汽油機雙火花塞輕度均質稀燃特性的測試分析

尚會超,張力,陳春望,謝德云

(1.重慶大學機械工程學院, 400044, 重慶; 2.重慶建設摩托車股份有限公司, 400050, 重慶)

汽油機雙火花塞輕度均質稀燃特性的測試分析

尚會超1,張力1,陳春望2,謝德云2

(1.重慶大學機械工程學院, 400044, 重慶; 2.重慶建設摩托車股份有限公司, 400050, 重慶)

在單火花塞均質預混燃燒室結構的基礎上增設雙火花塞點火系統,通過改造電控燃油噴射系統實現了雙火花塞輕度均質稀燃模式的穩定運行。通過設置雙火花塞化學當量比(過量空氣系數λ為1)、雙火花塞輕度均質稀燃(λ為1.1)和單火花塞化學當量比(λ為1)的狀態,測試了雙火花塞對輕度均質稀燃過程及其燃燒特性的影響。研究表明:雙火花塞在加速缸內稀燃的總體效應主要體現在10%～50%累積燃燒放熱的前期燃燒期;輕度均質稀燃(λ為1.1)狀態的雙火花塞燃燒放熱和循環變動特性仍明顯優于單火花塞化學當量比狀態;在低負荷非穩定燃燒工況,雙火花塞在加速缸內燃燒過程、減小循環變動率和提高燃燒穩定性的效果上更加突出。臺架測試表明:在稀燃運行區域,雙火花塞輕度均質稀燃模式的燃油經濟性較單火花塞化學當量比燃燒模式提升了3%～6%,并有助于降低有害物的排放。

雙火花塞點火;稀薄燃燒;燃燒放熱率;循環變動

汽油機在部分負荷工況采用稀薄燃燒,可降低泵氣損失,增加混合氣比熱比,使熱效率得以提高。長期以來,分層稀薄燃燒系統得到廣泛重視和研究[1-4],但由于分層稀燃系統存在混合氣分層狀態難以精確控制,微粒排放和HC排放較高,NOx排放后處理困難等問題[5-6],加之系統控制復雜、成本高,直至目前分層稀燃系統并未成為汽油機產品開發和投產的主流。

均質稀燃是汽油機實現稀薄燃燒的另一技術途徑。汽油機的強烈循環變動、不完全燃燒、失火等非正常燃燒現象在稀混合氣條件下更加嚴重[7-8],所以需要采取有效措施來保證充分和穩定燃燒。長期實踐表明,雙火花塞能夠明顯縮短快速燃燒期,降低循環變動率,擴大燃燒極限[9-11]。理論上雙火花塞可以改善汽油機在輕度稀混合氣狀態下的燃燒特性,由此引發了人們對汽油機雙火花塞輕度均質稀燃模式的研究。

本文在單火花塞均質預混燃燒室結構的基礎上增設雙火花塞點火系統,改造電控燃油噴射系統,從而實現了雙火花塞輕度均質稀燃模式的穩定運行。通過設置雙火花塞化學當量比(過量空氣系數λ=1)、雙火花塞輕度均質稀燃(λ=1.1)和單火花塞化學當量比(λ=1)狀態,測試診斷雙火花塞對輕度均質稀燃過程及燃燒特性的影響,驗證雙火花塞輕度均質稀燃模式在提高燃油經濟性上的實際效果,并探討雙火花塞輕度均質稀燃模式的可行性。

1 樣機改造與測試方法

183FMQ為氣道電控噴射單缸斜置式四沖程車用汽油機,其缸徑行程為83 mm×71.6 mm,壓縮比為8.7∶1,6 500 r/min下最高功率為17 kW,5 000 r/min下最大扭矩為26 N·m。183FMQ原機采用單火花塞點火,本文在原有氣缸蓋結構的基礎上新增火花塞構造,涉及新增加火花塞密封、火花塞與機油間的隔離、套筒與氣缸蓋間的密封、套筒與鏈輪室蓋間的密封、火花塞與氣門間的運動干涉、火花塞與正時鏈輪的運動干涉等,改造后183FMQ為雙火花塞點火系統。根據發動機結構設計了兩種新增火花塞布置方案,即傾斜布置和水平布置,如圖1所示。水平布置時,兩個火花塞不對稱,其實際應用情況較少,且加工空間有限;傾斜布置時,雙火花塞位置基本對稱,火花塞優化設計的位置空間比較大。鑒于此,本文選擇雙火花塞沿氣缸中心對稱且傾斜布置進行樣機制造和測試。

