主動預(yù)燃室式直噴汽油機(jī)稀薄燃燒性能研究

楊 玻

（四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

稀薄燃燒主要是指發(fā)動機(jī)在現(xiàn)實(shí)和理論空燃比條件下的燃燒，促進(jìn)燃燒更加完全，同時采用科學(xué)合理的排放控制措施，有效減少汽油機(jī)有害排放物質(zhì)，促進(jìn)發(fā)動機(jī)具有較高的熱效率，呈現(xiàn)出良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 研究意義

新時代發(fā)展背景下，各個國家和地區(qū)更加關(guān)注和重視車輛油耗排放問題，針對實(shí)際情況制定嚴(yán)格的法律規(guī)定。混合動力、代替燃料、高效率純內(nèi)燃機(jī)車是將來內(nèi)燃機(jī)有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的主要途徑。稀薄燃燒技術(shù)具有自身獨(dú)特的前瞻價值，有效進(jìn)行高效發(fā)動機(jī)和當(dāng)量比燃燒的比較，主要向氣缸內(nèi)部增加相應(yīng)的新鮮空氣，全面增加缸內(nèi)混合器比熱容，有效提高理論熱效率，降低泵氣損失量，同時有效減少缸內(nèi)問題，實(shí)現(xiàn)傳熱損失減少的目的[1]。同時，稀薄燃燒能降低缸內(nèi)溫度，對缸內(nèi)混合物自燃起到良好的抑制作用，最大程度避免出現(xiàn)爆震現(xiàn)象，進(jìn)一步有效提高壓縮比。稀薄燃燒技術(shù)在泵氣、傳熱損失減少、混合器比熱容和壓縮比增加的影響下，有效拓展到45%～50%的發(fā)動機(jī)有效熱效率。

缸內(nèi)混合氣受到過量空氣的稀釋影響，不斷減慢燃燒速度，增加其自燃難度，采用以往火花塞點(diǎn)燃不能高效拓展稀薄燃燒極限，難以有效挖掘其節(jié)油效能。因此，人們加大不同點(diǎn)火形式下發(fā)動機(jī)燃燒和排放性能的研究力度，積極探究主動預(yù)燃室拓展稀薄燃燒極限的各種相關(guān)影響因素，逐漸出現(xiàn)了電暈、等離子、微波、預(yù)燃室等點(diǎn)火技術(shù)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究充分表明了，等離子點(diǎn)火能夠有效加快燃燒速度，拓展稀燃極限。但是，該種點(diǎn)火技術(shù)產(chǎn)生較多的NOx，點(diǎn)燃系統(tǒng)容易受到相關(guān)因素的影響，出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，同時和發(fā)動機(jī)控制和測量單元形成信號干涉。預(yù)燃室點(diǎn)火技術(shù)能夠有效增強(qiáng)點(diǎn)火的安全穩(wěn)定性，增加燃燒速度，減少發(fā)動機(jī)油量損耗，同時減少NOx的排放量，呈現(xiàn)出良好的潛力優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)高燃效、低排放效果。

2 直噴汽油機(jī)稀薄燃燒技術(shù)優(yōu)勢

汽油機(jī)稀薄燃燒在能源緊缺和環(huán)境污染的壓力下，不斷轉(zhuǎn)變其燃燒模式，突破傳統(tǒng)汽油機(jī)工作模式，保證發(fā)動機(jī)正常使用性能的基礎(chǔ)上，采用稀薄混合氣燃燒，有效減少其油耗，降低尾氣排放量，獲得更好的燃燒經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)效益。缸內(nèi)直接汽油噴射是汽油機(jī)稀薄燃燒的有效措施，在保持汽缸充量幾乎不變的情況下，發(fā)動機(jī)工況轉(zhuǎn)變應(yīng)用質(zhì)調(diào)節(jié)，有效減少節(jié)氣門產(chǎn)生的節(jié)流損失，全面提升發(fā)動機(jī)效率。缸內(nèi)直噴充量分層燃燒技術(shù)，在壓縮行程后期將燃油噴入氣缸，有效配合缸內(nèi)氣流運(yùn)動，達(dá)到混合氣分層稀燃效果，在全負(fù)荷的情況下，進(jìn)氣行程中噴入燃油，應(yīng)用化學(xué)當(dāng)量比，有效達(dá)到均質(zhì)混燃燒效果，保持其功率高優(yōu)勢。

