1 概述

近年来，针对汽油机面向低燃油耗的市场需求有所增强，同时关于动力性能的竞争也日趋激烈。为了兼顾汽油机的低燃油耗与动力性能，各汽车生产商正在致力于通过缸内直接喷射汽油方式(DIG)实现发动机小型化。此外，为改善空气质量，各国的排放法规将进一步收紧，满足排放要求的燃烧技术开发越来越重要。随着发动机燃油直喷、涡轮增压、废气再循环(EGR)等技术的设计参数随之优化，燃烧技术的开发变得更为复杂。凭借技术人员的经验，废气再循环在计算流体动力学(CFD)的运算基础上，反复开展样机试制、评价现有的设计方法，以实现先进性能目标的燃烧系统的开发难度在逐步增加。

为实现先进燃烧技术的开发，根据性能要求及对相关燃烧现象建模的方法，采用了基于系统工程的有效解决复杂系统的方法。本文介绍这种新型燃烧技术的相关研究方法，以及采用新方法开发V6涡轮增压直喷汽油机的实例。

2 最新的燃烧技术研究

2.1 传统燃烧技术开发与课题

传统燃烧技术的开发在一定程度上要依赖于技术人员的经验，如以“活塞顶部凹坑的半径”等参数的设计规格，以及“燃油消耗率”与发动机性能的间接关系为基础，进行燃烧室设计。但是，每一代汽油机的燃烧系统要符合先进的目标值要求，需进行设计的参数数量繁多。由于各参数水平的组合呈指数增加，所以，在发动机试验中引进实现预设的燃烧系统实际上是较为困难的(图1)。

图1 燃烧设计研究变量数的变迁

通过对相关物理现象的理解，定性地改善燃烧系统的研究中使用CFD分析。虽然尝试削减样机试制数量及提高设计质量的方法，但根据CFD分析，尚未进行样机试制时，能够设计的性能则是有限的。例如，对于削减柴油机排放颗粒物(PM)和颗粒数(PN)的要求并不严苛[1]，其结果需要在燃烧技术的研究中反复进行样机的设计、试制与评价等工作，并逐次逼近目标，研究开发所占的时间并不该因此而得以削减。

2.2 根据发动机性能目标设置高效燃烧系统的目标

瞄准解决上述课题的目标，采用系统工程的思路，根据扭矩、燃油消耗率等发动机性能参数要求，高效燃烧系统应达到相应的性能指标。例如，燃烧系统起到的较大的作用为提升指示热效率，同时可改善抗爆燃性，并对燃烧系统的要求分解为气缸内流动强度、混合气均匀度及燃烧室壁面黏附燃油量等过渡性参数。图2示出了开发目标。

图2 基于系统工程，对燃烧系统要求的流程

2.3 设计指标的整理与理论设计

根据以往经验，设计了各中间物理指标的目标值。同时，将这些指标与CFD数据分析的输出端联系起来，使得试验及理论研究成为可能。通过相关工作，可在理论上求得满足目标要求时的协调关系。CFD编码使用了通用流体分析软件STAR-CD；湍流模型使用了标准K-ε模型；燃油的液滴分裂模型使用了可处理液滴动态变形的SSP模型[2]；对壁面碰撞时的动态预测则使用了Senda模型[3]。

3 面向V6涡轮增压汽油机的应用实例

3.1 发动机性能目标与燃烧概念

对V6涡轮增压DIG汽油机的设计理念围绕敏锐的响应性、强劲的动力性能，与环境良好的协调性能而展开。为实现这些设计目标，与传统型的前置发动机/后轮驱动式(FR)汽车所配装的V6 3.7 L自然吸气发动机相比，为实现更高的车辆动力性能及低燃油耗，采用了3.0 L涡轮增压DIG发动机。表1列出了发动机的主要技术规格。其燃油供给方式主要采用了DIG系统，为了兼顾利用米勒循环以改善燃油经济性及发动机的响应性，可变配气机构的进气侧采用了电动可变配气机构。由于采用了水冷中冷器、涡轮旋转传感器等技术，确定了发动机开发目标：发动机转速从1 600 r/min提升到5 200 r/min，其最大扭矩为475 N·m，最大输出功率在6 400 r/min转速下可达298 kW。

