稀燃條件下主動預燃室式直噴汽油機燃燒和排放特性研究

吳 堅，陳嘉雯，杜家坤，陳 泓，李鈺懷，占文鋒

(廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434)

0 概述

在全球變暖的環境背景下，各國家和地區制定了愈發嚴格的車輛油耗排放法規。替代燃料、混合動力和更高效率的純內燃機車是未來實現內燃機進一步節能減排的有效途徑[1-6]。其中，混合動力和純內燃機車的持續發展都需要高效率發動機技術支持。

稀薄燃燒是未來實現高效發動機的潛在技術之一[7-9]。相較于當量比燃燒，稀薄燃燒通過向氣缸內加入過量的新鮮空氣，增大缸內混合氣比熱容提高理論熱效率的同時，減少泵氣損失，進一步降低缸內溫度，從而減少傳熱損失[8]。另一方面，缸內溫度的降低，有助于抑制缸內混合物自燃，從而抑制爆震的產生，使壓縮比的進一步提高成為可能[9]。在泵氣損失和傳熱損失減小及壓縮比和混合氣比熱容增大的多重作用下，使用稀薄燃燒技術可以使發動機有效熱效率拓展至45%～50%[10]。日本的跨學科戰略創新聯盟項目(cross-ministerial strategic innovation promotion program， SIP)中使用稀薄燃燒、絕熱涂層等技術把熱效率進一步拓展到51.5%。同時，現代公司、日產公司都發布了以稀燃為技術路線的未來50%超高熱效率發動機發展圖譜。

然而，由于過量空氣的稀釋作用，缸內混合氣的燃燒速度減慢，混合氣的點燃也更加困難，傳統火花塞點燃難以有效拓展稀薄燃燒的極限及繼續挖掘稀薄燃燒的節油潛力。新型的高能點火系統如電暈點火、等離子點火、微波點火和預燃室點火[11-16]等技術應運而生。試驗證明，等離子點火[12]可以有效加快燃燒速度，拓展稀燃極限，但NOx排放增多，點火系統容易被腐蝕[13]，且容易與發動機控制單元和測量單元產生信號干涉[14]；電暈點火能有效提高點火效率，拓展稀燃極限，減少燃燒循環變動和未燃全碳氫化合物(total hydrocarbon, THC)排放，但對其他排放物無改善作用[12]；預燃室點火技術能提高點火的穩定性，提升燃燒速度，在降低發動機油耗的同時，可大幅度減少NOx排放[15]，是未來實現超高燃效、低排放的最具潛力技術之一[16]。

在20世紀70年代，受全球第一輪油耗排放法規的推動，預燃室發動機的研發在眾多研究機構中大規模開展。MAHLE公司在基于主動預燃室和被動預燃室方面均做了一定研究，分析了不同預燃室控制參數在燃燒、油耗和排放方面的表現[16-20]。文獻[19]中在單缸機、多缸機上進行了主動預燃室試驗，結果表明預燃室的快速燃燒特性可以有效抑制高壓縮比帶來的爆震傾向，熱效率獲得提升；多缸機試驗表明，相對傳統火花塞，預燃室技術可以減小20%～25%有效燃油消耗量(brake -specific fuel consumption， BSFC)，最低BSFC可以低于200 g/(kW·h)，最高有效熱效率超過41%。文獻[20]中在一臺1.5 L的3缸汽油機上，通過預燃室內噴油量與過量空氣系數的協同優化，多缸機上有效熱效率可拓展至42%。文獻[21]中對預燃室參數在天然氣發動機的燃燒過程進行了模擬及試驗分析。

目前，已有研究針對氣體燃料發動機預燃室技術開展了深入研究工作，并取得了一些階段性的研究成果，但在傳統汽油燃料稀薄燃燒方面的應用研究仍鮮見報道，有待進一步研究。基于上述背景，本研究中采用自行設計的主動預燃室點火系統，在研究型單缸直噴汽油發動機上針對傳統火花塞點火方式與主動預燃室點火方式開展對比試驗，分析不同點火方式在稀燃極限拓展方面的潛力，進一步明晰稀薄燃燒過程可靠點火及穩定燃燒的關鍵影響因素，為汽油機稀薄燃燒及預燃室點火技術應用提供理論指導與基礎研究數據。

