一直以來，中國制造業(yè)“大而不強”的一個主要原因是缺少真正的自主設(shè)計能力，只能利用數(shù)量去抵質(zhì)量。在制造業(yè)的皇冠上，汽車發(fā)動機設(shè)計技術(shù)一直沒有真正抹去國民心中“大而不強”的潛意識。

而其中的根本原因，就是缺少真正“正向開發(fā)”的能力。相對應(yīng)的，所謂“逆向開發(fā)”，其實說白了，就是利用別人已有的產(chǎn)品進(jìn)行二次改進(jìn)，更有甚者做著不痛不癢的“抄襲”式設(shè)計。并不是發(fā)動機企業(yè)沒有決心干好“正向開發(fā)”，講到底，過弱的技術(shù)積累以及薄弱的設(shè)計經(jīng)驗使得發(fā)動機總是以一個“黑匣子”的方式存在，錯走了很多彎路。

換句話說，如果可以設(shè)計出好的發(fā)動機，從核心燃燒系統(tǒng)，到整機開發(fā)驗證，必須有正向開發(fā)的技術(shù)支撐。廣汽經(jīng)過多年的摸索，從發(fā)動機一代產(chǎn)品、二代產(chǎn)品中逐漸形成了一套自己的開發(fā)體系。

鉅浪動力是科技傳祺的核心組成部分，旨在打造科技領(lǐng)先，動力強勁，環(huán)保節(jié)能的動力總成產(chǎn)品，是中國品牌動力總成技術(shù)的集大成者?！扳犂藙恿Α逼脚_形成了發(fā)動機、變速器兩大領(lǐng)域，高效發(fā)動機、高效變速器、混動產(chǎn)品三大支撐，1.5L、2.0L燃油發(fā)動機、DHE混動發(fā)動機、AT、WDCT變速器、DHT混動變速器六個版塊完整的產(chǎn)品架構(gòu)。本次著重介紹的就是廣汽發(fā)動機架構(gòu)中第三代1.5TGDI高效發(fā)動機。

第三代1.5TGDI發(fā)動機峰值熱效率可以達(dá)到40.48%（采用92#汽油，當(dāng)量空燃比），并實現(xiàn)國6b RDE的超低排放。相比上代產(chǎn)品，BSFC從235g/kWh降低到207.9g/kWh（ Gen3B），最大凈扭矩保持不變，但扭矩平臺提前到1400rpm，0.5s達(dá)到133Nm（ Gen3B，1500rpm），具有更強的動力響應(yīng)。搭載該款發(fā)動機的廣汽傳祺影豹百公里加速可以達(dá)到6.95s，百公里油耗低至5.7L，超越同級合資車水平，具有很強的競爭力。

這臺發(fā)動機的壓縮比也由9.8提升到11.5，采用中置式350bar高壓噴射的全新第三代燃燒系統(tǒng)，米勒循環(huán)配合低壓EGR以及雙流道電控廢氣閥渦輪增壓器，缸蓋集成排氣歧管，頂置水冷中冷器，全機同時采用了先進(jìn)的智能熱管理技術(shù)以及全可變機油泵。此外還采用了內(nèi)冷活塞以及DLC涂層技術(shù)。先進(jìn)發(fā)動機技術(shù)可謂“一個都不能少”，不過在配備相同硬件的同時，如何做到發(fā)動機設(shè)計的最優(yōu)化，正是這臺發(fā)動機所具備的核心，即燃燒系統(tǒng)的正向開發(fā)設(shè)計。

燃燒系統(tǒng)開發(fā)—光學(xué)測試+參數(shù)化t辦同優(yōu)化

直噴汽油機在以往的開發(fā)過程里，總是被當(dāng)做“黑箱”，從控制的角度，只能決定輸出和輸入的參數(shù)值，而對真正關(guān)鍵的內(nèi)部過程和反應(yīng)機理一無所知。正向開發(fā)的核心是什么呢？實際上就是要打破這個壁壘，將直噴汽油機核心的油氣混合燃燒過程暴露出來，并且將燃燒系統(tǒng)完全參數(shù)化，將關(guān)鍵設(shè)計位置利用最優(yōu)化策略進(jìn)行迭代開發(fā)，圍繞深度高效燃燒機理從內(nèi)到外建立起一套符合設(shè)計邏輯并形成閉環(huán)的開發(fā)流程。