从燃烧情况看，利用增强缸内滚流及避免在活塞及气缸套壁面产生黏附现象的喷雾，通过形成高均匀度的混合气，以提高热效率，以及在催化剂预热运转过程中，通过点火定时延迟增强燃烧稳定性，可实现低排放目标，将以上内容设定为燃烧系统设计的基本理念(图3)。

表1 发动机主要技术规格

①为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。

图3 采用的DIG燃烧系统基本概念

3.2 进气道设计

进气道对于燃烧过程方面的重要影响在于可强化缸内的气体流动，并且能实现以下要求：(1)提高低速高负荷工况下的混合气均匀度，以及通过提高抗爆燃性而提高热效率；(2)通过扩展部分负荷区域的EGR界限以降低泵气损失；(3)通过提高高速全负荷运转时的燃烧速度、降低排气温度以提高增压压力，进而提高输出功率。

首先，提高抗爆燃性是改善燃烧速度的有效措施。为提高燃烧速度，对缸内湍流速度产生较大的影响(增强缸内湍流可提高燃烧速度，而快速燃烧又有利于扩大EGR界限)。因此，在基于CFD分析的缸内气体流动的设计过程中，作为过渡性参数，使用了压缩上止点中缸内的平均湍流速度，并设定了缸内湍流过程数值的目标值。

接下来，设计部分负荷区域的米勒循环附加内部EGR时的EGR强度。如果EGR强度较低，则一旦附加了EGR，燃烧稳定性会有所降低。试验结果表明，车辆运行性能会因此恶化。为实现其燃烧稳定性，目标设置在与燃烧稳定性密切相关的主燃烧持续期[4]。因而，即便按计划增加内部EGR率达25%也可实现预设的燃烧持续期，并针对缸内湍流过程设定了目标值。

为使缸内湍流指标达到目标值，需强化进气道内的滚流运动，但处于平衡状态的流量系数通常会变小。同时为满足高功率要求，也应确保其流量系数。因此，在进气道设计方面，应兼顾滚流强化与确保流量系数的目标，同时研究了进气道各部分的影响。基于CFD分析研究的结果得知，如果要求使新鲜空气沿着屋脊形燃烧室直接流向排气侧，其一方面可以确保必要的滚流运动，另一方面则能改善流量系数。图4(a)示出了进气道形状，图4(b)则表示流量系数与滚流比的关系，不仅可确保滚流，而且为实现高输出功率而满足流量系数目标。

图5表示预设的缸内湍流过程数值，以及引进了喷雾、活塞顶部设计技术后的缸内湍流过程实际数值，以及采用多缸发动机后对抗爆燃性的评价结果。由于满足了缸内湍流指标的目标要求，实现了抗爆燃性的目标。图6表示在多缸发动机上评价低负荷区域的EGR强度的结果，确认了由于具有相同的缸内平均湍流过程数值，可设定内部EGR率。

图4 设计的进气道与实现了滚流比、流量系数协调关系的改善

图5 爆燃裕度的目标设定与发动机实际值

图6 由平均指示压力(IMEP)变动率目标及EGR率目标设定气缸内湍流指标目标以及发动机实际值

3.3 喷雾设计

DIG喷雾的主要功能是形成低速高负荷区域的均匀混合气，以及抑制面向缸套壁面的燃油黏附现象，而缸套黏附燃油是发生机油稀释及实现低速预燃烧的重要因素[5]，抑制活塞顶部的燃油黏附现象，而活塞顶部黏附燃油是PM的重要来源。图7表示了概念不同的各种燃油喷射定时，研究了PN的差异的基础试验结果。由图7得知，喷雾前端向上偏移，在同样的喷射定时中使PN值降低。因此可知，在PN比例较高的发动机暖机前的状态中，如果喷雾会导致活塞顶部黏附燃油，则PN值会随之增大。如需降低PN，采用基本的喷雾设计便可实现，即采用使喷雾向上侧偏移的设计理念。进行喷雾设计时，CFD分析中将PN作为过渡参数，对活塞顶部燃油着壁量预设了目标值。

图7 为削减PN使喷雾前端向上侧移动的效果(试验结果)