燃油的汽化前熱能有效減小混合氣容積、溫度，對發(fā)動機(jī)的充氣效率、爆震趨勢產(chǎn)生直接影響。缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)的燃油直接噴入氣缸，在其周邊空氣吸收熱量蒸發(fā)，有效降低氣缸內(nèi)部的溫度，提升充氣效率。另外，直噴式汽油機(jī)能夠?qū)⑷加椭苯訃娙霘飧?，有效防止進(jìn)氣道產(chǎn)生濕壁等問題，精準(zhǔn)計(jì)量每一個燃燒循環(huán)供給的燃油，有效減少冷啟動過程中HC的排放，加快發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)速度，發(fā)動機(jī)通常在兩個工作循環(huán)內(nèi)進(jìn)行安全順利的啟動[2]。因此，直噴汽油機(jī)稀薄燃燒技術(shù)自身具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢，需要人們不斷研究和分析主動預(yù)燃室式直噴汽油機(jī)稀薄燃燒技術(shù)，結(jié)合精準(zhǔn)的現(xiàn)代化先進(jìn)電控技術(shù)，全面提升汽油機(jī)整體性能。

3 主動預(yù)燃室式直噴汽油機(jī)稀薄燃燒性能研究

現(xiàn)階段，相關(guān)專家對氣體燃料發(fā)動機(jī)預(yù)燃室技術(shù)進(jìn)行了深層次的研究和分析工作，獲得了一定的研究成果。筆者設(shè)計(jì)相應(yīng)的主動預(yù)燃室點(diǎn)火系統(tǒng)，針對單缸直噴汽油發(fā)動機(jī)，對比試驗(yàn)分析火花塞、主動預(yù)燃室兩種點(diǎn)火形式，探究其拓展稀燃極限的內(nèi)在潛能，詳細(xì)分析汽油機(jī)稀薄燃燒時穩(wěn)定性的主要影響因素，提高預(yù)燃室點(diǎn)火技術(shù)和汽油機(jī)稀薄燃燒應(yīng)用效果。

