汽油增压直喷（TGDI）技术特点与一款发动机产品的开发应用.doc

汽油增压直喷（TGDI）技术特点与一款发动机产品的开发应用摘要 本文分析了汽油直喷和增压技术的特点，指出两者的联合应用能够全面提高发动机的动力性、经济型并降低排放。通过一款TGDI发动机的实际开发说明了CAE分析是保证增压直喷技术成功应用的重要手段。关键词： TGDI，发动机，应用Characteristices of Turbocharging Gasoline Direct Injection and Application of TGDI on an EngineGuo Wei, Yao Wei, Zhang Ying-bing,Abstract：This paper analyse the characteristices of gasoline direct injection and turbocharging and point out that combination of the two Techniques could improve engine dynamics ,fuel economy and reduce emission. A real engine developing proved that CAE is an important method for successful application of TGDI technique.Key word: TGDI, Engine, Application 1引言随着全球汽车拥有量的急剧提高，汽车产业受到了能源日益枯竭、油价不断上涨、全球变暖及与之相对应的二氧化碳排放的困扰，传统汽油发动机面临前所未有的挑战。近年来，汽油发动机先进技术的发展主要表现在可变进气、可控燃烧速率、熄缸及直喷技术等。由于各种技术都有自身的局限性，单纯的使用任何一种技术都无法满足日益苛刻的燃油消耗及排气法规，只有利用各种技术的特点，通过两种及两种以上技术匹配应用，最大限度的发掘汽油机潜能，也是目前汽油发动机技术发展的主流趋势。2汽油增压直喷（TGDI）的技术特点传统的汽油发动机是将汽油喷射到进气管中，与空气混合后再进入气缸内燃烧，而直喷发动机利用高压共轨喷射系统将汽油直接喷入气缸，利用缸内气流使已雾化的燃料与空气形成混合气进行燃烧。相对于气道喷射，汽油缸内直喷技术有以下特点：（1） 能够实现分层燃烧，空燃比的变化范围更大，有效提升了发动机的燃油经济性。（2） 燃料的雾化吸热能够降低缸内温度，燃烧更加稳定，避免爆震现象的发生。（3） 燃烧稳定，能够极大改善发动机机冷起动的HC排放而增压技术提高了进气压力和空气利用效率，能够在排量不变的情况下极大提高发动机的动力性。但压缩后的空气温度较高，使得发动机爆震倾向增加，从而限制了涡轮增压技术的应用。汽油缸内直喷和增压技术具有明显的互补性，两者的联合使用可以在改善发动机经济性和排放的同时获得较大幅度的动力性提升。而增压技术所带来的发动机小型化将使其匹配的车辆拥有更好的燃料经济性。3增压直喷发动机的应用研究增压直喷的技术特点决定了在新型发动机的开发过程中必须给予某些子系统更多的关注以确保新技术的成功应用。如燃烧系统中必须更加关注气道以及燃烧室的形状以获得良好的气流运动，必须考虑喷油器的匹配以得到更好的分层混合气和燃烧方式；我们必须使缸体缸盖的设计更加合理以比便于在小型化的同时能够承受更高的缸内压力。新技术应用的难点对发动机设计工作提出了更高的要求。为了满足这种要求，CAE技术越来越广泛的被应用于新型发动机的开发工作。在一款增压直喷汽油机的设计过程中江淮汽车利用CAE手段充分考虑了新技术联合应用的特点及所引起的系统变化，以使得增压直喷的优点得到充分发挥。3.1燃烧系统设计燃烧系统是发动机性能得以实现的关键，增压直喷汽油机的燃烧系统必须满足以下要求：（1） 气道的形状必须保证流动通畅和较大的滚流比，大的滚流比有利于提高燃烧质量和降低排放。（2） 缸盖和活塞头部组成的燃烧室能够组织合理的气流运动，这将有利于形成较好的分层混合气，提高燃烧效率。（3） 良好的喷嘴匹配以保证雾化充分，减少壁面油膜。同时满足这些要求，不仅仅要考虑气道、缸盖以及喷嘴等单个零部件的性能还要同时考虑这些部件之间的匹配。