汽油發(fā)動機(jī)低溫燃燒技術(shù)研究進(jìn)展

宮艷峰 錢丁超

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司 研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：汽油機(jī) 低溫燃燒 直噴噴霧 CFD仿真 火花助燃壓燃

1 前言

汽油低溫燃燒可以降低發(fā)動機(jī)的傳熱損失，提高燃燒的定容度，實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)類似甚至更高的熱效率，同時(shí)會獲得非常低的NOx和PM排放[1-2]。汽油低溫燃燒是通過控制汽油與空氣混合氣的溫度與壓力實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)著火，與傳統(tǒng)汽油機(jī)的火焰?zhèn)鞑ミ^程相比，燃燒速度快，時(shí)間損失少。低溫燃燒的難點(diǎn)是著火時(shí)刻的準(zhǔn)確控制。目前，內(nèi)燃機(jī)工作者一直在進(jìn)行著低溫燃燒的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

由美國能源部汽車技術(shù)辦公室提供支持，圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合通用、康明斯、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）、紐約州立大學(xué)石溪分校等多個伙伴進(jìn)行了汽油低溫燃燒技術(shù)的研究。涉及的內(nèi)容包括汽油的噴霧分析、低溫燃燒的數(shù)值模擬以及單缸機(jī)實(shí)驗(yàn)研究，還對創(chuàng)新型的點(diǎn)火技術(shù)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。

這一系列汽油低溫燃燒研究旨在通過熱力學(xué)和光學(xué)發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對汽油低溫燃燒機(jī)理充分的理解與建模，為工業(yè)界提供開發(fā)汽油低溫燃燒發(fā)動機(jī)所需要的理論指導(dǎo)，在理論的指導(dǎo)下，重點(diǎn)解決汽油低溫快速燃燒的瞬態(tài)控制問題，揭示燃料對自燃點(diǎn)火和燃燒過程的化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)過程影響的基本原理，以及實(shí)現(xiàn)火花輔助的低溫燃燒和低溫燃燒冷起動技術(shù)改善。

2 低溫燃燒的噴霧研究

無論對點(diǎn)燃式或壓燃式燃燒，燃油的噴霧特性都直接影響了發(fā)動機(jī)的燃燒過程和排放特性，并最終影響發(fā)動機(jī)的熱效率。大規(guī)模量產(chǎn)的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的噴油壓力從最初的15 MPa，逐步發(fā)展到今天的35 MPa，而且有進(jìn)一步提高的趨勢。未來，50 MPa甚至100 MPa噴油壓力的噴油器可能會在汽油機(jī)上得到應(yīng)用。這為汽油低溫燃燒的著火控制和排放物控制也會有很大好處。

為充分理解汽油直噴的特點(diǎn)，改善CFD計(jì)算模型，圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室對汽油的噴霧進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用的定容彈溫度調(diào)節(jié)范圍是300～1 300 K，最大承受壓力35 MPa，通過EGR（廢氣再循環(huán)）可以實(shí)現(xiàn)O2濃度在0～21%的范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)[3]。

采用高波束掃描消光成像診斷的方法，利用CMOS傳感器拍攝油束中的C70富勒烯示蹤粒子可以分析汽油的噴霧特性，確定燃油噴射的質(zhì)量。利用燃油噴霧的對稱性，通過層析圖像倒置，能夠反映出準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)混合氣沿中心面的質(zhì)量分布。

目前，比較一致的觀點(diǎn)是，化學(xué)當(dāng)量比下汽油燃燒的碳煙形成主要是由于活塞或燃燒室表面的擴(kuò)散燃燒、油膜蒸發(fā)時(shí)在附近形成的油窩以及缺氧條件下的燃油熱解。圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室利用漫反射消光成像后進(jìn)行的碳煙排放積分處理顯示，即使在高富氧區(qū)，汽油噴射熱解條件下仍有碳煙生成。1 600 K時(shí)，噴油持續(xù)時(shí)間350 μs、汽油比例0.04時(shí)可以測試到碳煙排放。