(a)傾斜布置

(b)水平布置

為實現輕度均質稀燃模式,對電控燃油噴射系統進行了改造,除怠速控制、噴油時刻控制、點火時刻控制等基本功能外,還增加了雙火花塞點火和二次噴射功能。雙火花塞點火通過在電噴系統中增加一個點火模塊來實現,可獨立控制雙火花塞點火系統中各個火花塞點火時刻;二次噴射功能要求每個循環中可分別在壓縮上止點與排氣上止點按比例進行兩次燃油噴射。在壓縮上止點時燃油噴入進氣道底部,利用燃燒產生的高溫可使油膜蒸發且在下一個進氣行程吸入氣缸,形成較為均勻的混合氣。

在輕度均質稀燃狀態(λ為1、1.05、1.1、1.2)下對電控燃油噴射系統重新進行臺架標定,并進行稀薄燃燒區域的初步設置。點火提前角標定中,雙火花塞最佳點火提前角明顯滯后于單火花塞狀態,而不同均質稀燃狀態(λ為1、1.05、1.1、1.2)對點火提前角的影響則相對較小。在兩次噴油比例標定測試中,第二次噴油比例為10%或90%時,尾氣中測得的λ發生明顯變化,這是由于兩次噴油中,其中一次噴油脈寬比噴油器動作的時間少,導致此次噴油無效的緣故。在剔除10%和90%噴油比例后,燃油消耗率與第二次噴油比例基本無關,但CO、HC排放隨著第二次噴油比例的增大而增大,NOx排放隨著第二次噴油比例的增大而減小,如表1所示,這是由于第二次噴射燃油的霧化不完全而導致發動機燃燒不充分的緣故。

表1 4 000 r/min下噴油比例對排放的影響

在不同的負荷及火花塞數量下,對缸內輕度均質稀燃特性進行了測試。燃燒診斷中:采用Kistler 6052B壓力傳感器采集缸內壓力信號,再由5011B電荷放大器將壓電傳感器輸出的電信號轉化為電壓信號;采用Kistler 2613B曲軸轉角信號發生器采集轉角信號,采樣分辨率為0.1°;由DEWE-2010燃燒分析儀進行數據分析和處理。燃燒測試中選取了有代表性的進氣管壓力,分別為45、60、75、90 kPa,測試時轉速為最大扭矩下的轉速5 000 r/min,且分別在雙火花塞化學當量比(λ=1)、雙火花塞輕度均質稀燃(λ=1.1)和單火花塞化學當量比(λ=1)狀態下進行。

2 燃燒測試診斷

2.1 雙火花塞對稀薄燃燒壓力和壓力升高率的影響

在各種負荷下,缸內最高燃燒壓力pmax及壓力升高率最大值從高到低對應的工況依次為:雙火花塞化學當量比(λ=1)狀態、雙火花塞輕度均質稀燃(λ=1.1)狀態、單火花塞化學當量比(λ=1)狀態。5 000 r/min時在不同負荷下的缸壓測試數據,除低負荷(進氣管壓力pin為45 kPa)外,最高燃燒壓力對應曲軸轉角從小到大與最高燃燒壓力從高到低對應的工況順序相同,如圖2所示。

(a)最高燃燒壓力

(b)壓力升高率最大值

(c)最高燃燒壓力對應的曲軸轉角

在化學當量比狀態,采用雙火花塞時缸內最高燃燒壓力及壓力升高率明顯提高,同時中、高負荷下,最高燃燒壓力提高及其對應曲軸轉角提前,使得發動機獲得了較大的膨脹比,從而提高了循環熱效率[12]。低負荷時,單火花塞λ=1的燃燒持續期較長,燃燒放熱速度降低,使得最高燃燒壓力對應的曲軸轉角相對較小。

