一款1.5L缸内直喷汽油机的燃烧系统设计

孙凡嘉 张双 陈泓 李钰怀 林思聪 占文锋

摘 要：基于进气道三维流场测试装置、定容弹喷雾试验台和光学单缸机测试系统组成的缸内直喷汽油机燃烧系统可视化开发平台，开发设计了满足设计要求的高性能进气道，并匹配了缸盖燃烧室和活塞，有助于缸内混合气的形成，提高燃烧速率;综合考虑排放与机油稀释量的基础上，优化设计了喷雾靶点。对所设计的燃烧系统进行了光学单缸机试验和热力学多缸机试验验证。结果表明，进气道和燃烧室组织引导的气流在缸内形成高滚流，对喷雾油束有强烈的弯卷作用，极大促进了均质混合气的形成，并减小喷雾碰壁的风险;喷雾靶点的合理设计有效避免喷雾油束与壁面的碰撞，减少了机油稀释率和起燃工况HC排放;所设计的燃烧系统搭载1.5TGDI发动机实现了80kW/L、最大扭矩250N·m、排放较低的性能指标。

关键词：缸内直喷汽油机;进气道;燃烧室;燃烧系统设计

中图分类号：U464.171  文献标识码：A  文章编号：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

缸內直喷汽油机相比于气道喷射汽油机，能够直接把燃油喷射到气缸内，可以精确的控制喷油时间和喷油量，能够提高燃油经济性和排放特性，还可以在较为宽广的曲轴转角范围内，实现分层稀薄燃烧，成为国内外研究机构研发领域关注的焦点^[1，2]。燃烧系统的合理设计直接影响着发动机的性能。喷雾靶点的优化设计，可以减小发动机排放，降低机油稀释的风险;进气道和燃烧室的合理设计，可以加强缸内油气混合，提高燃烧速率。因此，如何设计适宜的喷雾靶点并与燃烧室、进气道及活塞顶形状的合理匹配成为直喷式汽油机燃烧系统开发过程中的关键^[3-4]。

随着研究手段的进一步完善，研究者采用可视化方法及使用光学设备，开展了一系列燃烧系统控制参数对发动机性能影响的研究^[5-7]。研究发现，通过对喷雾靶点的优化，有助于减小油束湿壁的风险，降低未燃HC及颗粒物的排放^[8]。燃烧速率与缸内滚流强度有很大的关系，进气时的滚流强度取决于气道与燃烧室的合理匹配，压缩行程的滚流强度取决于气流运动与活塞顶形状的配合^[9-10]，因此，燃烧系统的优化设计有助于提高燃烧速率，对发动机高效清洁燃烧具有至关重要的作用。

本文基于可视化的燃烧系统开发平台及激光诊断工具的运用，针对一款1.5TGDI发动机的燃烧系统进行开发设计。以进气道滚流比和流量系数为控制目标，设计出了高性能进气道;为了保证缸内气流的合理运功及滚流强度的维持，匹配了缸盖燃烧室和活塞。在考虑满足排放目标的前提下，综合兼顾机油稀释及油气混合均匀程度，设计了合理的喷雾靶点。开发设计的燃烧系统最终在光学单缸机和热力学多缸机上进行了试验验证，获得了预期的性能指标输出。

1 GDI燃烧系统开发概述

1.1 燃烧系统开发概述

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（图1）。进气道对气流进行引导并产生滚流，缸内流场分布决定了燃烧速率;缸盖燃烧室和活塞顶面对气流的综合作用决定了点火时间窗口油气混合的状况和分布特性;喷油器靶点的分布影响缸内油气混合，并对发动机排放有重要影响;而排气道的流通特性决定着燃烧室内的残余废气量。同时，组成燃烧系统的各个结构又相互作用，共同决定油气燃烧的最终效能。因此开发高效燃烧系统是开发高效率汽油机的核心。

1.2 燃烧系统可视化开发平台

1.2.1 3D-PIV气道试验台

3D-PIV气道试验台包括双腔激光器、片光成型器、CCD相机、稳压腔等。该试验台采用非介入式三维流场测试技术可以精确测量缸内流场，从而计算气道的滚流比和流量系数，保证高性能进气道的设计。气道试验台如图2所示。