在化學(xué)當(dāng)量比下，汽油直噴過程會因?yàn)槿加妥脖趯?dǎo)致的燃料熱解形成碳煙。火焰經(jīng)過油膜后的幾毫秒，油膜會產(chǎn)生碳煙并從壁面脫離。可以選擇兩次噴射的方法來避免燃油的撞壁，因?yàn)榈诙螄娪拖喈?dāng)于重置了燃油噴射的噴霧角度，通過降低貫穿噴霧距離來降低燃油撞壁，第二次噴油對混合也非常有好處。

圖1所示是不同噴油持續(xù)時(shí)間的燃油角度變化歷程以及兩次噴油后的噴霧角度變化。從圖1（a）中可以明顯的看到，隨著噴油持續(xù)時(shí)間的延長，雖然油束角度有一定向中心收縮的趨勢，但是遠(yuǎn)端的油束仍然沒有蒸發(fā)，這就很容易造成燃油的濕壁。圖1（b）所示是噴霧油束角度隨時(shí)間的變化情況，通過燃油的第二次噴射，油束的角度雖然有一定的向外調(diào)整，但是蒸發(fā)加快，貫穿距離變小，這就有效避免了燃油撞壁以及碳煙的形成。

圖1 噴霧層析處理效果[3]

在多次噴油的情況下，噴霧中心區(qū)域的氣流速度有明顯降低，如圖2所示。這會有利于阻止油束向中心區(qū)域塌陷，從而提高燃油與空氣的混合質(zhì)量。在單次噴油與兩次噴油的試驗(yàn)對比中，也很容易得出這樣的結(jié)論：兩次噴油可有效降低燃油的噴射速度，不同油束間的速度分布更加均勻，這些都能提高燃油與空氣的混合，從而為汽油的低溫燃燒提供更好的混合氣。這些細(xì)致的噴霧測試過程能夠?yàn)檠芯康蜏厝紵臄?shù)值模擬和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的參考。

圖2 不同噴油條件下軸向燃油速度對比[3]

3 低溫燃燒的CFD分析

三維數(shù)值模擬技術(shù)在發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)開發(fā)過程中發(fā)揮著重要的作用。三維模擬能夠準(zhǔn)確的預(yù)測燃燒室內(nèi)燃油的噴霧、混合過程，以及混合氣的燃燒與有害氣體的生成過程。點(diǎn)燃式汽油機(jī)更多關(guān)注氣缸內(nèi)的滾流比和湍動能等氣流運(yùn)動特性，這將直接決定燃燒室內(nèi)火核的形成和火焰?zhèn)鞑ヌ卣?。而低溫燃燒則更多關(guān)注混合氣的分布與溫度的變化歷程，因?yàn)闇囟鹊淖兓瘜旌蠚獾幕瘜W(xué)動力學(xué)過程影響很大，并最終決定低溫燃燒的特征。

在發(fā)動機(jī)不同的運(yùn)行條件下，通過精確控制燃油的分層分布，實(shí)現(xiàn)化學(xué)動力學(xué)控制的稀釋混合氣壓燃是實(shí)現(xiàn)低溫燃燒的重要技術(shù)手段之一。在發(fā)動機(jī)的小負(fù)荷工況，當(dāng)發(fā)動機(jī)的平均指示壓力（IMEP）低于1 MPa時(shí)，采用汽油低溫燃燒模式來提高發(fā)動機(jī)的熱效率，當(dāng)發(fā)動機(jī)的IMEP升高到2 MPa時(shí)，發(fā)動機(jī)仍然能實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，此時(shí)氣缸內(nèi)燃燒的最大爆發(fā)壓力可以達(dá)到15 MPa。

圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室希望通過缸內(nèi)過程的CFD模擬分析來支持進(jìn)一步的發(fā)動機(jī)臺架實(shí)驗(yàn)，利用CHEMKIN計(jì)算軟件分析低溫燃燒的化學(xué)過程中空燃比和辛烷值敏感性，最終開發(fā)出新的燃燒過程控制技術(shù)。目前，圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室與LLNL完成了不確定性量化分析（UQ），即對不確定性邊界條件進(jìn)行建模分析；與紐約州立大學(xué)石溪分校啟動CFD聯(lián)合建模；與LLNL合作改進(jìn)動力學(xué)模型和汽油替代品計(jì)算參數(shù)[4]。

該研究是通過數(shù)值模擬計(jì)算與發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，實(shí)現(xiàn)對計(jì)算模型的優(yōu)化完善。汽油低溫燃燒單缸機(jī)是利用康明斯B系列中型柴油機(jī)改制的，發(fā)動機(jī)氣缸直徑是102 mm，沖程是120 mm，排量是0.98 L，壓縮比是14:1，供油系統(tǒng)采用汽油缸內(nèi)直噴的形式，可實(shí)現(xiàn)火花助燃，單缸發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。

利用CONVERGE三維模擬軟件進(jìn)行大渦計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對低溫燃燒過程的精確模擬。模擬的缸內(nèi)壓力與最大爆發(fā)壓力結(jié)果如圖3所示，5個循環(huán)過程中僅有一個超出了實(shí)驗(yàn)測得的區(qū)域。

圖3 大渦模擬缸內(nèi)壓力與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的對比[4]

對低溫汽油燃燒而言，理解熱分層的機(jī)理非常重要，因?yàn)閺?qiáng)化熱分層可以擴(kuò)展發(fā)動機(jī)的負(fù)荷范圍。熱分層主要是由大渦湍流導(dǎo)致的，在壓縮沖程的早期，大渦湍流就與傳熱作用共同引起了熱分層。溫度在燃燒室內(nèi)的分層分布，有利于自燃燃燒速度的控制。熱分層研究的重點(diǎn)是利用CFD分析強(qiáng)化熱分層的方法，大渦流動對傳熱損失的影響以及如何利用噴油策略改善燃油分層分布。

勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了能夠準(zhǔn)確預(yù)測低溫燃燒過程的熱力學(xué)計(jì)算模型，并利用E10（含10%體積比的乙醇汽油）對模型的計(jì)算準(zhǔn)確性進(jìn)行了評估。這個新的模型和燃料參數(shù)能夠準(zhǔn)確的計(jì)算50%放熱率的位置和發(fā)動機(jī)的瞬時(shí)放熱率[4]。

利用CHEMKIN的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理，研究人員也研究了當(dāng)量比敏感性、中間階段反應(yīng)放熱率以及這些過程對辛烷值的敏感性，研究了EGR與缸內(nèi)壓力等參數(shù)對當(dāng)量比敏感度的影響。如圖4所示，缸內(nèi)壓力或氧含量越高，當(dāng)量比敏感度越高。揭示出同時(shí)提高E10乙醇汽油當(dāng)量比敏感性和辛烷值敏感性的潛力，同時(shí)指出，2-丁醇是具有高潛力替代性的燃料。圖5所示為配置的高辛烷值高當(dāng)量比敏感度混合燃料的敏感度特性，混合燃料含17.5%的己烷、22.5%的2-甲基已烷、30%的對二甲苯和30%的2-丁醇。該燃料的辛烷值可以達(dá)到98.7。

圖4 缸內(nèi)壓力與氧含量對當(dāng)量比敏感度的影響[5]

圖5 燃料當(dāng)量比敏感度特性[4]