3.1 發(fā)動機(jī)和設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)用

相關(guān)試驗(yàn)研究人員在實(shí)際工作中科學(xué)合理地設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)和設(shè)備，采用配 35 MPa 噴射系統(tǒng)的單缸試驗(yàn)機(jī)，同時配合相適應(yīng)的預(yù)燃室點(diǎn)火系統(tǒng)。研究人員自行設(shè)計(jì)火花塞、帶噴油器的主動預(yù)燃室系統(tǒng)，在單缸機(jī)缸蓋上進(jìn)行合理安裝。同時，研究人員結(jié)合試驗(yàn)研究的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的預(yù)燃室參數(shù)，主要為主動預(yù)燃室，保持2.8%的預(yù)燃室和主燃室容積比、1.25 mm的噴孔孔徑、6個孔數(shù)、0.06孔體積和面積比、90°噴孔錐角。另外，試驗(yàn)研究人員在主燃室、預(yù)燃室中選擇相應(yīng)地用 KISTLER 6054B 型和火花塞集成式兩種缸壓傳感器，創(chuàng)建獨(dú)特的預(yù)燃式雙缸壓采集系統(tǒng)[3]。同時，試驗(yàn)人員針對進(jìn)氣壓力和溫度應(yīng)用進(jìn)氣模擬增壓系統(tǒng)進(jìn)行合理有效管控，應(yīng)用可編程的時序控制模塊有效調(diào)整噴油和點(diǎn)火時刻、噴油量。試驗(yàn)研究儀器設(shè)備還包含油耗儀、排放分析儀、測功機(jī)、AVL臺架測控系統(tǒng)和燃燒分析儀等相關(guān)設(shè)備。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)研究人員選擇發(fā)動機(jī)日常具有代表性的最低油耗點(diǎn)工況2 750 r/min、平均指示壓力1.1 MPa工況，主要研究和分析火花塞、主動預(yù)燃室下在不同過量空氣系數(shù)下燃燒速度、油量損耗、排放性能，同時探究壓縮比的提高對稀薄燃燒極限拓展產(chǎn)生的影響。試驗(yàn)人員在實(shí)踐操作中，對進(jìn)氣量、油耗量進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，促進(jìn)過量空氣系統(tǒng)從1.0逐漸增加到2.1，同時在試驗(yàn)研究過程中，選擇不同工況最優(yōu)點(diǎn)火角，保持缸內(nèi)壓升率小于0.6 MPa/h，同時有效控制燃燒循環(huán)變動率不超過3%，在試驗(yàn)中冷口的進(jìn)氣溫度在29 ℃～35 ℃之間、冷卻水溫度在66 ℃～70 ℃之間。試驗(yàn)人員為了便于定量對比燃燒性能，定義滯燃期，主要為CA10 — IGN火花塞點(diǎn)火時刻到缸內(nèi)累計(jì)放熱量達(dá)到 10% 時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；定義燃燒中心，主要為CA50缸內(nèi)累積放熱量達(dá)到 50% 時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；定義燃燒持續(xù)期，主要為CA10 — CA90缸內(nèi)累積放熱量從 10% 到 90% 經(jīng)過的曲軸轉(zhuǎn)角。同時，本次試驗(yàn)中壓縮上止點(diǎn)對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為0°，正值為上止點(diǎn)后數(shù)值、負(fù)值為上止點(diǎn)前數(shù)值[4]。

3.3 火花塞式點(diǎn)火直噴汽油機(jī)稀薄燃燒性能分析

試驗(yàn)人員應(yīng)用火花塞式點(diǎn)火系統(tǒng)，在不同過量空氣系數(shù)下對比分析發(fā)動機(jī)燃燒和排放性能。當(dāng)恒定負(fù)荷工況下，發(fā)動機(jī)的油耗受到過量空氣系數(shù)的影響，過量空氣系數(shù)增加的條件下，其油耗呈現(xiàn)出顯著減少的趨勢，同時熱效率連續(xù)上升。壓縮比在12.47時，采用該種點(diǎn)火系統(tǒng)，指示油耗率從過量空氣系數(shù)1.0的情況下，保持的 207 g／（kW·h）下降到過量空氣系數(shù)為 1.5 時 的 190 g／（kW·h），指示熱效率由41%升高到45%。缸內(nèi)不斷增加新鮮空氣的情況下，有效降低缸內(nèi)溫度和反應(yīng)活性，增加沒有燃燒的碳?xì)浠衔锱欧帕亢透變?nèi)氧氣含量[5]。同時，鈷元素和顆粒物后期氧化速率增高、數(shù)量排放降低，隨著過量空氣系數(shù)的加大，氮氧化合物排放增加之后減小，當(dāng)過量系數(shù)1.1時增加到最高值。空氣系數(shù)持續(xù)增加的條件下，氧氣濃度繼續(xù)增加，但是受到缸內(nèi)溫度降低的作用，逐漸降低了氮氧化合物的排放量。

試驗(yàn)人員采用火花塞點(diǎn)火方式的過程中，當(dāng)壓縮比為12.47時，過量空氣系數(shù)增加到1.5的情況下，COV增加3%之上的限值，難以有效保持稀薄燃燒的穩(wěn)定性，持續(xù)升高過量空氣系數(shù)時，油耗和排放性能受到燃燒不穩(wěn)定的影響逐漸惡化。從汽油機(jī)整體燃燒過程進(jìn)行分析，CA50隨著過量空氣系數(shù)的增加，不斷延長了滯燃和燃燒持續(xù)期，同時在加深稀燃程度的情況下，逐漸降低了缸內(nèi)溫度和爆震傾向，造成燃燒難度，繼續(xù)增加該滯燃和燃燒持續(xù)期，在燃燒不穩(wěn)定時，COV呈現(xiàn)出明顯升高趨勢。爆震傾向在高壓縮比14.8采用火花塞時和壓縮比12.47時相比，CA50延遲，增加燃燒持續(xù)期，但是滯燃期減少，點(diǎn)火角IGN減小。該現(xiàn)象充分表明了高壓縮比能夠有效提升壓縮缸內(nèi)混合氣溫度壓力，創(chuàng)造更好的點(diǎn)火環(huán)境。