1.2.2 定容弹喷雾试验台

定容弹喷雾试验台包括定容弹、NdYAG激光器、CCD相机、时序控制单元、燃油喷射系统等。该试验台可以测试喷油器的宏观喷雾形态、贯穿距、喷雾靶点和静态流量等，为喷雾设计的几何匹配提供数据支撑。喷雾試验台见图3所示。

1.2.3 光学单缸机试验台

光学单缸机试验台包括光学单缸发动机、测功机、时序控制单元、高压供油系统等。该试验台可以对缸内喷雾形态、油气混合状态和火焰发展过程进行观测，进而综合评估燃烧系统。单缸机试验台如图4所示。

2 1.5TGDI燃烧系统开发概述

2.1 高性能进气道开发

为了获得较高的火焰传播速率，并促进油气混合，进气道需要保证较高的流量系数并组织较强的滚流，1.5TGDI燃烧系统的进气道经过几轮设计优化，最终得到如图5所示的进气道，同时满足流量系数和滚流比的设计要求。气道试验台对进气道进行测试的结果如图6所示。

对图6的试验结果进行后处理，可以计算出1.5TGDI进气道的积分滚流比达到2.3以上，满足发动机上应用低压废气再循环EGR技术的要求;且积分流量系数大于0.30，认为满足性能设计目标。

2.2 缸盖燃烧室和活塞顶面设计

缸盖燃烧室一方面需要匹配滚流设计，另一方面需要和活塞配合满足目标压缩比，如图7所示，1.5TGDI燃烧系统进排气门布置与竖直方向成较大夹角。如图8所示，活塞顶部设计为大面积凹坑，有利于维持滚流，促进缸内油气混合。

2.3 喷雾设计

基于上述设计的缸盖燃烧室和活塞顶面，匹配设计喷雾，考虑贯穿距、流量、喷雾宏观锥角和喷雾靶点，共设计了三种喷雾方案，如图9所示。三种方案均使用五孔喷油器，喷雾落点不同。图10为方案二的定容弹测试结果，在定容弹实验台上可以测量喷雾的宏观形态及喷雾落点。

图11是在单缸机上进行测试后，玻璃缸套的情况，从图中可以看出，方案一喷油器试验后缸内内壁积碳严重，方案二有轻微积碳，方案三喷油器试验后缸套内壁无明显局部积碳。由于方案三喷油器油束布置方式紧凑，可以减小机油稀释的风险和未燃碳氢的生成，选为主方案，方案二选为备用方案。

2.4 1.5TGDI燃烧系统光学单缸机试验

以上述设计的燃烧系统搭建1.5TGDI光学单缸机测试台架，进行光学单缸机试验。测试了起燃工况和2000r/min@2bar缸内喷雾特性和燃烧特性，试验结果如图12和13所示。

从图12的光学单缸机试验结果可以看出，燃烧系统匹配合适的喷油压力和喷油时刻，可以实现喷雾与活塞顶面及缸壁没有接触，从而从设计上避免了催化器起燃工况时由于湿壁导致的碳烟和HC排放生成，同时降低了机油稀释的风险。从火花塞点火到火焰传播的过程表明，着火时刻火核大小发展较好，没有产生明亮的扩散燃烧火焰，均呈现为预混燃烧，说明高滚流进气道的设计和合理的喷雾落点设计，可以实现良好的缸内油气混合。

图13为2000r/min@2bar的缸内喷雾发展过程，表明此燃烧系统的气道可以产生较强的滚流，对喷雾的雾束有强烈的弯卷作用，有效减少了油束与缸壁的碰撞，强烈的滚流也可以促进缸内油气混合，加快火焰传播速率，并且配合合理的喷油时刻，可以减小喷雾与活塞碰撞。

2.5 1.5TGDI多缸机热力学开发试验验证

该1.5TGDI燃烧系统多缸机试验验证的结果如表1所示。所输出的性能指标均达到了预期的目标。

3 结论

（1）通过系统化的设计，开发出了高性能进气道，优化设计了燃烧室和活塞顶形状，匹配了合理的喷雾靶点，实现了快速燃烧和低排放的目标。

（2）基于可视化燃烧系统开发平台，实现了喷油器预选型，开发出的燃烧系统搭载1.5TGDI发动机，实现了升功率80kw/L、最大扭矩250N·m、排放较低的性能指标。

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