低溫燃燒的控制是最具挑戰(zhàn)的。該項(xiàng)目同時(shí)利用點(diǎn)火能量和添加劑來實(shí)現(xiàn)低溫燃燒工況的瞬態(tài)轉(zhuǎn)換。目前使用的添加劑是硝酸2-乙基己酯（EHN），也可以使用二叔丁基過氧化物（DTBP），而且NOx不會增加。預(yù)計(jì)在輕型車上每7 000英里添加幾個加侖，因?yàn)樵诖筘?fù)荷的情況下需求量更少，所以中型和重型上的使用會更少。項(xiàng)目也開發(fā)了適用于添加劑的噴油系統(tǒng)，但是仍需對其進(jìn)行深入的開發(fā)。

使用常規(guī)E10與進(jìn)氣壓力在0.1 MPa的情況下，需要加熱到150℃才能實(shí)現(xiàn)壓燃。使用添加劑后則不需要進(jìn)氣加熱或熱的殘余廢氣加熱。通過調(diào)整EHN的比例可以非常容易實(shí)現(xiàn)50%放熱位置的調(diào)整。較低的進(jìn)氣溫度還可以增加進(jìn)氣量，獲得更高的平均指示壓力（IMEP）。因?yàn)榛旌蠚飧?，所以燃燒過程的比熱比增加，傳熱降低，發(fā)動機(jī)的熱效率提高1.6%，如圖6所示。使用EHN后，NOx排放略有提高，如果使用DTBP，發(fā)動機(jī)的NOx排放會大幅降低。不同的添加劑混合燃油噴射（AMFI）系統(tǒng)同樣可以實(shí)現(xiàn)對增壓發(fā)動機(jī)CA50的良好控制。

圖6 添加劑對熱效率的影響[4]

4 低溫燃燒火花助燃技術(shù)

均質(zhì)壓燃（HCCI）是實(shí)現(xiàn)低溫燃燒最常用的方式，氣缸內(nèi)的溫度和混合氣的濃度是控制低溫燃燒的兩個重要參數(shù)。與火花點(diǎn)火可以準(zhǔn)確控制點(diǎn)火時(shí)刻不同，低溫燃燒的燃燒過程難度非常大，燃燒相位和燃燒穩(wěn)定性都是控制的難點(diǎn)問題。所以，到目前為止，還沒有開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)全工況范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒的低溫燃燒系統(tǒng)。鑒于此，工程師們提出了火花助燃的概念，在一定的條件下，通過火花塞的點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)對低溫燃燒的輔助，這樣對擴(kuò)大低溫燃燒的工作范圍將會有非常大的幫助。

目前，火花塞助燃壓燃（Spark Assisted Compression Ignition，SACI）這一概念被認(rèn)為是傳統(tǒng)點(diǎn)燃式預(yù)混燃燒與汽油壓燃之間重要的過渡階段技術(shù)，這也是今后一段時(shí)間燃燒領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室對不同的點(diǎn)火助燃系統(tǒng)也進(jìn)行了基礎(chǔ)性的計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)研究。包括瞬時(shí)離子放電特性的定量分析、臭氧加速燃燒、湍流噴射點(diǎn)火技術(shù)[6]。

圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室將一臺康明斯B系列六缸柴油機(jī)進(jìn)行改裝，加裝點(diǎn)火系統(tǒng)，只使用其中一缸進(jìn)行單缸機(jī)試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)氣缸直徑是102 mm，沖程是120 mm，單缸排量是0.98 L，壓縮比是16:1，火花塞點(diǎn)火能量為93 mJ[7]。在使用火花塞助燃時(shí)，理想的火花塞安裝位置應(yīng)該為氣缸中心，這樣可以盡可能增大有效火焰面，減少壁面淬熄帶來的傳熱損失。但由于試驗(yàn)單缸機(jī)保留了缸蓋中心的GDI噴嘴，安裝火花塞時(shí)又需避開冷卻水套和油道，最終將火花塞安裝在一側(cè)進(jìn)氣門和排氣門之間、距離氣缸中心42 mm處。試驗(yàn)時(shí)發(fā)動機(jī)壓縮比為16，進(jìn)氣壓力為0.1 MPa，燃空當(dāng)量比為0.42。低溫燃燒時(shí)進(jìn)氣溫度降低會使得燃料自燃傾向降低，采用火花塞輔助點(diǎn)火后就可以通過增大點(diǎn)火提前角來增加火焰?zhèn)鞑r(shí)間，從而通過火焰前鋒來補(bǔ)償一部分熱量，促進(jìn)剩余大部分燃料壓燃。進(jìn)氣溫度降低越多，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍降?，點(diǎn)火時(shí)刻的提前幅度也越大。如圖7（a）所示，進(jìn)氣溫度越低點(diǎn)火時(shí)刻越早，保留到壓燃階段的工質(zhì)數(shù)量也越少，因此缸內(nèi)壓力峰值與放熱率峰值越小，但進(jìn)氣溫度100°C時(shí)例外，這可能是由于該點(diǎn)火時(shí)刻下CA50時(shí)刻略有提前。

