主動預燃室式直噴汽油機稀薄燃燒性能研究

楊 玻

（四川機電職業技術學院，四川 攀枝花 617000）

稀薄燃燒主要是指發動機在現實和理論空燃比條件下的燃燒，促進燃燒更加完全，同時采用科學合理的排放控制措施，有效減少汽油機有害排放物質，促進發動機具有較高的熱效率，呈現出良好的燃油經濟性。

1 研究意義

新時代發展背景下，各個國家和地區更加關注和重視車輛油耗排放問題，針對實際情況制定嚴格的法律規定。混合動力、代替燃料、高效率純內燃機車是將來內燃機有效實現節能減排的主要途徑。稀薄燃燒技術具有自身獨特的前瞻價值，有效進行高效發動機和當量比燃燒的比較，主要向氣缸內部增加相應的新鮮空氣，全面增加缸內混合器比熱容，有效提高理論熱效率，降低泵氣損失量，同時有效減少缸內問題，實現傳熱損失減少的目的[1]。同時，稀薄燃燒能降低缸內溫度，對缸內混合物自燃起到良好的抑制作用，最大程度避免出現爆震現象，進一步有效提高壓縮比。稀薄燃燒技術在泵氣、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%的發動機有效熱效率。

缸內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，采用以往火花塞點燃不能高效拓展稀薄燃燒極限，難以有效挖掘其節油效能。因此，人們加大不同點火形式下發動機燃燒和排放性能的研究力度，積極探究主動預燃室拓展稀薄燃燒極限的各種相關影響因素，逐漸出現了電暈、等離子、微波、預燃室等點火技術。相關實驗研究充分表明了，等離子點火能夠有效加快燃燒速度，拓展稀燃極限。但是，該種點火技術產生較多的NOx，點燃系統容易受到相關因素的影響，出現腐蝕現象，同時和發動機控制和測量單元形成信號干涉。預燃室點火技術能夠有效增強點火的安全穩定性，增加燃燒速度，減少發動機油量損耗，同時減少NOx的排放量，呈現出良好的潛力優勢，實現發動機高燃效、低排放效果。

2 直噴汽油機稀薄燃燒技術優勢

汽油機稀薄燃燒在能源緊缺和環境污染的壓力下，不斷轉變其燃燒模式，突破傳統汽油機工作模式，保證發動機正常使用性能的基礎上，采用稀薄混合氣燃燒，有效減少其油耗，降低尾氣排放量，獲得更好的燃燒經濟性和生態效益。缸內直接汽油噴射是汽油機稀薄燃燒的有效措施，在保持汽缸充量幾乎不變的情況下，發動機工況轉變應用質調節，有效減少節氣門產生的節流損失，全面提升發動機效率。缸內直噴充量分層燃燒技術，在壓縮行程后期將燃油噴入氣缸，有效配合缸內氣流運動，達到混合氣分層稀燃效果，在全負荷的情況下，進氣行程中噴入燃油，應用化學當量比，有效達到均質混燃燒效果，保持其功率高優勢。

燃油的汽化前熱能有效減小混合氣容積、溫度，對發動機的充氣效率、爆震趨勢產生直接影響。缸內直噴式汽油機的燃油直接噴入氣缸，在其周邊空氣吸收熱量蒸發，有效降低氣缸內部的溫度，提升充氣效率。另外，直噴式汽油機能夠將燃油直接噴入氣缸，有效防止進氣道產生濕壁等問題，精準計量每一個燃燒循環供給的燃油，有效減少冷啟動過程中HC的排放，加快發動機瞬態響應速度，發動機通常在兩個工作循環內進行安全順利的啟動[2]。因此，直噴汽油機稀薄燃燒技術自身具有良好的應用優勢，需要人們不斷研究和分析主動預燃室式直噴汽油機稀薄燃燒技術，結合精準的現代化先進電控技術，全面提升汽油機整體性能。

3 主動預燃室式直噴汽油機稀薄燃燒性能研究

現階段，相關專家對氣體燃料發動機預燃室技術進行了深層次的研究和分析工作，獲得了一定的研究成果。筆者設計相應的主動預燃室點火系統，針對單缸直噴汽油發動機，對比試驗分析火花塞、主動預燃室兩種點火形式，探究其拓展稀燃極限的內在潛能，詳細分析汽油機稀薄燃燒時穩定性的主要影響因素，提高預燃室點火技術和汽油機稀薄燃燒應用效果。