其中引入最關(guān)鍵的技術(shù)就是光學(xué)診斷技術(shù)，發(fā)動機內(nèi)反應(yīng)劇烈、迅速，在時間和空間上與復(fù)雜的關(guān)鍵參數(shù)耦合，導(dǎo)致控制參數(shù)、設(shè)計參數(shù)均不能解耦獨立控制。而一般的傳感器技術(shù)，

方面由于設(shè)計原因不能全時域、空間域進(jìn)行探測，另外接觸式的檢測方法也會對“場”進(jìn)行破壞。

光學(xué)診斷方法正是很好地彌補了這種不足，利用光學(xué)“非接觸式”的診斷方法對各項物理參數(shù)進(jìn)行提取，從機理上解明噴霧、氣流、油氣混合、燃燒以及排放等多個過程里的關(guān)鍵科學(xué)問題。此外光學(xué)診斷方法可以非常好地利用高速攝影技術(shù)與CFD設(shè)計方法相耦合，標(biāo)定控制模型從而減少開發(fā)試驗流程，做到最優(yōu)化設(shè)計，減少開發(fā)周期。近期隨著人工智能等數(shù)字科學(xué)算法的興起，圖像處理技術(shù)與光學(xué)診斷、參數(shù)化設(shè)計的聯(lián)合更加使得開發(fā)過程“如虎添翼”。

在高效燃燒系統(tǒng)設(shè)計過程中，廣汽建立了完整的燃燒系統(tǒng)正向開發(fā)體系，同時搭建了整套燃燒系統(tǒng)可視化開發(fā)平臺，利用先進(jìn)激光光學(xué)診斷技術(shù)與仿真分析技術(shù)深度融合，打造更為高效的燃燒系統(tǒng)。

在高效進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計中，廣汽研究院采用3D-PIV可視化技術(shù)開展氣道結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計，并將原無形的流動過程轉(zhuǎn)化為可視的圖像結(jié)果，直接得到局部位置的流場信息，耦臺參數(shù)化模型深入的開展氣道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工作，高滾流比以及進(jìn)氣系數(shù)的優(yōu)化就是在這部分完成的?；趦?yōu)化的氣道結(jié)構(gòu)，結(jié)合燃燒室與活塞頂面設(shè)計，實現(xiàn)缸內(nèi)流場性能提升、滾流比強化與保持以及湍流強度優(yōu)化。良好的燃燒過程有賴于缸內(nèi)流場的精細(xì)化組織，通過對燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，保證點火前缸內(nèi)更為適宜的湍動能分布，有助于提高燃燒速率，強化燃燒過程，降低爆震傾向。

燃燒系統(tǒng)缸內(nèi)流場

在廣汽第三代1.5TGDI噴霧特性開發(fā)中，基于定容彈噴霧特性試驗平臺實現(xiàn)噴霧宏觀/微觀特性的優(yōu)化設(shè)計，采用350bar高壓中置直噴技術(shù)，有效降低顆粒物數(shù)量排放，同時針對多種極限邊界條件下噴霧發(fā)展特性開展更為深入的分析驗證工作，確保在不同環(huán)境條件下，發(fā)動機都能可靠穩(wěn)定運行。

發(fā)動機缸內(nèi)由于金屬的缸體使得打孔或者其他的探測手段總是相對受限，全面、清晰的燃燒發(fā)生、發(fā)展過程觀測很難實現(xiàn)，那么如果將發(fā)動機單缸燃燒系統(tǒng)提取出來，利用高強度石英、藍(lán)寶石等做成一個“透明”的發(fā)動機，那么就會有很好的多窗口可視化能力。