另一方面，喷雾向上侧偏移引起机油稀释率增加。发动机DIG目前有使燃油黏附缸套的趋势，因此会使着壁的燃油与机油相混合。因此，机油的黏度降低会使发动机各部位造成损伤。为此研究了发动机负荷与机油稀释率的关系，其基础试验结果示于图8。由图8可知，如果扭矩变大，则其机油稀释率也随之增加。但是，这时如果进行分次喷射，则机油稀释率亦会随之降低。这是由于燃油分次喷射致使喷雾的贯穿距降低，就可降低缸套壁面的燃油着壁量。如果设定分次喷射的次数为3次，则即使在高负荷工况下，也具备可实现预设的机油稀释率的能力。设计喷雾时，将机油稀释率作为CFD分析时的过渡参数，并对缸套燃油黏附量设定了目标值。

此外，混合气的不均匀性表示其局部的空燃比存在过高或过低的现象，由于未燃混合气的生成，关系到燃油效率的恶化，不过从喷射定时到燃烧起始点的时间内，比PFI特续时间更短的燃油直喷，仍存在一定的弊端。CFD混合气的均匀性通常使用混合气均匀度(H.I.)进行判断

(1)

式中，φ表示气缸内平均当量比，σφ表示该当量比的标准偏差。

图9(a)表示满足PN目标及机油稀释目标所要求的喷雾形状，图9(b)则表示多气缸发动机上燃烧效率的评价结果，可知由于达到了混合气均匀度的目标，能够实现与PFI相同的燃烧效率。图9(c)表示多气缸发动机PN值的评价结果。由于采用了避免活塞顶部黏附燃油的结构设计，实现了预先要求的PN值。此外，图9(d)表示多气缸发动机的机油稀率的评价结果。其所设计的喷雾形状，由于采用了多级喷射，实现了喷射定时的最佳化，并且已实现了目标要求的机油稀释率。

3.4 活塞顶部

活塞顶部的主要功能是，在催化剂预热(暖机)时，为确保燃烧稳定性形成分层混合气，同时对由于活塞顶部黏附燃油而产生的PM进行抑制。为了在催化剂暖机运转中确保燃烧滞后的燃烧稳定性，保证初期燃烧过程的稳定是较为重要的。因此，采用分次喷射，即在进气行程中进行喷射并以此确保着火稳定性。此时，因为在活塞顶部的燃油黏附量的增加直接影响到PM排放量，因此活塞顶部的设计理念需重点关注最低限度的喷射量，同时需确保初期的燃烧稳定性。初期燃烧的稳定性是由点火定时中点火火花塞间隙周边的当量比所支配的，据此对该当量比设定了目标值。

为了实现预设的当量比要求，需形成稳定的分层混合气，因此在活塞顶部设计了凹坑，如图10所示。图中喷雾形状中间A型与C型用于研究目标内的喷雾形状。但是，假设燃烧室壁面的高度有所提升，则缸内的有效高度会有所变小，同时由于缸内流动现象的持续性恶化，缸内湍流过程参数降低，会引发一系列问题。为了不断提升输出功率，高效率的影响处在最低限度，选择了所需最小限度的活塞顶凹坑。

图11示出了多气缸发动机的催化剂暖机运转时的燃烧稳定性评价结果，由于实现了火花塞周边当量比的目标值，因此其燃烧稳定性也达到了预设要求。

图10 催化剂预热运转时的凹抗形状研究

图11 设计的活塞顶部与达到值

4 结论

为了开发出满足先进性能要求的燃烧技术，采用了基于系统工程的方法，实际上已将关于燃烧技术的开发方法应用到V6涡轮增压直喷发动机上，并得到了以下成果。

(1)针对发动机的性能指标要求，设定了过渡参量，同时通过运用CFD分析，使其与各个燃烧要素建立关系，就可能在试验机上选定燃烧系统的最佳参数指标。

(2)应用了上文所述的V6涡轮增压DIG发动机，由于其采用了低位的卧式切向气道，以及使喷雾向上偏移及多级喷射，还具备了改善活塞顶部形状的燃烧室新技术，同时根据发动机性能要求重新设定了燃烧系统，本燃烧系统也实现了全部预设目标。

为了满足发动机日趋复杂化及多样化的需求，为了开发出与发动机相匹配的燃烧系统，需以本次使用的过渡参数的设定为基础，同时基于系统工程的原理，进一步推进燃烧技术开发的创新。