在輕度均質稀燃狀態(λ=1.1),測得的雙火花塞的缸內最高燃燒壓力及壓力升高率相對于雙火花塞化學當量比時有所降低,但仍高于單火花塞化學當量比(λ=1)狀態。

2.2 雙火花塞對稀薄燃燒放熱特性的影響

測試過程中,5 000 r/min時不同負荷下的缸內瞬時燃燒放熱率和累積燃燒放熱率隨曲軸轉角變化的對比分析表明:在化學當量比狀態,雙火花塞的燃燒放熱速度較單火花塞大幅提升,最大燃燒放熱率明顯提高,最大燃燒放熱率對應的曲軸轉角提前;在輕度均質稀燃(λ=1.1)狀態,雙火花塞的燃燒放熱率仍高于單火花塞化學當量比(λ=1)狀態,其累積燃燒放熱率和最大燃燒放熱率以及對應的曲軸轉角接近于雙火花塞化學當量比(λ=1)狀態,表明雙火花塞在加速缸內稀薄燃燒放熱速度上的效果顯著。

(a)燃燒持續期

(b)火焰發展期

(c)快速燃燒前期

(d)快速燃燒后期

通過分析累積放熱10%、50%、90%(CA10、CA50、CA90)對應的曲軸轉角,將燃燒持續期(點火至CA90)分為3個階段:火焰發展期(點火至CA10)、快速燃燒前期(CA10至CA50)和快速燃燒后期(CA50至CA90),如圖3所示。從圖3可以看出,采用雙火花塞加快了燃燒速度,縮短了燃燒持續期,主要體現在CA10至CA50燃燒期間,低負荷時效果更加明顯。

在化學當量比狀態,采用雙火花塞縮短了燃燒持續期約6°～10°,其中火焰發展期縮短約2°～5°,快速燃燒前期縮短約3°～8°,而快速燃燒后期的變化則很小。這是因為雙火花塞點火有利于火核早期形成和發展,同時燃燒初期火焰前鋒面積增大,從而加快了前期燃燒速率。在輕度均質稀燃(λ=1.1)狀態,混合氣濃度降低,火焰傳播速率下降,燃燒持續期相對于比雙火花塞化學當量狀態有所延長,但仍較單火花塞化學當量比(λ=1)狀態短,尤其在低負荷時火焰發展期和快速燃燒前期縮短、缸內燃燒過程加速的效果更加顯著,燃燒持續期縮短有利于提高熱效率及燃燒的穩定性。

2.3 雙火花塞對稀薄燃燒循環變動的影響

5 000 r/min時不同負荷下的缸內最高燃燒壓力循環變動率和指示平均有效壓力(pIMEP)循環變動率如圖4所示。圖4a中,單火花塞化學當量比(λ=1)狀態在測試工況下的最高燃燒壓力循環變動率在10%左右,屬于較高的循環變動率,主要原因在于原機采用了強擠流型燃燒室構造。采用雙火花塞點火系統后,燃燒速率加快,燃燒循環變動率降低。在化學當量比狀態,最高燃燒壓力循環變動率大幅降低,除低負荷(進氣管壓力為45 kPa)外,最高燃燒壓力循環變動率均降至7%以下;在輕度均質稀燃(λ=1.1)狀態,最高燃燒壓力循環變動率較化學當量比狀態有所上升,但仍然明顯優于原機單火花塞化學當量比(λ=1)狀態。

圖4b中,雙火花塞化學當量比(λ=1)狀態的pIMEP循環變動率最低,雙火花塞輕度均質稀燃(λ=1.1)狀態稍高,單火花塞化學當量比(λ=1)狀態最大,這與圖4a最高燃燒壓力循環變動率的情況一致。從pIMEP循環變動率可以進一步看出,在低負荷、非穩定燃燒工況(進氣管壓力為45 kPa),雙火花塞能使pIMEP循環變動率顯著降低。由此可見,雙火花塞對于促進和改善輕度均質稀燃時的穩定性具有重要作用。

(a)最高燃燒壓力循環變動率

(b)pIMEP循環變動率

2.4 雙火花塞對稀薄燃燒平均有效壓力的影響

5 000 r/min時不同負荷下pIMEP測試數據如圖5所示。因燃燒放熱率提高和燃燒持續期縮短,使得雙火花塞化學當量比(λ=1)狀態獲得了最大pIMEP,在中、高負荷下較單火花塞化學當量比(λ=1)狀態的pIMEP提高約2%～4%,而在低負荷下較單火花塞化學當量比(λ=1)狀態的pIMEP提高達10%。

