預燃室火花塞式天然氣發動機燃燒性能試驗

何海斌， 阮曉東， 吳 杰， 吳 鋒， 王 雷， 尹濟崇

(1. 浙江大學機械工程學院， 杭州 310027； 2. 寧波中策動力機電集團有限公司， 寧波 315033； 3. 杭州電子科技大學機械工程學院， 杭州 310002)

發展天然氣發動機是緩解能源危機，減輕環境污染的重要舉措[1]。目前，中外研究機構及學者主要致力于天然氣發動機經濟性與排放性能的提升研究[2]，其中，基于預燃室火花塞的湍流噴射點火燃燒系統得到了越來越多的關注。

預燃室火花塞[3]是在標準火花塞基礎上集成了預燃室結構，可實現預燃室火花點火燃燒。與標準火花塞相比，該技術具有點火穩定、能量大、燃燒速度快等優點。將該技術應用于稀薄燃燒的天然氣發動機，可實現高空燃比快速燃燒，有效擴展稀燃極限，提升發動機熱效率，同時降低NOx排放[4-5]。

目前，中外學者針對天然氣發動機湍流噴射點火燃燒系統中的預燃室火花塞技術開展了廣泛研究，Attard等[6]在0.6 L單缸發動機上的研究表明，預燃室火花點火系統能可靠點燃稀釋54%之后的天然氣，同時降低18%的氣耗率；Takashima等[7]通過一臺0.55 L的單缸發動機，研究了電極形狀、預燃室通道孔徑、預燃室材料、缸內氣流等對缸內燃燒及發動機性能的影響規律，發現采用導熱性差的材料制作預燃室結構時，可進一步擴展發動機稀燃極限；Shah等[8-10]利用發動機臺架試驗，證明了預燃室火花點火技術可有效提升發動機經濟性與排放性，同時研究了重型天然氣發動機中預燃室體積、通道面積等對主燃燒室內燃燒特性、排放特性的影響，發現發動機排量對預燃室性能存在較大影響。

基于臺架試驗，現對一臺裝配預燃室火花塞的天然氣發動機缸內燃燒特性、空燃比特性、點火提前角特性進行詳細研究。以期為預燃室火花塞技術的發展，以及該技術在車用天然氣發動機上的推廣應用提供參考。

1 實驗臺架

搭建如圖1所示發動機實驗臺架。試驗過程中，通過DEWETRON公司生產的燃燒分析儀來采集并分析計算得到缸內壓力、放熱率等缸內燃燒信息，其采樣周期可達0.1 ℃A，可捕捉缸內壓力波動的細節；通過安裝在發動機排氣管的ETAS-LA4空燃比測試儀，可實時監測燃料燃燒的空燃比，為空燃比控制提供條件，其采樣頻率為2 Hz；利用電子控制單元ECU(electronic control unit)標定系統，可實現點火提前角等控制參數的實時控制。

圖1 發動機臺架示意圖Fig.1 Schematic diagram of engine bench

發動機參數如表1所示，預燃室火花塞結構如圖2所示，參數如表2所示。

表1 發動機結構參數Table 1 Structure parameters of engine

圖2 預燃室火花塞實物圖Fig.2 Structure of pre-chamber spark plug

表2 預燃室結構參數Table 2 Structure parameters of pre-chamber spark plug

2 試驗結果分析

2.1 燃燒特性比較

基于上述發動機實驗臺架，對比發動機轉速為800 r/min，節氣門開度為16.85%，點火提前角為12.75 ℃A時，采用普通火花塞與預燃室火花塞的缸內燃燒特性，其試驗結果如圖3和圖4所示。

圖3 缸內壓力與壓力升高率對比Fig.3 Comparison of in-cylinder pressure and pressure rise rate

圖4 缸內放熱率與放熱量對比Fig.4 Comparison of heat release rate and heat release

從圖3可以發現，采用預燃室火花塞之后，發動機缸內最大壓力從3.374 MPa提高為3.792 MPa，提高了12.4%，對應的曲軸轉角從12.44 ℃A提早為10.39 ℃A；缸內最大壓力升高率從0.133 MPa/ ℃A提高為0.173 MPa/ ℃A，提高了30%，對應的曲軸轉角從3.96 ℃A提早為1.73 ℃A。此外，發動機功率從40.9 kW提高到43.7 kW，提高了6.8%。

