高效汽油機(jī)均質(zhì)稀薄燃燒試驗(yàn)研究

王志望 曠云龍 張 華 楊 林 李連豹 李雙清 韋 虹 李 軍 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

引言

為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)苛的能源危機(jī)和氣候變化問(wèn)題，汽車廠商需不斷提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)國(guó)家2016年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，乘用車新車平均油耗將分別達(dá)到2020年5.0 L/100 km，2025年 4.0 L/100 km，2030年 3.2 L/100 km，乘用車汽油機(jī)2020年熱效率將達(dá)到40%，2025年熱效率將達(dá)到44%，2030年熱效率將達(dá)到48%[1]。稀釋燃燒諸如冷卻EGR和均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的途徑之一，主要?dú)w結(jié)于泵氣損失的降低、散熱損失的降低和比熱比的提升[2-3]。理論上，采用更高的稀釋度可以獲得更高的熱效率，然而在實(shí)際中均質(zhì)稀釋燃燒通常被惡化的點(diǎn)火和遲緩的燃燒持續(xù)期所限制。因此，為加快燃燒過(guò)程，稀釋燃燒系統(tǒng)需結(jié)合加速的缸內(nèi)流動(dòng)，諸如高滾流進(jìn)氣道、提升的活塞運(yùn)動(dòng)速度以及適配燃燒室形狀等。為提高稀釋混合氣的燃燒，需縮短點(diǎn)火延遲和保證穩(wěn)定的點(diǎn)火[4]，電暈點(diǎn)火技術(shù)基于瞬時(shí)等離子體或射頻等離子體放電，可在燃燒室內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)放電通道，可以實(shí)現(xiàn)混合氣的多點(diǎn)著火，能量集中且可直接應(yīng)用于可燃混合氣。因而點(diǎn)火效率高，點(diǎn)火可靠，縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，從而有效縮短燃燒滯燃期，實(shí)現(xiàn)快速燃燒，在適配情況下能夠有效點(diǎn)燃均質(zhì)超稀薄混合氣（λ：1.8～2.0），從而實(shí)現(xiàn)均質(zhì)超稀薄燃燒[5-6]。電暈點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火體積和形狀可以通過(guò)設(shè)計(jì)電極形狀控制，有利于與燃燒室形狀進(jìn)行匹配，電暈放電點(diǎn)火過(guò)程是低溫點(diǎn)火過(guò)程（～1 000℃），有利于降低電極熱負(fù)荷，延長(zhǎng)電極壽命，同時(shí)也減少了熱傳導(dǎo)損耗，提高點(diǎn)火效率。

本文在1臺(tái)直列三缸渦輪增壓直噴汽油機(jī)上，變更活塞、缸蓋、凸輪軸、高效點(diǎn)火系統(tǒng)、增壓器和附件，對(duì)比分析了不同過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性、油耗和排放的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)計(jì)劃

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

通過(guò)在基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)上，應(yīng)用高效點(diǎn)火系統(tǒng)，研究高效點(diǎn)火稀薄燃燒特性，以及油耗和排放情況。相比于基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)，變更件有：活塞、缸蓋、凸輪軸、高效點(diǎn)火系統(tǒng)（如圖1所示）、增壓器和附件，其他零部件不變。

圖1 高能點(diǎn)火系統(tǒng)原理圖

如圖1所示，高效點(diǎn)火系統(tǒng)由高頻控制器和點(diǎn)火器組成，高頻控制器需要單獨(dú)的電源供電或者通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)電源供電。高頻控制器有多個(gè)點(diǎn)火觸發(fā)信號(hào)輸出，內(nèi)部通過(guò)CAN與ECU通訊。在試驗(yàn)過(guò)程中，高效點(diǎn)火系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立的控制模塊進(jìn)行控制。高效點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火特性通過(guò)調(diào)節(jié)次級(jí)電壓和點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間控制。

在基礎(chǔ)機(jī)型基礎(chǔ)上，通過(guò)重新設(shè)計(jì)活塞頭部形狀，將壓縮比提高到13。改制之后的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見下表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