圖5 指示平均有效壓力

在輕度均質稀燃(λ=1.1)狀態,混合氣變稀,燃油供給量減少,該狀態下pIMEP低于化學當量比狀態;在低負荷(進氣管壓力為45 kPa)下,雙火花塞輕度均質稀燃(λ=1.1)狀態的pIMEP高于單火花塞化學當量比(λ=1)狀態。原因在于低負荷下單火花塞化學當量比(λ=1)狀態的燃燒放熱速率低,燃燒持續期長,循環變動大,燃燒穩定性差,而雙火花塞展示出在改善燃燒穩定性上的顯著效果。

3 稀燃區域標定及測量

3.1 稀薄燃燒區域標定

(a)5 000 r/min時扭矩

(b)5 800 r/min時扭矩

(c)5 000 r/min時燃油消耗率

怠速下使用稀薄燃燒會影響穩定性,而高負荷下使用稀薄燃燒會導致動力不足,因此通過標定稀薄燃燒區域,讓稀薄燃燒區域落在常用部分負荷駕駛區域之內,以提高燃油經濟性。5 000、5 800 r/min時不同混合氣狀態(λ為1、1.05、1.1、1.2)下的扭矩和燃油消耗率隨負荷的變化如圖6所示。從圖6可以看出,混合氣變稀,供油量減少,輸出扭矩依次降低。當λ為1.05和1.1時,輸出扭矩雖有降低,但差距不大;當λ為1.2時,輸出扭矩相對于化學當量比(λ=1)狀態出現較大幅度降低,燃燒穩定性差,表明該狀態可能接近稀薄燃燒極限。此外,不同稀薄燃燒狀態在低負荷和高負荷下的輸出扭矩差距較大,在中等負荷下差距相對較小。

3種均質稀燃狀態(λ為1.05、1.1、1.2)在中、高負荷時燃油消耗率較化學當量比(λ=1)狀態要低,而在低負荷時要高。其中,在進氣管壓力小于55 kPa的低負荷下,λ為1.05的燃油消耗率與化學當量比(λ=1)時的燃油消耗率相差并不大,而λ為1.1和1.2的燃油消耗率明顯增大。隨著富氧程度的加大,低負荷下燃燒循環變動增大,燃燒不穩定現象更加突出,即使采用雙火花塞也難以將其控制在合理范圍。

表2為試驗標定的雙火花塞輕度均質稀燃區域對應的λ值,其中進氣管壓力為50～70 kPa,轉速為3 000～5 500 r/min。由表2可見,在原有燃燒室結構的基礎上,采用雙火花塞輕度均質稀燃模式,其混合氣過量空氣系數不宜大于1.1。在稀薄燃燒運行區域,雙火花塞輕度均質稀燃模式較原機單火花塞化學當量比模式可提升3%～6%的燃油經濟性。

表2 雙火花塞輕度均質稀燃區域對應的λ值

3.2 稀薄工況排放測量

4 000 r/min時在不同富氧稀燃狀態(λ為1.05、1.1)下的排放隨負荷的變化如圖7所示。從圖7可以看出:隨著負荷的增大,CO和HC排放呈下降趨勢,NOx排放呈上升趨勢;隨λ增大,CO和NOx排放降低,低負荷時較為明顯;當進氣管壓力超過60 kPa時,不同稀薄狀態對HC和NOx排放的影響很小。

轉速和混合氣狀態(λ為1、1.05、1.1)對排放的影響如圖8所示。從圖8可以看出:在稀燃狀態,CO、HC和NOx排放隨著λ的增大均有所降低;隨著轉速升高,CO和NOx排放呈下降趨勢,但NOx在5 500 r/min時出現峰值;轉速低于5 000 r/min時,HC排放隨轉速的升高而降低,超過5 000 r/min時,HC排放開始上升,在5 000～6 000 r/min之間,HC排放在達到峰值后開始下降。

