高能點(diǎn)火對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性的影響分析

顧啟凡，葉昌，李雪松，許敏

(上海交通大學(xué)汽車電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

隨著社會(huì)對(duì)能源和環(huán)境問(wèn)題的日益重視，更加高效低污染的發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)備受關(guān)注[1]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)工況的性能對(duì)排放、油耗和舒適性都有很大的影響，所以保證冷起動(dòng)工況的高性能對(duì)于提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能至關(guān)重要。發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)工況性能相對(duì)較差的一個(gè)重要原因是在冷起動(dòng)時(shí)燃燒不穩(wěn)定。在冷起動(dòng)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的殘余廢氣很多，這就導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)增加，從而燃燒惡化。要想發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)時(shí)燃燒穩(wěn)定，理論上可以適當(dāng)加濃混合氣，但是這樣可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率下降，與高效運(yùn)行的初衷相悖。提高點(diǎn)火能量可以獲得穩(wěn)定的初始火核，在加濃混合氣無(wú)法冷起動(dòng)的情況下，這一燃燒策略逐漸成為了行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)。

雖然點(diǎn)火能量的提高可以促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定，但是點(diǎn)火能量的提高幅度受限于發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)際搭載的點(diǎn)火系統(tǒng)。目前發(fā)動(dòng)機(jī)搭載的點(diǎn)火系統(tǒng)主要分為電容放電式點(diǎn)火裝置(簡(jiǎn)稱CDI點(diǎn)火裝置)和晶體管控制方式點(diǎn)火系統(tǒng)[2-6](簡(jiǎn)稱TCI點(diǎn)火裝置)。其中CDI點(diǎn)火效率高，能量密度大，擊穿能力強(qiáng)，但持續(xù)時(shí)間短，不適合稀混合氣；而TCI點(diǎn)火的火花持續(xù)時(shí)間比CDI點(diǎn)火要大得多，熱量累積效應(yīng)好，但是點(diǎn)火效率相對(duì)較低，多用于中低速發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)受到充電時(shí)間的限制，TCI點(diǎn)火能量往往不能大幅提高。

HUA ZHU[7]等用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)模擬火花塞間隙的等效離子通道電阻與火花放電發(fā)光階段的放電電流之間的關(guān)系，并使用模型參數(shù)來(lái)研究改變點(diǎn)火線圈設(shè)置帶來(lái)的影響。Dongwon Jung[8-9]等使用10個(gè)火花線圈的高能感應(yīng)點(diǎn)火系統(tǒng)增加火花放電能量，并且通過(guò)安裝在進(jìn)氣口中的定制適配器增強(qiáng)缸內(nèi)湍流水平，將稀薄極限從1.51提高到了1.9。陸海峰[10]等使用自行開(kāi)發(fā)的兩階段點(diǎn)火系統(tǒng)，在稀薄燃燒工況下研究了放電特性和各階段能量分配規(guī)律，使相對(duì)熱效率提高了10%。然而此前研究多針對(duì)單一火花放電模式和稀混合氣燃燒工況，未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放、油耗和舒適性相對(duì)較差的冷起動(dòng)工況進(jìn)行研究，而且燃燒情況也只單一利用燃燒分析儀導(dǎo)出的缸壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)于點(diǎn)火能量對(duì)混合氣初始火核形成和燃燒速率的影響并沒(méi)有進(jìn)行深入的研究。

本試驗(yàn)使用了高速彩色相機(jī)來(lái)記錄不同點(diǎn)火能量下缸內(nèi)的燃燒情況，以便對(duì)比研究每個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的火焰邊界，以此更加直觀地觀察點(diǎn)火能量對(duì)缸內(nèi)燃燒速率的影響。本研究的主要目的是研究提高點(diǎn)火能量對(duì)冷起動(dòng)工況下火花點(diǎn)火燃燒穩(wěn)定性的影響。研究利用自研高能點(diǎn)火系統(tǒng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火能量，在可視化單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上通過(guò)提高放電電流研究提高點(diǎn)火能量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)工況的影響，利用光學(xué)活塞和高速相機(jī)等光學(xué)儀器，記錄并分析點(diǎn)火能量對(duì)火核生成以及火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽?/p>