通過(guò)缸內(nèi)壓力傳感器和lambda儀監(jiān)控缸內(nèi)壓力和過(guò)量空氣系數(shù)，通過(guò)高效點(diǎn)火系統(tǒng)HFI控制軟件獨(dú)立控制高效點(diǎn)火系統(tǒng)，詳細(xì)的試驗(yàn)設(shè)備清單見表2。

1.2 試驗(yàn)計(jì)劃

綜合應(yīng)用高能點(diǎn)火系統(tǒng)、高滾流比氣道、小包角進(jìn)氣凸輪軸和高壓縮比技術(shù)，試驗(yàn)內(nèi)容為固定工況點(diǎn)，從0.9到1.9變化過(guò)量空氣系數(shù)，獲得油耗和排放隨過(guò)量空氣系數(shù)變化的趨勢(shì)。在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)高效點(diǎn)火系統(tǒng)的次級(jí)電壓和點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間，且不出現(xiàn)漏電的情況下，保證稀薄油氣混合氣的點(diǎn)燃。試驗(yàn)邊界條件如表3所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備

表3 試驗(yàn)邊界控制條件

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 Lambda變化對(duì)油耗的影響分析

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在轉(zhuǎn)速為2500r/min，BMEP為0.9MPa固定工況，對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)行掃點(diǎn)，由于應(yīng)用了高效點(diǎn)火系統(tǒng)，過(guò)量空氣系數(shù)限值提升至1.7。隨著過(guò)量空氣系數(shù)的提高，稀薄混合氣的燃燒變得困難，燃燒開始惡化，在lambda提高至1.7以上后，COV大于5%，發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率及COV隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化趨勢(shì)如圖2、3所示。

從圖2可以看到，過(guò)量空氣系數(shù)Lambda為1.55時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率最低，為207.25g/（kW·h），對(duì)比過(guò)量空氣系數(shù)為1.0時(shí)降低約12%，這主要是因?yàn)殡S著過(guò)量空氣系數(shù)的提高，缸內(nèi)燃燒溫度降低，高壓縮比帶來(lái)的缸內(nèi)爆震被抑制，從而允許點(diǎn)火角提前，同時(shí)，降低冷卻熱損失和泵氣損失功。

圖2 油耗隨lambda的變化趨勢(shì)

圖3 COV隨lambda的變化趨勢(shì)

從圖3可以看出，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)COV較低，運(yùn)行平穩(wěn)；當(dāng)lambda高于1.7時(shí)，此時(shí)缸內(nèi)均勻混合氣的形成和燃燒變得更加困難，且點(diǎn)火器的點(diǎn)火體積和形狀與燃燒室形狀匹配存在優(yōu)化空間，漏電現(xiàn)象限制了高能點(diǎn)火器點(diǎn)火能量的進(jìn)一步提升，燃燒速度明顯降低，燃燒持續(xù)期加長(zhǎng)，COV急劇變差。

圖4表示在2 500 r/min，BMEP 0.9 MPa時(shí)，排氣溫度、滯燃期、CA50和燃燒持續(xù)期隨過(guò)量空氣系數(shù)變化的趨勢(shì)。

由于較高的過(guò)量空氣系數(shù)和燃燒溫度的降低，燃燒相位CA50可以設(shè)定為更為理想的時(shí)刻，排氣溫度的降低會(huì)減少排氣損失。在點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中，滯燃期的定義是燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)（MFB）為0%～10%所對(duì)應(yīng)比變化的趨勢(shì)，反映了火焰初始發(fā)展速度，在本次試驗(yàn)中采用了高效點(diǎn)火系統(tǒng)，稀薄的混合氣仍能點(diǎn)燃，即使過(guò)量空氣系數(shù)的提高，滯燃期會(huì)呈下降趨勢(shì)，在過(guò)量空氣系數(shù)大于1.65后，因?yàn)楦變?nèi)燃燒不穩(wěn)定（COV大于5%），滯燃期會(huì)增加。

圖4 在2 500 r/min，BMEP 0.9 MPa時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)的影響