圖7 4 000 r/min時不同λ和負荷下的排放對比

圖8 進氣管壓力為60 kPa時不同λ和轉速下的排放對比

總體而言,雙火花塞輕度均質稀燃在一定程度上有助于降低有害物排放,對于排放后處理可通過采用稀土儲氧材料提高催化劑儲氧能力來擴大空燃比可操作窗口的簡單途徑實現。

4 結 論

在單火花塞均質預混燃燒室結構基礎上增設雙火花塞點火系統,改造電控燃油噴射系統并進行調校標定,利用雙火花塞加快燃燒放熱速率、降低循環變動、提高燃燒穩定性的特征,來實現雙火花塞輕度均質稀燃模式的穩定運行。燃燒測試診斷表明:在化學當量比狀態,雙火花塞燃燒持續期縮短約6°～10°,其中火焰發展期縮短約2°～5°,快速燃燒前期縮短約3°～8°,熱效率提升了2%～4%;在輕度均質稀燃(λ=1.1)狀態,雙火花塞燃燒持續期雖有所延長,但仍較單火花塞化學當量比狀態短,尤其在低負荷、非穩定燃燒工況,雙火花塞缸內燃燒過程加速的效果更加突出,表明雙火花塞可以彌補稀混合氣燃燒速率減緩的缺陷。

在化學當量比狀態,雙火花塞最高燃燒壓力的循環變動率大幅降低;在輕度均質稀燃(λ=1.1)狀態,最高燃燒壓力循環變動率較化學當量比狀態有所上升,但仍優于單火花塞化學當量比(λ=1)狀態。在低負荷非穩定燃燒工況,雙火花塞能促使pIMEP循環變動率成倍降低,證實雙火花塞對于改善輕度均質稀燃的燃燒穩定性、擴展稀燃極限具有明顯效果。

臺架性能測試表明:輕度均質稀燃狀態在較多負荷工況較化學當量比狀態可獲得更低的燃油消耗率,但是受極端燃燒穩定性影響,雙火花塞輕度均質稀燃模式下λ不宜超過1.1。在稀薄燃燒運行區域,與原機單火花塞化學當量比燃燒模式相比,雙火花塞輕度均質稀燃模式可提升3%～6%燃油經濟性,并在一定程度上有助于降低有害物排放。

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(編輯 苗凌)

ExperimentalAnalysisofMildHomogeneousLeanCombustionforGasolineEnginewithDual-SparkPlug

SHANG Huichao1,ZHANG Li1,CHEN Chunwang2,XIE Deyun2

(1. College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China;2. Chongqing Jianshe Motorcycle Company Limited, Chongqing 400050, China)

A dual-spark plug ignition system is assembled on a gasoline engine ignited by single-spark plug with homogeneous premixed combustion. By reconstructing electronic control fuel injection system, it is observed that the engine can be steadily operated in a mild homogeneous lean burn mode. To further investigate the effect of double-spark plug ignition on mild homogeneous lean combustion, three running states, dual-park plug with chemical equivalent ratio (λ=1), dual-spark plug with lean mixture (λ=1.1) and single-park plug with equivalent ratio (λ=1), are tested for character diagnosis of the combustion. The overall effect of in-cylinder combustion acceleration due to the double-spark plug ignition is mainly reflected in the early combustion stage of 10%-50% mass fraction burned; and the heat release together with the cyclic variation of the double-spark plug with lean mixture is superior to the single-spark plug with stoichiometric mixture obviously. And the effect of combustion process accelerating in the cylinder, cyclic variation rate reducing as well as the combustion stability improving are much more outstanding for the double-spark plug ignition, especially under the unstable combustion condition with lower load. Bench test also shows that the dual-spark plug lean burn mode enables to improve fuel economy by 3%-6% compared with single-spark plug stoichiometric mode in the lean burn operation area, and to reduce emission of deleterious substances.

dual spark plug ignition; lean combustion; rate of heat release; cyclic variation

10.7652/xjtuxb201405008

2013-09-25。 作者簡介: 尚會超(1986-),男,博士生;張力(通信作者),男,教授,博士生導師。 基金項目: 重慶市科技攻關計劃重點項目(CSTC2007AA6006-6)。

時間: 2014-02-26 網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140226.1158.011.html

TK411

:A

:0253-987X(2014)05-0043-07