因此我们进行了缸内过程的CFD仿真，综合考虑了进排气流动，燃油喷射以及燃烧的影响。根据CFD仿真结果江淮汽车确定了喷嘴的侧向布置方式并选用了一套200bar高压的喷射系统和7孔喷嘴；优化了深凹坑活塞顶面设计，充分利用进气道的进气滚流，与多孔喷油器相配合形成均质混合气，尽量减少湿壁和机油燃油稀释现象。燃烧系统的布置如图1。所示。 图1 燃烧系统布置示意图 图2 点火前缸内当量比分布示意图仿真分析的结果还显示缸内的瞬态滚流比最高达到2.2，高于我们的预期值1.8；缸内气体混合良好，能够较好的实现分层点火燃烧。3.2增压器匹配合适的增压器能够最大程度发挥燃烧系统的潜力，增压器的匹配是增压直喷汽油机开发中的重要工作。在发动机的设计阶段江淮汽车通过热力学计算来研究增压器与发动机的匹配特性，确保功率，油耗等开发目标的实现。BOOST软件的热力学模拟显示Honeywell的C263压气机和T232增压器配合使用能够满足所开发TGDI发动机的要求，如图3所示。 图3 增压器匹配工况图 图4 TGDI发动机外特性曲线图4显示了经过匹配优化的发动机升功率和升扭矩分别达到80KW/L和167.3Nm/L，以较小的的排量实现了较高的功率输出，有利于实现发动机的小型化和轻量化。3.3冷却系统设计增压直喷汽油机的热负荷较传统气道喷射汽油机高，因此其冷却系统的散热能力也必须相应提高。为了确保发动机冷却液在各缸均匀分布，鼻梁区等热负荷较高部位的良好散热能力，江淮汽车的TGDI发动机设计了一个独特的“n”型水套。如图5所示冷却液从缸体排气侧向上流动进入缸盖并流向缸盖进气侧，缸盖进气侧的冷却液向下运动回到缸体部位。缸盖水套排气侧的一个导流管保证了各缸冷却液的均匀分布。CFD分析能使我们直观了解水套内的冷却液流动。图6显示缸盖鼻梁区的换热系数达到了16000W/m2K，大于13000W/m2K的设计要求；其他部位如缸体火力岸的换热系数也在安全的范围内。 图56 水套冷却液流向示意图 图6 缸盖换热系数分布示意图另外使冷却系统的流量充足该发动机采用了双水泵设计，一个主水泵提供散热器和暖风部件的冷却液，而一个辅助的电子水泵用于增压器和中冷器的冷却。通过对系统的模拟我们水泵，并通过优化的系统布置保证了各支路合理的流量分布。 图7 冷却系统原理图 8 冷却系统仿真模型图3.4结构优化汽油增压直喷技术多应用于小型发动机，这对发动机的机体结构强度提出了更高的要求。江淮汽车的TGDI发动机在设计阶段利用有限元分析对缸体缸盖进行了优化，使得发动机在小型化的同时满足了增压直喷技术更高的强度要求。缸体缸盖FEA分析全面考虑了热负荷以及缸内压力对发动机主体结构的影响，直观体现了机体的变形和温度分布，图6显示了整机在热负荷和机械负荷共同作用下的变形。 图9 缸盖壁面温度分布示意图 图10 整机变形示意图结构优化后点火面的最高温度为244，小于铝合金的260限值；四个缸的缸孔变形量都很小能够满足需要，缸体缸盖疲劳安全系数也都大于1.1的设计指标。4工作总结增压直喷技术的联合应用能够全面提升发动机的动力性，经济型和排放水平。但新技术也为发动机的开发工作带来了更多的难点，我们必须在设计阶段针对增压直喷的特点做更多的研究工作以充分发挥增压直喷的技术优势。江淮汽车在TGDI发动机的设计阶段进行了有针对性的CAE模拟分析工作，及时了解新技术对相关子系统和整机的影响，最大限度挖掘了增压直喷技术的潜力。本文提及的江淮TGDI发动机已经完成样机的试制并点火成功，从目前的试验数据来看具备达到工程目标的能力。参考文献1 周龙保. 内燃机学M. 北京：机械工业出版社，1999年2 解茂昭. 内燃机计算燃烧学M. 大连：大连理工大学出版社，1995年3 温苗苗. CNG发动机工作过程模拟.武汉理工大学硕士学位论文，20044 林学东, 金文华, 李红州. 直喷式柴油机燃烧室形状对气流运动及其排放特性的影响J. 汽车技术, 2003(12):21245 林志强, 苏万华, 汪洋等. 空气/天然气对QHCCI燃烧过程影响的研究J. 工程热物理学报, 2001(6):2252286 杨世春,李君,李德刚. 缸内直喷汽油机技术发展趋势分析J. 车用发动机.2007.10：8-127 蒋坚,高