3.1 發動機和設備的設計應用

相關試驗研究人員在實際工作中科學合理地設計發動機和設備，采用配 35 MPa 噴射系統的單缸試驗機，同時配合相適應的預燃室點火系統。研究人員自行設計火花塞、帶噴油器的主動預燃室系統，在單缸機缸蓋上進行合理安裝。同時，研究人員結合試驗研究的實際需求，設計相應的預燃室參數，主要為主動預燃室，保持2.8%的預燃室和主燃室容積比、1.25 mm的噴孔孔徑、6個孔數、0.06孔體積和面積比、90°噴孔錐角。另外，試驗研究人員在主燃室、預燃室中選擇相應地用 KISTLER 6054B 型和火花塞集成式兩種缸壓傳感器，創建獨特的預燃式雙缸壓采集系統[3]。同時，試驗人員針對進氣壓力和溫度應用進氣模擬增壓系統進行合理有效管控，應用可編程的時序控制模塊有效調整噴油和點火時刻、噴油量。試驗研究儀器設備還包含油耗儀、排放分析儀、測功機、AVL臺架測控系統和燃燒分析儀等相關設備。

3.2 試驗內容設計

實驗研究人員選擇發動機日常具有代表性的最低油耗點工況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、主動預燃室下在不同過量空氣系數下燃燒速度、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生的影響。試驗人員在實踐操作中，對進氣量、油耗量進行合理調節，促進過量空氣系統從1.0逐漸增加到2.1，同時在試驗研究過程中，選擇不同工況最優點火角，保持缸內壓升率小于0.6 MPa/h，同時有效控制燃燒循環變動率不超過3%，在試驗中冷口的進氣溫度在29 ℃～35 ℃之間、冷卻水溫度在66 ℃～70 ℃之間。試驗人員為了便于定量對比燃燒性能，定義滯燃期，主要為CA10 — IGN火花塞點火時刻到缸內累計放熱量達到 10% 時所對應的曲軸轉角；定義燃燒中心，主要為CA50缸內累積放熱量達到 50% 時所對應的曲軸轉角；定義燃燒持續期，主要為CA10 — CA90缸內累積放熱量從 10% 到 90% 經過的曲軸轉角。同時，本次試驗中壓縮上止點對應的曲軸轉角為0°，正值為上止點后數值、負值為上止點前數值[4]。

3.3 火花塞式點火直噴汽油機稀薄燃燒性能分析

試驗人員應用火花塞式點火系統，在不同過量空氣系數下對比分析發動機燃燒和排放性能。當恒定負荷工況下，發動機的油耗受到過量空氣系數的影響，過量空氣系數增加的條件下，其油耗呈現出顯著減少的趨勢，同時熱效率連續上升。壓縮比在12.47時，采用該種點火系統，指示油耗率從過量空氣系數1.0的情況下，保持的 207 g／（kW·h）下降到過量空氣系數為 1.5 時 的 190 g／（kW·h），指示熱效率由41%升高到45%。缸內不斷增加新鮮空氣的情況下，有效降低缸內溫度和反應活性，增加沒有燃燒的碳氫化合物排放量和缸內氧氣含量[5]。同時，鈷元素和顆粒物后期氧化速率增高、數量排放降低，隨著過量空氣系數的加大，氮氧化合物排放增加之后減小，當過量系數1.1時增加到最高值。空氣系數持續增加的條件下，氧氣濃度繼續增加，但是受到缸內溫度降低的作用，逐漸降低了氮氧化合物的排放量。

試驗人員采用火花塞點火方式的過程中，當壓縮比為12.47時，過量空氣系數增加到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定性，持續升高過量空氣系數時，油耗和排放性能受到燃燒不穩定的影響逐漸惡化。從汽油機整體燃燒過程進行分析，CA50隨著過量空氣系數的增加，不斷延長了滯燃和燃燒持續期，同時在加深稀燃程度的情況下，逐漸降低了缸內溫度和爆震傾向，造成燃燒難度，繼續增加該滯燃和燃燒持續期，在燃燒不穩定時，COV呈現出明顯升高趨勢。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，增加燃燒持續期，但是滯燃期減少，點火角IGN減小。該現象充分表明了高壓縮比能夠有效提升壓縮缸內混合氣溫度壓力，創造更好的點火環境。