1 試驗(yàn)方法及臺(tái)架

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

本研究所用發(fā)動(dòng)機(jī)是在某量產(chǎn)4缸直噴汽油機(jī)的基礎(chǔ)上改造的單缸試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)，此試驗(yàn)機(jī)配備了獨(dú)立的進(jìn)排氣道，以防止其他3缸對(duì)試驗(yàn)缸的影響。試驗(yàn)機(jī)安裝有玻璃活塞，可以通過(guò)高速彩色相機(jī)和45度鏡對(duì)缸內(nèi)燃燒情況進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝。本研究所用的單缸光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)如圖1所示，參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)采用AVL交流測(cè)功機(jī)、Kistler 6125A壓力傳感器和Photron HX-5E高速彩色相機(jī)。

圖1 試驗(yàn)用單缸光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 高能量點(diǎn)火系統(tǒng)

本研究所用的高能量點(diǎn)火系統(tǒng)是在常用的晶體管控制方式點(diǎn)火系統(tǒng)(TCI)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的。高能量點(diǎn)火系統(tǒng)的電路原理見(jiàn)圖2。電路下半部分是一個(gè)傳統(tǒng)的TCI點(diǎn)火電路，上半部分是一個(gè)穩(wěn)壓模塊，穩(wěn)壓模塊可以使電路輸出電壓在0～2 500 V內(nèi)任意變化，下文中用點(diǎn)火電壓來(lái)表征點(diǎn)火能量，所用的點(diǎn)火電壓就是穩(wěn)壓模塊的電壓值。在兩個(gè)模塊外各增加了一個(gè)二極管，以防止這兩個(gè)模塊之間發(fā)生漏電現(xiàn)象。當(dāng)穩(wěn)壓模塊未啟用時(shí)整套系統(tǒng)就是一個(gè)單純的TCI點(diǎn)火系統(tǒng)，當(dāng)穩(wěn)壓模塊內(nèi)的電容充電保持為某一高壓時(shí)，火花塞被擊穿后電壓不會(huì)迅速降低，而是因?yàn)榉€(wěn)壓模塊的存在而保持在穩(wěn)壓模塊內(nèi)的電容電壓值，增加點(diǎn)火的能量。

圖2 高能量點(diǎn)火系統(tǒng)電路示意

1.3 試驗(yàn)工況

本研究通過(guò)AVL交流測(cè)功機(jī)以怠速轉(zhuǎn)速887 r/min驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，AVL冷卻液和潤(rùn)滑油供應(yīng)調(diào)節(jié)裝置將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液和油溫控制在30 ℃(不確定度±0.2 ℃)。這是為了模擬基于測(cè)功機(jī)的冷起動(dòng)測(cè)試，以表征催化劑預(yù)熱階段發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的性能。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度為887 r/min，進(jìn)氣壓力為55 kPa。噴油壓力為22 MPa，噴油時(shí)刻為302.9°BTDC，噴油脈寬為1.16 ms，點(diǎn)火時(shí)刻為20°BTDC，點(diǎn)火持續(xù)2 ms，依次采用常規(guī)點(diǎn)火能量、900 V、1 200 V、1 500 V和1 800 V高能量進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，具體試驗(yàn)工況如表2所示。表中配氣相位指的是當(dāng)進(jìn)(排)氣門(mén)升程為0.1 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

表2 試驗(yàn)工況參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 提高點(diǎn)火能量對(duì)缸內(nèi)點(diǎn)火火弧的影響