3.4 主動預(yù)燃室稀薄燃燒性能

稀薄燃燒呈現(xiàn)出良好的油耗和排放優(yōu)點(diǎn)，但是受到以往點(diǎn)火燃燒不穩(wěn)定等相關(guān)因素的影響，不能持續(xù)拓展稀薄燃燒極限，進(jìn)而不能繼續(xù)挖掘稀燃的節(jié)油潛力。主動預(yù)燃室在過量空氣系數(shù)不斷增加的條件下持續(xù)提前，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.4之后，主動預(yù)燃室點(diǎn)火的CA50手工紙保持上止點(diǎn)8度周圍，呈現(xiàn)出最佳的熱功轉(zhuǎn)化過程；當(dāng)1.4工況以下的過量空氣系數(shù)，受到爆震限制，主動預(yù)燃室點(diǎn)火的燃燒重心呈現(xiàn)出滯后現(xiàn)象，過濃混合氣燃燒過程中形成高溫高壓氣體，促進(jìn)主動預(yù)燃室始終在高溫環(huán)境中，通過導(dǎo)熱、輻射傳熱到主動預(yù)燃室末端混合氣，促進(jìn)其火焰前鋒面到達(dá)之前出現(xiàn)自燃現(xiàn)象[6]。缸內(nèi)混合氣溫度在過量空氣系數(shù)不斷增加的條件下，持續(xù)降低其溫度和爆震傾向，再次呈現(xiàn)出主動預(yù)燃室點(diǎn)火迅速燃燒的特點(diǎn)，CA50取得3～4度的提前。

過量空氣系數(shù)持續(xù)增加時，主動預(yù)燃室的燃燒持續(xù)期延長，和火花塞點(diǎn)火方式相比，沒有明顯縮短燃燒持續(xù)期，主要由于過量空氣系數(shù)在1.4以后，降低了CA50的滯后燃燒溶度，增加燃燒過程。主動預(yù)燃室點(diǎn)火技術(shù)展現(xiàn)出迅速燃燒特征，大大降低了未燃碳?xì)浠衔铮畲竽軌蛳陆档?4%。鈷元素在過量空氣系數(shù)增加時，呈現(xiàn)出排放量之間減少之后稍微增加。缸內(nèi)氧氣濃度有效氧化碳?xì)浠衔?，在加深稀薄燃燒程度的情況，降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，COV呈現(xiàn)上升趨勢，增加燃燒不完全程度，進(jìn)而稍微增加了碳?xì)浠衔锱欧拧?/p>

主動預(yù)燃室的氮氧化合物排放在1.1的過量空氣系數(shù)時，達(dá)到最高值之后呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。試驗(yàn)人員采用稀薄燃燒技術(shù)的過程中，拓展過量空氣系數(shù)為2.0時，減少了氮氧化合物的排放。另外，主動預(yù)燃室的顆粒數(shù)排放隨著過量空氣系數(shù)的增加不斷減少，主要是過濃的混合氣在狹窄的墻體內(nèi)燃燒產(chǎn)生中間產(chǎn)物顆粒物，噴入到主燃室之后，大多數(shù)被燃燒，僅僅有部分當(dāng)作排氣排出。過量空氣系數(shù)為1.0周圍的情況下，主燃室稀燃程度較低，噴入濃混合氣之后，氧氣不充足，對顆粒物難以進(jìn)行有效氧化，進(jìn)而增加了排氣中的PN排放。主燃室內(nèi)的氧氣含量隨著過量空氣系數(shù)的增加不斷增大，能夠充分燃燒預(yù)燃室的顆粒物，從而有效減少排氣中的PN。