1 試驗用發動機和試驗設備

1.1 試驗用發動機

研究中采用一臺匹配35 MPa噴射系統的研究型單缸試驗機，通過匹配自行設計開發的預燃室點火系統開展對比試驗研究。試驗用發動機的主要技術參數如表1所示。

表1 試驗用發動機主要技術參數

本研究中設計了一種帶噴油器和火花塞的主動預燃室系統，安裝在單缸機缸蓋上。預燃室詳細參數如表2所示，預燃室示意圖如圖1所示。

表2 預燃室主要參數

圖1 主動預燃室示意圖

1.2 試驗用儀器設備

本試驗的主燃室中采用KISTLER 6054B型缸壓傳感器，預燃室中采用KISTLER火花塞集成式缸壓傳感器，形成特有的預燃室雙缸壓采集系統。試驗采用進氣模擬增壓系統控制進氣壓力和溫度，噴油時刻、噴油量及點火時刻采用了可編程的時序控制模塊進行調整。采用了AVL的臺架測控系統和AVL的燃燒分析儀。其他主要設備如油耗儀、排放分析儀、測功機等主要儀器設備規格與型號見表3。試驗臺架布置圖如圖2所示。

表3 臺架測控系統主要儀器設備規格與型號

圖2 發動機臺架測試系統布置

研究中選取發動機常見典型最低油耗點工況 2 750 r/min、平均指示壓力1.1 MPa工況，研究傳統火花塞和主動預燃室下不同過量空氣系數下的燃燒、油耗及排放特性，分析壓縮比對稀薄燃燒極限拓展的影響。試驗中通過調節進氣量及油耗量使得過量空氣系數由1.0增大至2.1。試驗選取各個工況最優點火角進行，缸內最大壓升率不超過0.6 MPa/(°)，燃燒循環變動率(coefficient of cycle-to-cycle variation， COV)控制在3%以內；試驗中冷后的進氣溫度32 ℃±3 ℃，冷卻水溫度68 ℃±2 ℃。

式中，Magg和Sagg分別表示制造業和生產性服務業的區位熵，Coagg越大，表示制造業與生產性服務業二者之間協同集聚水平越高。

為方便定量對比燃燒特性，定義CA10—IGN為火花塞點火時刻到缸內累計放熱量達到10%時刻對應的曲軸轉角，即滯燃期；定義CA50為缸內累積放熱量達到50%時所對應的曲軸轉角，即燃燒重心；定義CA10—CA90為缸內累積放熱量從10%到90%經過的曲軸轉角，即燃燒持續期。本文中定義壓縮上止點對應的曲軸轉角為0°，上止點后數值為正值，上止點前數值為負值。

2 試驗結果與分析

2.1 不同過量空氣系數下傳統火花塞式點火性能

采用傳統火花塞對稀薄燃燒極限進行潛力探索，并研究不同壓縮比(CR)下稀薄燃燒的燃燒和排放特性。

圖3為采用傳統火花塞點火系統時不同過量空氣系數下發動機燃燒及排放特性對比。由圖可知：恒定負荷工況下，隨過量空氣系數增加，發動機的油耗明顯降低，熱效率持續提升，在壓縮比(CR)12.48下，使用傳統火花塞點火，指示油耗率(gross indicated specific fuel consumption, GISFC)從過量空氣系數為1.0時的207 g/(kW·h)下降到過量空氣系數為1.5時的190 g/(kW·h)，指示熱效率(gross indicated thermal efficiency, GITE)從41.0%上升到45.0%；由于缸內新鮮空氣增多，缸內溫度下降，低溫導致反應活性降低，未燃THC排放隨之增加；缸內氧氣含量增加，CO和顆粒物后期氧化速率提升，CO和顆粒物數量(particle number, PN)排放同時下降；且隨過量空氣系數增大，NOx排放先增大后減小，在過量系數為1.1時達到最大。繼續增加過量空氣系數，雖然氧氣濃度不斷增加，但由于缸內溫度下降起主導作用， NOx排放也隨之下降。