本研究的目的之一是探索在不同點(diǎn)火能量下缸內(nèi)點(diǎn)火火弧延伸發(fā)展的情況。由于汽油機(jī)的燃燒速度與初始火核的形成和火核的成長(zhǎng)速度密切相關(guān)，而初始火核的形成又與受氣流影響延伸發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火火弧長(zhǎng)度密切相關(guān)[11-13]，所以有必要對(duì)缸內(nèi)點(diǎn)火火弧的形成發(fā)展進(jìn)行探究。本研究使用高速彩色相機(jī)通過(guò)45度鏡對(duì)缸內(nèi)點(diǎn)火電弧進(jìn)行觀察，不同點(diǎn)火能量下火花塞發(fā)出點(diǎn)火火弧受氣流影響延伸發(fā)展情況如圖3所示。

圖3 不同點(diǎn)火能量下點(diǎn)火火弧對(duì)比

從圖3中可以清楚地看出，隨著點(diǎn)火能量的增加，受氣流影響延伸發(fā)展的點(diǎn)火火弧長(zhǎng)度明顯變長(zhǎng)，同時(shí)火焰顏色也逐漸變亮，從最初的淡紅色變成了亮白色。由于點(diǎn)火火弧的增長(zhǎng)，燃燒時(shí)初始火核面積會(huì)有顯著增加，理論上火焰燃燒速度更快[14]。

對(duì)比各個(gè)點(diǎn)火能量下的火弧情況，可以看到在常規(guī)點(diǎn)火能量下火弧不是很明顯，在圖片中比較難觀察到，而900 V、1 200 V和1 500 V點(diǎn)火能量下火弧可以清晰地觀察到，只是這三種情況差別不是很大，而當(dāng)高能量點(diǎn)火提高到1 800 V時(shí)，火弧面積較之前有了明顯的增大。

2.2 提高點(diǎn)火能量對(duì)缸內(nèi)燃燒速度的影響

為驗(yàn)證不同點(diǎn)火能量下缸內(nèi)燃燒速度的變化，使用高速彩色相機(jī)通過(guò)活塞下部安裝的45度鏡對(duì)缸內(nèi)燃燒情況進(jìn)行觀察。圖4示出在常規(guī)點(diǎn)火、1 200 V高能量點(diǎn)火和1 800 V高能量點(diǎn)火情況下的燃燒情況，其中框內(nèi)為缸內(nèi)可視區(qū)域。在部分初始圖片中，尤其是在火焰燃燒初始情況下的圖片中，火焰面積無(wú)法很明顯地分辨，為了更明顯地看出不同點(diǎn)火能量下火焰燃燒的速度，將初始圖片通過(guò)Matlab進(jìn)行處理，繪制每個(gè)時(shí)刻的燃燒邊界(見(jiàn)圖4)。從圖4中對(duì)比相同曲軸轉(zhuǎn)角下的燃燒邊界，可以明顯地發(fā)現(xiàn)，隨著點(diǎn)火能量的增加，燃燒速度有了明顯提高，尤其是從常規(guī)點(diǎn)火變成1 200 V高能點(diǎn)火，燃燒速度提高十分明顯。

圖4 不同點(diǎn)火能量，相同曲軸轉(zhuǎn)角下燃燒情況對(duì)比

從燃燒圖像中可以定性地判斷，隨著點(diǎn)火能量的提升，燃燒速度有所提升。為了確定燃燒速度提升的程度，對(duì)燃燒分析儀得到的缸壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。圖5示出了不同點(diǎn)火能量下火焰發(fā)展期(點(diǎn)火時(shí)刻到燃油消耗10%時(shí)的持續(xù)期)的變化，其中常規(guī)點(diǎn)火反映在橫坐標(biāo)中為400 V。從圖中可以看出，隨著點(diǎn)火能量的增大，火焰發(fā)展期逐漸縮短，這說(shuō)明在此工況下初始燃燒速度增加，這是由于初始火核的面積隨著點(diǎn)火能量的提升而增加。在分析點(diǎn)火火弧時(shí)發(fā)現(xiàn)，1 800 V高能量點(diǎn)火下點(diǎn)火火弧面積有明顯的增加，而在圖5中，1 800 V點(diǎn)火情況下火焰發(fā)展期縮短的幅度也非常大，在主燃期(燃油消耗10%時(shí)到燃油消耗90%時(shí)的持續(xù)期)和燃燒循環(huán)變動(dòng)也出現(xiàn)了同樣的趨勢(shì)。