3.5 提高壓縮比主動預(yù)燃室稀薄燃燒性能分析

通過試驗(yàn)分析，傳統(tǒng)火花塞點(diǎn)火方式下，應(yīng)用高壓縮比技術(shù)，存在爆震等現(xiàn)象，不能有效減少油耗，但是采用主動預(yù)燃室點(diǎn)火系統(tǒng)能夠?qū)Ω變?nèi)爆震起到良好的抑制作用。所以，可以適當(dāng)提高壓縮比，當(dāng)壓縮比為14.8的情況下，研究分析汽油機(jī)稀薄燃燒性能。實(shí)驗(yàn)研究過程中，應(yīng)用14.8的壓縮比有效降低了燃油消耗率，促進(jìn)指示熱效率實(shí)現(xiàn)48%。同時，采用高壓縮比的條件下，有效拓展過量空氣系數(shù)到2.1的情況下，有效縮短了滯燃期，最大能夠?qū)崿F(xiàn)8度的降幅。高壓縮比增加了爆震傾向，在過量空氣系數(shù)較低的情況下呈現(xiàn)出明顯現(xiàn)象，當(dāng)該系數(shù)在1.6以下時，CA50出現(xiàn)推遲現(xiàn)象，持續(xù)增加該系數(shù)的情況下，降低了缸內(nèi)混合氣溫度，同時減少爆震傾向，在主動預(yù)燃室技術(shù)的作用下，進(jìn)一步有效抑制爆震，最終保持到最佳燃燒相位8度周圍。燃燒持續(xù)期在稀薄燃燒程度逐漸加深的情況下，不斷縮短，在過量空氣系數(shù)為2.0的條件下，高壓縮比的燃燒持續(xù)期有效縮短10度。

提高主動預(yù)燃室壓縮比時，天然碳?xì)浠衔锱欧藕偷蛪嚎s比設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)相比，呈現(xiàn)出類似的排放規(guī)律。碳?xì)浠衔镌谶^量空氣系數(shù)不斷增加的條件下，其排放呈現(xiàn)稍微增加的現(xiàn)象，在充分滿足稀薄燃燒下的主燃室內(nèi)狹縫效應(yīng)，隨著缸內(nèi)溫度降低不斷增強(qiáng)的規(guī)律。同時，高壓縮比下，氮氧化合物排放在過量空氣系數(shù)小于1.6條件下，呈現(xiàn)出最大72%的降幅，之后隨著稀薄燃燒程度加深，氮氧化合物排放繼續(xù)下降，當(dāng)過量空氣系數(shù)為2.1的條件下，呈現(xiàn)出最低58×10-6的體積分?jǐn)?shù)。CA50數(shù)據(jù)分析對比，明顯表明了高壓縮比下氮氧化合物在稀薄燃燒程度小的情況下具有較低的排放，主要由于CA50相對比較滯后，降低燃燒等容度和燃燒峰值溫度，促進(jìn)CA50都能達(dá)到最佳燃燒相位8度周圍。高壓縮比和低壓縮比方案氮氧化合物排放水平相當(dāng)，但是前者能夠持續(xù)拓展稀薄燃燒極限到2.1，能夠有效獲取更低的氮氧化合物排放絕對值。

4 結(jié)語

本研究主要闡述了直噴汽油機(jī)稀薄燃燒技術(shù)優(yōu)勢和主動預(yù)燃室式直噴汽油機(jī)稀薄燃燒性能研究意義，同時分析了發(fā)動機(jī)和設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)用和試驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，探討了火花塞式點(diǎn)火和主動預(yù)燃室點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)對比，充分證明了主動預(yù)燃室系統(tǒng)匹配高壓縮比技術(shù)，能夠有效改善發(fā)動機(jī)燃燒性能，減少油耗，提升熱效率。