圖3 傳統火花塞點火在不同過量空氣系數下油耗特性

在壓縮比12.48下，過量空氣系數增加至1.5時，COV已增加至限值3%以上，使用傳統火花塞已不能維持穩定的稀薄燃燒，若繼續增加過量空氣系數，油耗和排放特性將會因燃燒不穩定而惡化。從燃燒過程來看，隨過量空氣系數增加，CA50提前，滯燃期和燃燒持續期延長。隨著稀燃程度的加深，缸內溫度降低，使爆震傾向下降的同時也使燃燒更為困難，滯燃期和燃燒持續期持續增加，直到燃燒不穩定，COV顯著升高。

使用高壓縮比14.80匹配傳統火花塞，爆震傾向增加，相較壓縮比12.48時CA50推遲，燃燒持續期延長，但點火角IGN變小，滯燃期縮短。這是由于高壓縮比提高了壓縮終了缸內混合氣的溫度壓力，提供了更為適宜的點火環境。壓縮比14.80下的COV更大，在當量空燃比時已經達到限值3%，隨著過量空氣系數增加，COV持續增加，在過量空氣系數1.6時，COV達到7%，此時燃燒極不穩定。由于燃燒不穩定和爆震限制，高壓縮比方案的熱效率提升受限，在過量空氣系數為1.5時，最高指示熱效率為43%，此時COV為7%。

2.2 匹配主動預燃室后的性能分析

稀薄燃燒在油耗和排放方面具有明顯的優勢，但受限于傳統點火下燃燒持續期延長及燃燒不穩定等因素，稀薄燃燒的極限無法繼續拓展，稀燃的節油潛力沒有得到充分挖掘。本節重點對壓縮比14.80匹配主動預燃室后的稀燃燃燒和排放特性，與傳統火花塞的性能進行對比分析。

圖4為傳統點火與預燃室點火情況下發動機性能對比。由圖4可知，使用傳統火花塞，過量空氣系數可拓展至1.5，COV為3%；使用主動預燃室后過量空氣系數可拓展至2.0，COV為1%，指示油耗率下降5 g/(kW·h)，熱效率提升1.5%。傳統火花塞點火能量相對較小，使用主動預燃室后，滯燃期縮短，在過量空氣系數為1.5時，主動預燃室的滯燃期縮短達7°。這主要歸功于預燃室特有的射流點火特性，噴入主燃室時裹挾了大量活性基團的中間產物，增加了缸內超稀混合物的湍動能和著火面積，加快了火焰傳播速度，提升了燃燒等容度，縮短了燃燒滯燃期[22]，點火時刻可以更靠近上止點。

圖4 傳統火花塞點火與預燃室點火性能對比

隨著過量空氣系數的增加，主動預燃室的CA50持續提前，在過量空氣系數為1.4后，預燃室點火的CA50一直維持在理想的上止點后8°附近，熱功轉化過程最優；在過量空氣系數小于1.4的工況，受限于爆震，預燃室點火的燃燒重心較傳統點火滯后，預燃室內過濃混合氣燃燒產生的高溫高壓氣體，使預燃室一直處于高溫環境，經導熱、輻射傳熱到主燃室末端混合氣，使其在主燃室火焰前鋒面到達之前自燃。隨著過量空氣系數的增加，缸內混合氣溫度持續下降，爆震傾向下降，預燃室點火的快速燃燒優勢再次顯現， CA50相較傳統點火獲得3°～4°的提前。