如圖5所示，隨著過(guò)量空氣系數(shù)lambda的增加，點(diǎn)火提前角相對(duì)應(yīng)地增加，從理論空燃比增加到過(guò)量空氣系數(shù)1.55，點(diǎn)火角需要提前13.5°CA，當(dāng)點(diǎn)火提前角前推，由于點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)的溫度和壓力下降會(huì)造成的混合氣點(diǎn)火惡化，增加失火的概率，出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定，點(diǎn)火角跳動(dòng)，需要犧牲燃燒相位和增加點(diǎn)火能量以保證點(diǎn)火穩(wěn)定性，在過(guò)量空氣系數(shù)大于1.7時(shí)，繼續(xù)將點(diǎn)火角提前，失火嚴(yán)重，COV變差，此時(shí)，繼續(xù)提前點(diǎn)火角對(duì)燃燒作用不明顯。

圖5 點(diǎn)火角隨lambda的變化趨勢(shì)

根據(jù)前面的數(shù)據(jù)分析得出在2 500 r/min，BMEP 0.9 MPa，過(guò)量空氣系數(shù)Lambda1.55時(shí)油耗最低，故在負(fù)荷BMEP0.9 MPa，過(guò)量空氣系數(shù)lambda1.55時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的掃點(diǎn)，趨勢(shì)如圖6所示。在轉(zhuǎn)速為2 416 r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率最低，為203.85 g/（kW·h），熱效率約為41%，指示燃油消耗率193.41 g/（kW·h），指示熱效率為43.3%，不過(guò)此時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)本身限制，此時(shí)的負(fù)荷為0.86 MPa，過(guò)量空氣系數(shù)為1.51。

圖6 在BMEP 0.9 MPa，Lambda1.55時(shí)轉(zhuǎn)速的影響

2.2 過(guò)量空氣系數(shù)變化對(duì)排放的影響分析

圖7 NOx隨lambda的變化趨勢(shì)

如圖7所示，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的提高，NOx排放呈前期升高，在過(guò)量空氣系數(shù)為1.2時(shí)，NOx排放達(dá)到極值，之后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在熱效率最高點(diǎn)，由于稀薄混合氣較低的燃燒溫度使NOx大幅度降低，實(shí)測(cè)NOx為306.46×10-6，相對(duì)于理論空燃比時(shí)降低了約70%。不過(guò)距離國(guó)6b中NOx限值仍有一定差距，需進(jìn)一步研究更高過(guò)量空氣系數(shù)下的低NOx排放特性，以期獲得不采用昂貴后處理設(shè)備的原始排放；由于不完全燃燒，碳?xì)渑欧艜?huì)隨著過(guò)量空氣系數(shù)的提高而增加，如圖8所示。

圖8 碳?xì)潆Slambda的變化趨勢(shì)

3 結(jié)論

1）與原機(jī)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高，壓縮比13，在 2 500 r/min，BMEP 0.9 MPa，過(guò)量空氣系數(shù)1.55時(shí)，獲得最低有效燃油消耗率BSFC為207.43 g/（kW·h），基于最低油耗點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)速掃點(diǎn)，在轉(zhuǎn)速為2 416 r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率最低，為203.85 g/（kW·h），有效熱效率約為41%，指示燃油消耗率193.41 g/（kW·h），指示熱效率為 43.3%。

2）在燃油消耗量最低點(diǎn)，NOx排放較低，實(shí)測(cè)NOx為306.46×10-6，而由于不完全燃燒會(huì)使HC呈一定上升趨勢(shì)。

3）應(yīng)用高效點(diǎn)火系統(tǒng)之后，可以提高燃燒過(guò)量空氣系數(shù)容許限值，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)量空氣系數(shù)1.6穩(wěn)定燃燒；由于沿用了基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)基本零部件，缸徑大，燃燒室高度小，限制了高效點(diǎn)火系統(tǒng)的潛力，且產(chǎn)品增壓器容量不適配稀薄燃燒技術(shù)，為驗(yàn)證均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高熱效率的可行性，后續(xù)會(huì)在小缸徑的熱力學(xué)單缸機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。