广汽新一代1.5T直喷汽油机燃烧系统开发

吴广权 陈 泓 李钰怀 吴 坚 林思聪 占文锋

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东 广州 511400）

引言

国家对于汽车的油耗排放要求日趋严格，在低碳环保的大环境下，如何保持汽车动力性和舒适性、并尽量降低油耗和排放成为汽车行业面临的重要课题和挑战[1]。作为汽车的核心零部件，发动机直接影响到车辆的动力性、经济性、排放性能以及乘坐的舒适性，其研发能力也是自主品牌汽车企业研发实力的重要体现之一，先进汽油机技术的开发面临着机遇和挑战并存的局面。

直喷式汽油机由于将燃料直接喷入缸内，可有效降低缸内温度，抑制大负荷工况下爆震倾向，提升热效率，同时也在实现高效清洁燃烧模式控制方面表现出巨大潜力[2-3]。但在某些工况下，由于混合气形成时间相对较短，缸内混合气仍存在不均匀的情况。因此，如何设计适宜的燃烧系统，保证燃油与空气的充分混合是开发过程中的关键[4-5]。已有研究表明，综合利用一维/三维仿真分析技术、光学测试技术及单缸发动机热力学开发技术有助于从更深层次理解燃烧系统开发过程中的核心技术要点，提高产品开发效率[6-8]。

广汽集团已经掌握了完整的发动机研发能力，包括仿真分析、燃烧开发、满足轻量化的本体设计、热管理及减摩技术开发、试验试制、热力学开发和台架标定能力。在多年发动机产品开发的过程中，注重总结积累，并逐步创立了GCCS高效燃烧控制系统，提炼出了“发动机性能目标制定，燃烧过程关键参数设计，燃烧控制原型提出，热力学开发试验，性能实测与验证”的V字型开发流程，掌握了以燃烧控制原型机为核心，通过前期的仿真分析与后期的试验验证相互验证的开发模式。

广汽第三代发动机在第二代机型的基础上整体性能显著提高，以高效燃烧过程控制系统GCCS为核心，主要采用Miller循环、高压缩比、高压直喷等技术，将轻量化、低摩擦、热管理、NVH作为关键设计要素，全方位提升发动机动力性、经济性、排放性和NVH性能。

本文针对一款直喷1.5T发动机燃烧系统的开发理念及主要技术进行了概述。采用先进的光学诊断技术设计开发出了高效、低排放的燃烧系统，同时综合了发动机本体的轻量化设计、系统性的减摩技术和先进的热管理等技术开发出了全新一代基于Miller循环的增压缸内直喷汽油机，达到了预期的性能指标输出。

1 设计开发目标

作为广汽第三代发动机，基于Miller循环的1.5T直喷汽油机是广汽集团动力总成G平台的首款三缸发动机，该发动机以油耗和排放为主要开发目标，同时兼顾动力性和NVH指标，能够满足广汽集团A+/B级乘用车匹配兼顾混合动力整车需求。发动机主要性能及参数如图1、2，表1所示。

图1 广汽1.5T直喷汽油机燃烧系统

图2 发动机性能特性曲线

表1 发动机主要性能参数

众多新技术的应用使得发动机在兼顾高性能的同时具有更优的燃油经济性。通过提高压缩比并应用Miller循环，配合配气机构运行优化，使得工作过程中膨胀比大于实际压缩比，保证燃料做功更为充分，降低燃油消耗[9]。为保证燃烧室内混合气的均质性，高滚流比气道与35 MPa高压汽油喷射系统的应用能够确保更优的汽油雾化效果，促进均质油气混合气的形成，减少局部过浓区数量，为抑制碳烟生成提供良好条件[10-11]。

2 燃烧系统开发

汽油机的燃烧系统主要由进排气道、缸盖燃烧室、活塞以及喷油、点火装置组成。燃烧系统的各个组成部分相互作用，共同决定燃油与空气的混合过程，并对燃烧过程产生直接或间接的影响。因此开发高效燃烧系统是开发高效率汽油机的核心。广汽在多年动力总成系统设计开发过程中积累了大量经验，逐步完善了燃烧系统开发的硬件环境，搭建了基于3D-PIV的气道试验平台、定容喷雾试验研究平台及光学发动机试验研究平台等多个试验研究用基础开发平台。通过与模拟仿真分析手段的有效协同，保证燃烧系统设计顺利开展。

2.1 高性能进气道开发

进气道结构型式对进气冲程缸内气流组织有直接影响，并间接对压缩上止点附近缸内湍流强度产生间接作用。因此，合理的燃烧室设计并匹配适宜的进气道结构有助于进气及油气混合气的良好组织。图3为气道试验平台。

图3 气道试验平台

为进一步提高燃烧速度，通过改进气道结构，结合燃烧室结构优化，提升滚流比，改善上止点附近处缸内湍流强度。图4为在设计搭建的气道试验台上采用3D-PIV技术测得的不同气门升程状态下缸内轴向速度场分布。图中左侧为远离缸盖方向的速度矢量分布，通过与活塞顶结构相配合可实现缸内进气的高滚流状态。