與傳統火花塞相比，主動預燃室的顆粒數排放有量級的增加，而后隨過量空氣系數的增加而減小。分析認為，在主動預燃室內過濃的混合氣在狹小的預燃室腔體內燃燒形成中間產物顆粒物，被噴入主燃室后，大部分被完全燃燒，殘留小部分作為排氣排出。當過量空氣系數在1.0附近時，主燃室內稀燃程度不高，當預燃室內濃混合氣噴入主燃室后，缺乏足夠的氧氣對預燃室中產生的中間產物顆粒物進行氧化，從而造成排氣中的PN排放增加；隨著過量空氣系數的增大，主燃室內氧氣含量增加，預燃室的顆粒物得到充分燃燒，排氣中的PN排放下降。

2.3 提升壓縮比后預燃室稀燃模式下的性能改善

前期研究結果證明，在傳統點火下采用高壓縮比技術，受限于爆震等問題，難以進一步降低燃油消耗率，而匹配主動預燃室系統能有效抑制缸內爆震，因此可以采用更高壓縮比。針對壓縮比為14.80時稀薄燃燒汽油機性能進行試驗研究。

圖5為不同壓縮比12.48與14.80下使用主動預燃室技術的性能對比圖。從圖中可以看出，采用高壓縮比14.80后，相較低圧縮比方案，指示油耗降低了7 g/(kW·h)，指示熱效率達到48.0%。在高壓縮比情況下，還可以進一步拓展過量空氣系數至2.1。同時，進一步提高壓縮比后，滯燃期有所縮短，最大降幅8°。

圖5 不同壓縮比下的主動預燃室的性能表現對比

高壓縮比帶來的爆震傾向增加，在低過量空氣系數時體現得較為明顯，在過量空氣系數小于1.6時，CA50推遲，繼續增大過量空氣系數時缸內混合氣溫度下降，爆震傾向下降，同時在主動預燃室技術的輔助下，爆震進一步被抑制，最終維持在最佳燃燒相位8°附近。

隨著稀燃程度的加深，燃燒持續期不斷縮短，在過量空氣系數為2.0時，高壓縮比的燃燒持續期較低壓縮比方案縮短10°。

高壓縮比下的未燃THC排放與低圧縮比方案的規律類似，隨著過量空氣系數的增加，THC排放輕微上升，滿足稀薄燃燒下主燃室內狹縫效應隨缸內溫度下降而增強的規律。高壓縮比下的NOx排放在過量空氣系數低于1.6時獲得最大72%的降幅，而后隨稀燃程度增加，NOx排放繼續減小，在過量空氣系數為2.1時獲得最低體積分數為58×10-6。對比CA50的數據可知，高壓縮比下NOx在稀燃程度較小時的排放低，主要是CA50較為滯后，燃燒等容度下降，燃燒峰值溫度下降。CA50均到達最佳燃燒相位8°附近后，兩者的NOx排放水平相當，高壓縮比方案由于繼續拓展稀燃極限至2.1，能獲得更低的NOx排放絕對值。

3 結論

(1) 采用稀薄燃燒可以有效降低發動機油耗，提升發動機熱效率，但傳統點火線圈受限于燃燒不穩定的問題，在拓展稀薄燃燒極限上受到限制。

(2) 試驗所選負荷工況下，傳統火花塞點火系統稀燃極限在過量空氣系數1.5附近，過量空氣系數進一步增大會出現燃燒循環變動增大的問題。

(3) 采用主動預燃室點火系統后，由于預燃室快速燃燒特性，過量空氣系數可進一步擴展至2.0，燃油消耗率進一步降低，相比傳統火花塞式點火系統油耗率降幅可達2.6%。

(4) 主動預燃室系統結合高壓縮比技術可進一步改善發動機燃燒性能，降低燃油消耗。本研究所選試驗工況下，壓縮比14.80時匹配主動預燃室可實現最高48.0%指示熱效率。同時，當過量空氣系數2.1時，NOx排放分數可低至58×10-6。