圖5 點(diǎn)火能量對(duì)火焰發(fā)展期的影響

圖6示出不同點(diǎn)火能量下主燃期的變化，與常規(guī)點(diǎn)火相比，采用高能量點(diǎn)火裝置使得主燃期縮短，且隨著點(diǎn)火能量的增大，主燃期也持續(xù)縮短。

圖6 點(diǎn)火能量對(duì)主燃期的影響

圖7示出了在冷起動(dòng)測(cè)試中，不同點(diǎn)火能量下火焰發(fā)展期和主燃期的相位變化。顯然，較高的點(diǎn)火能量下，在相同點(diǎn)火正時(shí)的情況下，無(wú)論是CA10、CA50還是CA90對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角都在提前。在常規(guī)點(diǎn)火情況下，火焰發(fā)展期結(jié)束時(shí)刻(CA10)為8.1°曲軸轉(zhuǎn)角，燃燒中段時(shí)刻(CA50)為27.1°曲軸轉(zhuǎn)角，主燃期結(jié)束時(shí)刻(CA90)為40°曲軸轉(zhuǎn)角；而當(dāng)點(diǎn)火電壓提高到1 800 V時(shí)，火焰發(fā)展期在6.3°曲軸轉(zhuǎn)角就已經(jīng)結(jié)束，在20.3°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)火焰發(fā)展已到中期，在29.8°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻主燃期就已經(jīng)基本結(jié)束了。由此可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)點(diǎn)火能量增加時(shí)，無(wú)論是主燃期開(kāi)始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻都在前移，且火焰發(fā)展期和主燃期的持續(xù)時(shí)間也都在縮短，這是由于高點(diǎn)火能量導(dǎo)致了受氣流影響延伸發(fā)展的點(diǎn)火火弧長(zhǎng)度更長(zhǎng)，初始的點(diǎn)火火核的面積增加引起的。

圖7 點(diǎn)火能量對(duì)ST、CA10、CA50、CA90持續(xù)時(shí)間的影響

從圖8中可以看出，火焰發(fā)展期和主燃期的持續(xù)時(shí)間近乎線性關(guān)系。當(dāng)點(diǎn)火能量逐級(jí)提升，初始火核面積增加導(dǎo)致缸內(nèi)火焰早期燃燒得到了改善，即火焰發(fā)展期的時(shí)間縮短；火焰早期燃燒優(yōu)化必定使得缸內(nèi)火焰整體燃燒提前且燃燒速度更快，這也就導(dǎo)致了主燃期的持續(xù)時(shí)間縮短。

圖8 火焰發(fā)展期與主燃期之間的關(guān)系

2.3 提高點(diǎn)火能量對(duì)缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性的影響

為保證試驗(yàn)的可重復(fù)性，本研究在各組點(diǎn)火能量下選取100個(gè)循環(huán)的累計(jì)放熱情況與其平均累計(jì)放熱進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9a所示。圖中灰色曲線為100個(gè)循環(huán)的累計(jì)放熱曲線，而黑色曲線則是各工況下的平均累計(jì)放熱曲線。缸壓對(duì)比如圖9b所示。

