區(qū)數(shù)量，為抑制碳煙生成提供良好條件[10-11]。

2 燃燒系統(tǒng)開發(fā)

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。燃燒系統(tǒng)的各個組成部分相互作用，共同決定燃油與空氣的混合過程，并對燃燒過程產(chǎn)生直接或間接的影響。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。廣汽在多年動力總成系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中積累了大量經(jīng)驗(yàn)，逐步完善了燃燒系統(tǒng)開發(fā)的硬件環(huán)境，搭建了基于3D-PIV的氣道試驗(yàn)平臺、定容噴霧試驗(yàn)研究平臺及光學(xué)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)研究平臺等多個試驗(yàn)研究用基礎(chǔ)開發(fā)平臺。通過與模擬仿真分析手段的有效協(xié)同，保證燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)順利開展。

2.1 高性能進(jìn)氣道開發(fā)

進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)型式對進(jìn)氣沖程缸內(nèi)氣流組織有直接影響，并間接對壓縮上止點(diǎn)附近缸內(nèi)湍流強(qiáng)度產(chǎn)生間接作用。因此，合理的燃燒室設(shè)計(jì)并匹配適宜的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)有助于進(jìn)氣及油氣混合氣的良好組織。圖3為氣道試驗(yàn)平臺。

圖3 氣道試驗(yàn)平臺

為進(jìn)一步提高燃燒速度，通過改進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)，結(jié)合燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升滾流比，改善上止點(diǎn)附近處缸內(nèi)湍流強(qiáng)度。圖4為在設(shè)計(jì)搭建的氣道試驗(yàn)臺上采用3D-PIV技術(shù)測得的不同氣門升程狀態(tài)下缸內(nèi)軸向速度場分布。圖中左側(cè)為遠(yuǎn)離缸蓋方向的速度矢量分布，通過與活塞頂結(jié)構(gòu)相配合可實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)進(jìn)氣的高滾流狀態(tài)。

圖4 進(jìn)氣道3D-PIV測試結(jié)果

2.2 缸蓋燃燒室與活塞頂面設(shè)計(jì)

缸蓋燃燒室和活塞頂結(jié)構(gòu)是影響缸內(nèi)流場和混合氣分布的重要因素。合理的燃燒室形狀及與活塞頂?shù)牧己闷ヅ淠軌颢@得更為優(yōu)良的缸內(nèi)氣流組織結(jié)果和油氣混合氣分布狀態(tài)。

如圖5所示，進(jìn)氣沖程缸內(nèi)流場運(yùn)動模擬結(jié)果表明，該氣道結(jié)構(gòu)通過與活塞頂相配合可實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的滾流運(yùn)動狀態(tài)，缸內(nèi)存在明顯的滾流中心。

圖5 進(jìn)氣沖程缸內(nèi)流場分布結(jié)果

通過優(yōu)化配氣相位及噴油相位，使噴油更好地配合進(jìn)氣氣流流動過程，利用燃燒室及活塞頂面的引導(dǎo)作用，可實(shí)現(xiàn)上止點(diǎn)附近組織適宜的混合氣濃度梯度分布，如圖6所示。

圖6 上止點(diǎn)附近時缸內(nèi)混合氣濃度場分布

2.3 噴霧設(shè)計(jì)

對于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，噴霧的質(zhì)量對混合氣形成和燃燒過程起著至關(guān)重要的影響。廣汽在發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)開發(fā)中，在定容彈中利用高速成像方法系統(tǒng)評價了不同噴霧宏觀形態(tài)、油束靶點(diǎn)、噴孔流量及燃油過熱度對混合氣形成及缸內(nèi)燃燒的影響規(guī)律及作用機(jī)理，并根據(jù)研究結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)噴霧特性參數(shù)。圖7為定容噴霧特性試驗(yàn)研究平臺。

圖7 定容噴霧試驗(yàn)研究平臺

在廣汽1.5T直噴汽油機(jī)開發(fā)過程中，綜合考慮油束布置對缸內(nèi)混合氣形成和燃燒的影響，設(shè)計(jì)了不同的靶點(diǎn)配置方案進(jìn)行噴霧特性研究及試驗(yàn)對比研究。圖8為不同靶點(diǎn)布置方案油束幾何形態(tài)對比。