圖7 壓燃和火花輔助點(diǎn)火的缸壓與放熱率對比[7]

在離子放電特性分析中，通過實(shí)驗(yàn)手段測試出了放電電壓與能量變化之間的定量關(guān)系，并建立了陰陽極間放電形態(tài)與氧濃度的計(jì)算模型，如圖8所示，計(jì)算獲得的放電帶狀結(jié)構(gòu)和氧濃度分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合，從而為瞬時(shí)離子發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了方便。

圖8 離子放電模擬結(jié)果[6]

在一臺單缸機(jī)上研究了在進(jìn)氣中引入臭氧對SACI模式下發(fā)動機(jī)性能和排放特性的影響，研究表明添加臭氧可以在不大量加熱進(jìn)氣或分層燃燒的前提下提高燃燒穩(wěn)定性，從而拓寬SACI模式的使用范圍[8]。此外，對臭氧加速燃燒的機(jī)理進(jìn)行研究，主要是確定不同的臭氧濃度下燃燒速度的變化，建立能夠更加準(zhǔn)確預(yù)測燃油與空氣混合氣體的化學(xué)動力學(xué)過程。

湍流噴射點(diǎn)火的概念是通過在預(yù)燃室內(nèi)點(diǎn)燃可燃混合氣，高溫高壓的氣體通過連接預(yù)燃室與主燃燒室的小孔噴入主燃燒室，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)燃燒。

5 結(jié)束語

汽油低溫燃燒技術(shù)是未來內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒的有效技術(shù)途徑之一。本文介紹了汽油低溫燃燒領(lǐng)域的最新研究成果，研究內(nèi)容包括噴霧特性、CFD仿真分析、單缸機(jī)實(shí)驗(yàn)與火花助燃技術(shù)等，這些研究成果為汽油低溫燃燒發(fā)動機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)提供了理論指導(dǎo)。隨著相關(guān)研究的深入，汽油低溫燃燒相位控制、燃燒穩(wěn)定性等問題將有希望逐步得到解決，從而在較大工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒，促進(jìn)低溫燃燒技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品上推廣應(yīng)用。本文的重點(diǎn)結(jié)論如下：

（1）燃油多次噴射能夠有效避免燃油撞壁現(xiàn)象的發(fā)生，降低碳煙的形成，多次噴射也更容易實(shí)現(xiàn)更加均勻的速度分布，對低溫燃燒混合氣的形成更加有利；

（2）數(shù)值模擬是低溫燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要的輔助工具，目前開發(fā)的低溫燃燒模型已經(jīng)能夠準(zhǔn)確的預(yù)測低溫燃燒過程和缸內(nèi)壓力的變化。利用數(shù)值模擬技術(shù)也能夠模擬出各種添加劑對低溫燃燒的改善效果；

（3）火花助燃是有效控制低溫燃燒過程的技術(shù)手段之一，帶有火花塞的低溫燃燒系統(tǒng)是未來發(fā)展的重要趨勢。