3.4 主動預燃室稀薄燃燒性能

稀薄燃燒呈現出良好的油耗和排放優點，但是受到以往點火燃燒不穩定等相關因素的影響，不能持續拓展稀薄燃燒極限，進而不能繼續挖掘稀燃的節油潛力。主動預燃室在過量空氣系數不斷增加的條件下持續提前，當過量空氣系數為1.4之后，主動預燃室點火的CA50手工紙保持上止點8度周圍，呈現出最佳的熱功轉化過程；當1.4工況以下的過量空氣系數，受到爆震限制，主動預燃室點火的燃燒重心呈現出滯后現象，過濃混合氣燃燒過程中形成高溫高壓氣體，促進主動預燃室始終在高溫環境中，通過導熱、輻射傳熱到主動預燃室末端混合氣，促進其火焰前鋒面到達之前出現自燃現象[6]。缸內混合氣溫度在過量空氣系數不斷增加的條件下，持續降低其溫度和爆震傾向，再次呈現出主動預燃室點火迅速燃燒的特點，CA50取得3～4度的提前。

過量空氣系數持續增加時，主動預燃室的燃燒持續期延長，和火花塞點火方式相比，沒有明顯縮短燃燒持續期，主要由于過量空氣系數在1.4以后，降低了CA50的滯后燃燒溶度，增加燃燒過程。主動預燃室點火技術展現出迅速燃燒特征，大大降低了未燃碳氫化合物，最大能夠下降到84%。鈷元素在過量空氣系數增加時，呈現出排放量之間減少之后稍微增加。缸內氧氣濃度有效氧化碳氫化合物，在加深稀薄燃燒程度的情況，降低了火焰傳播速度，COV呈現上升趨勢，增加燃燒不完全程度，進而稍微增加了碳氫化合物排放。

主動預燃室的氮氧化合物排放在1.1的過量空氣系數時，達到最高值之后呈現持續下降趨勢。試驗人員采用稀薄燃燒技術的過程中，拓展過量空氣系數為2.0時，減少了氮氧化合物的排放。另外，主動預燃室的顆粒數排放隨著過量空氣系數的增加不斷減少，主要是過濃的混合氣在狹窄的墻體內燃燒產生中間產物顆粒物，噴入到主燃室之后，大多數被燃燒，僅僅有部分當作排氣排出。過量空氣系數為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，對顆粒物難以進行有效氧化，進而增加了排氣中的PN排放。主燃室內的氧氣含量隨著過量空氣系數的增加不斷增大，能夠充分燃燒預燃室的顆粒物，從而有效減少排氣中的PN。

3.5 提高壓縮比主動預燃室稀薄燃燒性能分析

通過試驗分析，傳統火花塞點火方式下，應用高壓縮比技術，存在爆震等現象，不能有效減少油耗，但是采用主動預燃室點火系統能夠對缸內爆震起到良好的抑制作用。所以，可以適當提高壓縮比，當壓縮比為14.8的情況下，研究分析汽油機稀薄燃燒性能。實驗研究過程中，應用14.8的壓縮比有效降低了燃油消耗率，促進指示熱效率實現48%。同時，采用高壓縮比的條件下，有效拓展過量空氣系數到2.1的情況下，有效縮短了滯燃期，最大能夠實現8度的降幅。高壓縮比增加了爆震傾向，在過量空氣系數較低的情況下呈現出明顯現象，當該系數在1.6以下時，CA50出現推遲現象，持續增加該系數的情況下，降低了缸內混合氣溫度，同時減少爆震傾向，在主動預燃室技術的作用下，進一步有效抑制爆震，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，在過量空氣系數為2.0的條件下，高壓縮比的燃燒持續期有效縮短10度。

提高主動預燃室壓縮比時，天然碳氫化合物排放和低壓縮比設計實驗相比，呈現出類似的排放規律。碳氫化合物在過量空氣系數不斷增加的條件下，其排放呈現稍微增加的現象，在充分滿足稀薄燃燒下的主燃室內狹縫效應，隨著缸內溫度降低不斷增強的規律。同時，高壓縮比下，氮氧化合物排放在過量空氣系數小于1.6條件下，呈現出最大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下降，當過量空氣系數為2.1的條件下，呈現出最低58×10-6的體積分數。CA50數據分析對比，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CA50都能達到最佳燃燒相位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，但是前者能夠持續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 結語

本研究主要闡述了直噴汽油機稀薄燃燒技術優勢和主動預燃室式直噴汽油機稀薄燃燒性能研究意義，同時分析了發動機和設備的設計應用和試驗內容設計，探討了火花塞式點火和主動預燃室點火實驗對比，充分證明了主動預燃室系統匹配高壓縮比技術，能夠有效改善發動機燃燒性能，減少油耗，提升熱效率。