從圖4可以發現，采用預燃室火花塞之后，發動機缸內最大缸內速率從36.84 kJ/(m3· ℃A)提高到44.84 kJ/(m3· ℃A)，對應的曲軸轉角從6 ℃A提早到了4 ℃A；缸內放熱量從854.6 kJ/m3提高到881.97 kJ/m3，提高了3.2%。此外，燃燒率為10%、50%與90%時對應的曲軸轉角均有所提前，缸內燃燒速率明顯增加。

2.2 空燃比特性

為研究空燃比對預燃室火花塞燃燒特性的影響，對發動機轉速800 r/min，節氣門開度16.85%，點火提前角12.75 ℃A的工況下，空燃比分別為1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25的燃燒特性進行了對比試驗，試驗結果如圖5～圖10所示。

圖5 動力性能對比Fig.5 Comparison of power performance

圖7 經濟性能對比Fig.7 Comparison of economic performance

圖8 不同燃燒率對應曲軸轉角對比Fig.8 Comparison of crankshaft angles for different combustion rates

圖9 缸內燃燒特性對比Fig.9 Comparison of in-cylinder combustion characteristics

圖10 NOx排放量對比Fig.10 Comparison of NOx emission

圖5為不同空燃比下，預燃室火花塞與普通火花塞動力性能對比。從圖5可以發現，發動機動力性能隨空燃比的增加而減小，當空燃比為1.00～1.15時，預燃室火花塞的動力性均優于普通火花塞，但當空燃比提高到1.20時，兩者動力性相差不大，而當空燃比繼續增大到1.25時，預燃室火花塞動力性急劇下降，此時，發動機出現明顯的失火現象，說明預燃室火花塞稀燃特性較普通火花塞有所下降。

圖6為不同空燃比下，預燃室火花塞與普通火花塞的缸內最大壓力及對應曲軸轉角的對比。從圖6中可以進一步發現，當空燃比為1.15時，雖然預燃室火花塞缸內最大壓力仍大于普通火花塞，但最大壓力點對應的曲軸轉角大于普通火花塞，說明此時預燃室火花塞缸內燃燒速度有所減緩，燃燒出現失火征兆。當空燃比為1.20時，預燃室火花塞缸內最大壓力小于普通火花塞，說明燃燒進一步惡化，失火趨勢加大。上述試驗結果說明預燃室火花塞稀燃特性較普通火花塞有所下降。

圖7為不同空燃比下，預燃室火花塞與普通火花塞的經濟性能的對比。從圖7中可以發現，兩種火花塞的燃氣消耗率隨著空燃比的增加，均呈現先減小后增大的趨勢，且當空燃比為1.05時，其經濟性能最佳。此外，當空燃比為1.00～1.20時，預燃室火花塞經濟性能均優于普通火花塞。但當空燃比增大為1.25時，由于預燃室火花塞缸內失火，燃氣消耗率陡然增加為1 002.6 g/kW·h。

圖8為不同空燃比下，預燃室火花塞與普通火花塞缸內燃燒率對應曲軸轉角的對比。從圖8可以明顯發現，當空燃比增大為1.20時，預燃室火花塞缸內燃燒速率明顯減緩。

為進一步說明預燃室火花塞缸內失火現象，本文詳細對比了空燃比為1.15及1.20時，發動機缸內的燃燒壓力與放熱速率，如圖9所示。從圖9(a)可以看到，空燃比上升到1.20后，預燃室火花塞缸內壓力小于普通火花塞，同時，從圖9(b)可以看到，預燃室火花塞放熱速率明顯小于普通火花塞。

圖10為不同空燃比下，預燃室火花塞與普通火花塞NOx排放量的對比。從圖上可以發現，兩種火花塞下，NOx排放量均呈現先上升后下降的趨勢，且在空燃比為1.05附近時達到最大值。但預燃室火花塞的NOx排放量明顯高于普通火花塞，這是由于更快的燃燒速度提升了缸內的燃燒溫度，為NOx的生成提供了有利環境。

綜上所示，相較于普通火花塞，預燃室火花塞可以有效提高缸內燃燒壓力與燃燒速率，增強發動機動力性能，但由于缸內燃燒溫度上升，導致NOx排放量有所增加。此外，采用預燃室火花塞會導致其稀燃性能有所下降，當空燃比大于1.15時，缸內出現失火現象。

2.3 點火提前角特性

為研究點火提前角對預燃室火花塞燃燒特性的影響，對發動機轉速800 r/min、節氣門開度16.85%、空燃比1.07的工況下，點火提前角分別為2.75、4.75、6.75、8.75、10.75、12.75、14.75、16.75 ℃A的缸內燃燒特性進行了對比試驗。