圖9 100個(gè)循環(huán)缸壓和累計(jì)放熱曲線與平均值曲線比較

從圖中可以看出，隨著點(diǎn)火能量的增加，在該工況下累計(jì)放熱量曲線的循環(huán)變化逐漸減小。在常規(guī)點(diǎn)火下，存在部分燃燒和失火循環(huán)，對(duì)應(yīng)于比平均值明顯低的總熱量釋放或者接近于零的累計(jì)放熱量曲線；另一方面，還觀察到許多比平均值高的累計(jì)放熱量曲線，其前面是低于平均值的累計(jì)放熱量曲線。發(fā)生這種情況是因?yàn)槿剂显谇耙粋€(gè)循環(huán)并未完全燃燒，這部分未燃燒的燃料進(jìn)入了下一個(gè)循環(huán)，殘余燃料使得這個(gè)循環(huán)的燃燒量更大，所以累計(jì)放熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均值。當(dāng)采用900 V電壓的高能量點(diǎn)火時(shí)，與常規(guī)點(diǎn)火相比，部分燃燒和失火循環(huán)的數(shù)量有所減少，循環(huán)累計(jì)放熱量的最大值也略有下降?？v向?qū)Ρ雀鱾€(gè)點(diǎn)火能量下累計(jì)放熱曲線，可以清楚地看出，隨著點(diǎn)火能量的提高，部分燃燒和失火循環(huán)的數(shù)量顯著減少，循環(huán)放熱量逐漸接近于平均值。當(dāng)使用1 800 V高能量點(diǎn)火時(shí)，100個(gè)循環(huán)的累計(jì)放熱量曲線都已經(jīng)很逼近于平均值，基本不存在部分燃燒和失火循環(huán)了。

如圖9b所示，在常規(guī)點(diǎn)火的冷起動(dòng)測(cè)試中，可以觀察到雙峰壓力曲線，說(shuō)明在冷起動(dòng)條件的典型穩(wěn)定階段，早期燃燒發(fā)展不良。圖10示出不同點(diǎn)火能量下的平均缸壓曲線，點(diǎn)火能量提高后，雙峰現(xiàn)象逐漸消失，且峰值壓力升高，說(shuō)明隨著點(diǎn)火能量的提高，平均燃燒性能會(huì)有所提高，峰值壓力也會(huì)逐漸變高。

圖10 點(diǎn)火能量對(duì)缸壓平均值的影響

從累計(jì)放熱量曲線和缸壓曲線可以定性判斷出提高點(diǎn)火能量可以減少燃燒的循環(huán)變動(dòng)，提高燃燒的穩(wěn)定性[16-19]。為定量分析點(diǎn)火能量對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)火能量下平均有效壓力的循環(huán)變動(dòng)值(IMEP_COV)，結(jié)果如圖11所示。對(duì)于怠速冷起動(dòng)工況，IMEP_COV<10%可以認(rèn)為燃燒穩(wěn)定。從圖11可以看出，常規(guī)點(diǎn)火情況下IMEP_COV=14.85%，燃燒并不穩(wěn)定，但是隨著點(diǎn)火能量提高，IMEP_COV的數(shù)值逐漸減小，當(dāng)點(diǎn)火能量提高到1 200 V時(shí)，IMEP_COV=9.41%，燃燒趨于穩(wěn)定，將點(diǎn)火能量提高到1 800 V時(shí)，IMEP_COV下降到4.22%，燃燒相當(dāng)穩(wěn)定。由圖11可知，提高點(diǎn)火能量可以顯著地提高燃燒的穩(wěn)定性。

圖11 點(diǎn)火能量對(duì)燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響

3 結(jié)論

a)火焰發(fā)展期的燃燒速度與初始火核的形成有著密切的關(guān)系，而初始火核的面積受點(diǎn)火能量影響很大；隨著點(diǎn)火能量的增加，受氣流影響延伸發(fā)展的火弧長(zhǎng)度大幅增加，初始火核面積也大幅增加；

b)火焰發(fā)展期和主燃期之間有相對(duì)良好的相關(guān)性，點(diǎn)火能量增加會(huì)使火焰發(fā)展期和主燃期都縮短，顯著提高燃燒速度；

c)提高點(diǎn)火能量可以顯著地提升燃燒的穩(wěn)定性，隨著點(diǎn)火能量的提高，未燃燒循環(huán)和失火循環(huán)的數(shù)量會(huì)明顯減少，燃燒循環(huán)變動(dòng)從14.85%減少到4.22%。