“光學(xué)發(fā)動機”就是這樣一個設(shè)備，通過建立發(fā)動機燃燒系統(tǒng)可視化試驗研究平臺，打開發(fā)動機燃燒系統(tǒng)開發(fā)的“黑匣子”，深入剖析燃燒系統(tǒng)開發(fā)過程中的各項“know how”，利用可視化的研究手段逐步建立了較為全面的燃燒系統(tǒng)對標(biāo)數(shù)據(jù)庫與廣汽自有的燃燒系統(tǒng)開發(fā)體系。

依托廣汽自有專利的GCCS燃燒控制技術(shù)，形成了“噴霧設(shè)計一氣道設(shè)計一燃燒室設(shè)計一燃燒系統(tǒng)優(yōu)化匹配”完整的燃燒系統(tǒng)開發(fā)流程及開發(fā)方法?；谠摴鈱W(xué)手段設(shè)計及優(yōu)化開發(fā)的燃燒系統(tǒng)已應(yīng)用于多個量產(chǎn)開發(fā)項目，在此基礎(chǔ)上，積極開展面向45%高熱效率汽油機關(guān)鍵燃燒技術(shù)研發(fā)。

缸內(nèi)燃燒過程分析

熱管理上的突破，主要在于通過TMM實現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的電氣化。熱平衡上的原理與收益是明確的，但實現(xiàn)其精準(zhǔn)的控制比較困難。廣汽的做法是首先通過對整車的需求進(jìn)行分解，明確了每個子系統(tǒng)在什么階段需要什么，并相互進(jìn)行兼顧，比如催化器起燃與暖風(fēng)舒適性的矛盾，比如低摩擦與爆震的矛盾等等，最終形成了現(xiàn)在的控制策略。

但是熱管理是一個多重PID多重遲滯的系統(tǒng)，水溫PID，TMM轉(zhuǎn)角PID等等，且熱量到壁溫，到水溫，再到執(zhí)行器動作，這一套控制路徑很長，實際操作司環(huán)不是特別理想，水溫振蕩非常厲害，如果沒有水溫閉環(huán)，TMM的效果相當(dāng)于只發(fā)揮出了一半。

對于這個問題，廣汽在硬件上優(yōu)化了傳感器的布置，軟件上通過預(yù)控建立起了熱量到執(zhí)行器動作的直接關(guān)系，通過相當(dāng)多的工作，最終讓閉環(huán)控制成為可行，目前在WLTC閉環(huán)階段，有80%以上的時間，控制精度可以達(dá)到±2.5℃。

在閉環(huán)控制下還有另一個問題，TMM的動作非常多，對球閥密封組件的壽命是一個比較大的挑戰(zhàn)。對此，廣汽利用算法上的調(diào)整，最終降低了多達(dá)38.6%的轉(zhuǎn)角需求，提高了其壽命冗余。

目前，廣汽的TMM能夠在整車WLTC工況實現(xiàn)綜合節(jié)油1 .5%，且大幅降低各類排放物。

對于柴油機而言使用EGR主要是改善排放，而汽油機使用EGR主要是降油耗，配合增壓、雙VVT、米勒循環(huán)、高壓縮比、缸內(nèi)直噴，近期能夠?qū)崿F(xiàn)熱效率42%;遠(yuǎn)期，高稀釋燃燒是提高熱效率的必由之路，使用EGR能夠減少排放控制系統(tǒng)的壓力。

通過低壓EGR技術(shù)（LP EGR）的應(yīng)用與優(yōu)化，廣汽1.5TGDI-Gen3B發(fā)動機最高有效熱效率達(dá)到40. 48%，搭載整車的最大EGR率超過20%，WLTC工況常規(guī)車節(jié)油2-3%，混動車節(jié)油超過5%。

實際上LPEGR的應(yīng)用也伴隨著一些技術(shù)難點。

在零部件耐久方面，廣汽進(jìn)行的一系列冷凝試驗研究也驗證了冷凝水對增壓器、EGR閥、EGR冷卻器和EGR管路的影響。為了盡可能減小冷凝水的影響，不同場景下的策略保護(hù)是非常重要的。