圖8 不同靶點(diǎn)布置方案油束幾何形態(tài)對比

研究中基于定容噴霧試驗(yàn)平臺，針對多款靶點(diǎn)布置方案噴油器噴霧進(jìn)行宏觀形態(tài)研究，明確模擬缸內(nèi)環(huán)境氛圍下噴霧貫穿距及噴霧錐角等特征參數(shù)的定量取值。通過配合進(jìn)氣流場組織實(shí)現(xiàn)混合氣形成的優(yōu)化控制，發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖9所示。通過改變噴油器油束靶點(diǎn)，調(diào)整油束的空間分布，能夠有效改善混合氣形成，降低顆粒物數(shù)量排放，如圖10所示。

圖9 噴霧不同方向宏觀形態(tài)測試結(jié)果

圖10 不同靶點(diǎn)方案噴油器PN排放對比

2.4 燃燒系統(tǒng)光學(xué)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為系統(tǒng)地評價燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，針對上述設(shè)計(jì)的燃燒系統(tǒng)搭建了光學(xué)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架，綜合利用高速成像法及激光誘導(dǎo)熒光法等多種光學(xué)測試手段對缸內(nèi)噴霧發(fā)展、混合氣形成及燃燒過程進(jìn)行可視化分析。光學(xué)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)平臺及光學(xué)缸蓋總成如圖11所示。

針對優(yōu)化改進(jìn)后的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行缸內(nèi)噴霧及燃燒可視化試驗(yàn)，結(jié)果如圖12所示。從1 750 r/min大負(fù)荷工況光學(xué)發(fā)動機(jī)測試結(jié)果可以看出，噴霧在向遠(yuǎn)端發(fā)展過程中會受到進(jìn)氣滾流較強(qiáng)的帶動作用，使得噴霧整體呈現(xiàn)向下彎折的趨勢，有效避免油束直接沖擊缸壁。在噴霧末期大量油霧卷入進(jìn)氣滾流中并與空氣進(jìn)行有效混合，一方面能夠保證點(diǎn)火時刻火花塞周圍具有適宜的混合氣濃度分布，另一方面保證缸內(nèi)其他區(qū)域具有良好的均質(zhì)性。通過缸內(nèi)燃燒過程試驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于混合氣形成質(zhì)量較好，燃燒呈現(xiàn)典型的預(yù)混合燃燒淡藍(lán)色火焰狀態(tài)。同時，燃燒后期缸內(nèi)無明顯的明亮黃色火焰帶分布，表明燃燒過程具有較低的碳煙生成傾向。

圖12缸內(nèi)噴霧及燃燒過程的可視化分析

圖13 為缸內(nèi)燃油噴射及混合氣形成過程。從圖中可以看出，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)噴霧宏觀特性并選取適宜的燃油噴射相位，壓縮沖程活塞上行階段油氣混合氣依然能夠被缸內(nèi)滾流驅(qū)動，在大負(fù)荷工況有效改善混合氣形成，在上止點(diǎn)附近形成較為均質(zhì)的混合氣，減少局部過濃區(qū)，降低soot生成傾向。

圖13 缸內(nèi)噴霧及混合氣形成

2.5 燃燒系統(tǒng)發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證燃燒系統(tǒng)開發(fā)效果，利用發(fā)動機(jī)臺架對燃燒系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評價。圖14為發(fā)動機(jī)油耗萬有特性結(jié)果。臺架試驗(yàn)結(jié)果表明，廣汽1.5T汽油機(jī)能夠在寬廣的負(fù)荷范圍內(nèi)保持較低的燃油消耗率，滿足產(chǎn)品開發(fā)目標(biāo)。

圖14 發(fā)動機(jī)油耗萬有特性結(jié)果

3 結(jié)論

1）基于GCCS設(shè)計(jì)理念，搭建了燃燒系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)研究平臺，綜合運(yùn)用模擬仿真及先進(jìn)激光光學(xué)診斷技術(shù)對燃燒系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化匹配，實(shí)現(xiàn)了高性能、低排放的設(shè)計(jì)開發(fā)目標(biāo)。

2）利用模擬仿真手段并結(jié)合3D-PIV技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)出了高性能進(jìn)氣道，滿足燃燒系統(tǒng)對高滾流的需求，并配合噴霧設(shè)計(jì)改善了缸內(nèi)混合氣的組織過程。

3）利用光學(xué)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)研究方法，系統(tǒng)驗(yàn)證評價了燃燒系統(tǒng)優(yōu)化對缸內(nèi)噴霧發(fā)展、油氣混合氣組織及燃燒過程的改善效果。通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)結(jié)果可以看出廣汽1.5T汽油機(jī)能夠在寬廣的負(fù)荷范圍內(nèi)保持較低的燃油消耗率，達(dá)到39.3%的熱效率水平，實(shí)現(xiàn)升功率75kW/L的開發(fā)目標(biāo)。