圖11為不同點火提前角下，預燃室火花塞與普通火花塞的動力性能的對比。從圖11可以發現，預燃室火花塞的動力性能均大于普通火花塞，且兩者動力性能隨著點火提前角的增加均呈現先增大后減小的變化規律。其中，普通火花塞在點火提前角為10.75 ℃A時達到最大值，功率為42.4 kW，而預燃室火花塞在點火提前角為8.75 ℃A時達到最大值，功率為44.2 kW，提升了4.2%。上述試驗結果表明，采用預燃室火花塞，可有效提升發動機動力性能，且最佳點火提前角有所減小。

圖11 動力性能對比Fig.11 Comparison of power performance

圖12為不同點火提前角下，預燃室火花塞與普通火花塞的缸內最大壓力及對應曲軸轉角的對比。從圖上可以明顯發現，預燃室火花塞缸內最大壓力均大于普通火花塞，且兩者最大缸內壓力均隨著點火提前角的增大而增大。此外，預燃室火花塞缸內最大壓力對應的曲軸轉角均小于普通火花塞，且兩者最大缸內壓力對應曲軸轉角均隨著點火提前角的增大而減小。

圖12 缸內最大壓力及對應曲軸轉角對比Fig.12 Comparison of the maximum pressure and the corresponding crankshaft angle

圖13為不同點火提前角下，預燃室火花塞與普通火花塞的經濟性能的對比。從圖13中可以發現，兩種火花塞的燃氣消耗率隨著點火提前角的增加，均呈現先減小后增大的趨勢，其中，普通火花塞在點火提前角為10.75 ℃A時經濟性能達到最佳，其燃氣消耗率為195.63 g/(kW·h)，而預燃室火花塞在點火提前角為8.75 ℃A時達到最佳，燃氣消耗率為183.18 g/(kW·h)，經濟性提升了6.4%。

圖13 經濟性能對比Fig.13 Comparison of economic performance

圖14為不同點火提前角下，預燃室火花塞與普通火花塞缸內燃燒率對應曲軸轉角的對比。從圖14可以明顯發現，預燃室火花塞缸內燃燒速率明顯大于普通火花塞。

圖14 不同燃燒率對應曲軸轉角對比Fig.14 Comparison of crankshaft angles for different combustion rates

為進一步說明點火提前角對缸內燃燒特性的影響，詳細對比了點火提前角為8.75、12.75、16.75 ℃A時，發動機缸內燃燒壓力與放熱速率，如圖15和圖16所示。從圖15可以看到，隨著點火提前角增大，缸內壓力曲線整體向左移動，且最大壓力值顯著增加。從圖16可以看到，隨著點火提前角增大，放熱曲線亦呈現整體向左移動趨勢，但最大放熱速率變化并不明顯。

圖15 缸內壓力對比Fig.15 Comparison of in-cylinder pressure

圖16 放熱速率對比Fig.16 Comparison of heat release rate

圖17為不同點火提前角下，預燃室火花塞與普通火花塞NOx排放量的對比。從圖17可以發現，隨著點火提前角的增大，缸內燃燒溫度不斷上升，導致NOx排放量逐漸升高。此外，由于預燃室火花塞具有更快的燃燒速度、更高的燃燒溫度，因此，其NOx排放量明顯高于普通火花塞。

圖17 NOx排放量對比Fig.17 Comparison of NOx emission

綜上所示，相較于普通火花塞，預燃室火花塞可以有效提高缸內燃燒壓力與燃燒速率，增強發動機動力性能，且其最佳點火提前角有所減小。

3 結論

(1)相較于普通火花塞，預燃室火花塞可以有效提高缸內燃燒壓力與燃燒速率，增強發動機動力性能，但同時會增大缸內壓力升高率，導致工作粗暴。

(2)預燃室火花塞在提高缸內燃燒壓力與燃燒速率的同時，會導致缸內燃燒溫度上升，為NOx的生成提供有利條件，從而導致NOx排放量升高。

(3)由于預燃室內燃燒產物的積累，對可燃混合氣形成稀釋作用，抑制點火，因此，其稀燃特性有所下降，當提高空燃比時，更容易出現失火現象。

(4)相較于普通火花塞，預燃室火花塞經濟性能更加優越，且最佳點火提前角有所減小。