图4 进气道3D-PIV测试结果

2.2 缸盖燃烧室与活塞顶面设计

缸盖燃烧室和活塞顶结构是影响缸内流场和混合气分布的重要因素。合理的燃烧室形状及与活塞顶的良好匹配能够获得更为优良的缸内气流组织结果和油气混合气分布状态。

如图5所示，进气冲程缸内流场运动模拟结果表明，该气道结构通过与活塞顶相配合可实现较强的滚流运动状态，缸内存在明显的滚流中心。

图5 进气冲程缸内流场分布结果

通过优化配气相位及喷油相位，使喷油更好地配合进气气流流动过程，利用燃烧室及活塞顶面的引导作用，可实现上止点附近组织适宜的混合气浓度梯度分布，如图6所示。

图6 上止点附近时缸内混合气浓度场分布

2.3 喷雾设计

对于缸内直喷汽油机，喷雾的质量对混合气形成和燃烧过程起着至关重要的影响。广汽在发动机燃烧系统开发中，在定容弹中利用高速成像方法系统评价了不同喷雾宏观形态、油束靶点、喷孔流量及燃油过热度对混合气形成及缸内燃烧的影响规律及作用机理，并根据研究结果进一步优化设计喷雾特性参数。图7为定容喷雾特性试验研究平台。

图7 定容喷雾试验研究平台

在广汽1.5T直喷汽油机开发过程中，综合考虑油束布置对缸内混合气形成和燃烧的影响，设计了不同的靶点配置方案进行喷雾特性研究及试验对比研究。图8为不同靶点布置方案油束几何形态对比。

图8 不同靶点布置方案油束几何形态对比

研究中基于定容喷雾试验平台，针对多款靶点布置方案喷油器喷雾进行宏观形态研究，明确模拟缸内环境氛围下喷雾贯穿距及喷雾锥角等特征参数的定量取值。通过配合进气流场组织实现混合气形成的优化控制，发动机台架试验验证结果如图9所示。通过改变喷油器油束靶点，调整油束的空间分布，能够有效改善混合气形成，降低颗粒物数量排放，如图10所示。

图9 喷雾不同方向宏观形态测试结果

图10 不同靶点方案喷油器PN排放对比

2.4 燃烧系统光学发动机试验验证

为系统地评价燃烧系统的优化设计效果，针对上述设计的燃烧系统搭建了光学发动机试验台架，综合利用高速成像法及激光诱导荧光法等多种光学测试手段对缸内喷雾发展、混合气形成及燃烧过程进行可视化分析。光学发动机试验平台及光学缸盖总成如图11所示。

针对优化改进后的燃烧系统进行缸内喷雾及燃烧可视化试验，结果如图12所示。从1 750 r/min大负荷工况光学发动机测试结果可以看出，喷雾在向远端发展过程中会受到进气滚流较强的带动作用，使得喷雾整体呈现向下弯折的趋势，有效避免油束直接冲击缸壁。在喷雾末期大量油雾卷入进气滚流中并与空气进行有效混合，一方面能够保证点火时刻火花塞周围具有适宜的混合气浓度分布，另一方面保证缸内其他区域具有良好的均质性。通过缸内燃烧过程试验结果可以看出，由于混合气形成质量较好，燃烧呈现典型的预混合燃烧淡蓝色火焰状态。同时，燃烧后期缸内无明显的明亮黄色火焰带分布，表明燃烧过程具有较低的碳烟生成倾向。

图12缸内喷雾及燃烧过程的可视化分析

图13 为缸内燃油喷射及混合气形成过程。从图中可以看出，通过优化设计喷雾宏观特性并选取适宜的燃油喷射相位，压缩冲程活塞上行阶段油气混合气依然能够被缸内滚流驱动，在大负荷工况有效改善混合气形成，在上止点附近形成较为均质的混合气，减少局部过浓区，降低soot生成倾向。

图13 缸内喷雾及混合气形成

2.5 燃烧系统发动机台架试验验证

为进一步验证燃烧系统开发效果，利用发动机台架对燃烧系统优化结果进行评价。图14为发动机油耗万有特性结果。台架试验结果表明，广汽1.5T汽油机能够在宽广的负荷范围内保持较低的燃油消耗率，满足产品开发目标。

图14 发动机油耗万有特性结果

3 结论

1）基于GCCS设计理念，搭建了燃烧系统开发基础研究平台，综合运用模拟仿真及先进激光光学诊断技术对燃烧系统进行优化匹配，实现了高性能、低排放的设计开发目标。

2）利用模拟仿真手段并结合3D-PIV技术，设计开发出了高性能进气道，满足燃烧系统对高滚流的需求，并配合喷雾设计改善了缸内混合气的组织过程。

3）利用光学发动机试验研究方法，系统验证评价了燃烧系统优化对缸内喷雾发展、油气混合气组织及燃烧过程的改善效果。通过发动机台架试验结果可以看出广汽1.5T汽油机能够在宽广的负荷范围内保持较低的燃油消耗率，达到39.3%的热效率水平，实现升功率75kW/L的开发目标。