超稀薄燃燒對汽油發動機性能影響的試驗研究

王志望 張 華 胡 軻 李連豹 韋 虹 李雙清 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

近年來為應對能源危機和氣候變化，各國發布了更嚴苛的油耗排放法規，促使汽車廠商開發相關技術以提升汽車發動機熱效率，降低排放。提升發動機熱效率的主要技術包括提高壓縮比、停缸/VVL技術、阿特金森/米勒循環、冷卻EGR 和低摩擦技術等。汽油機Otto 循環的熱效率可以通過公式[1]進行表征，從中可以得出發動機熱效率與壓縮比和比熱比正相關。

稀釋/稀薄燃燒通過降低散熱損失和泵氣損失及提高比熱比，從而提高發動機熱效率[2]。隨著稀燃程度的提高，缸內最高燃燒溫度降低，可有效降低爆燃傾向，在超高壓縮比下提高點火角，同時提高比熱比，進而提高熱效率，伴隨著失火及燃燒持續期加長。為解決此問題，需設計快速燃燒系統及應用高效點火系統，如高滾流進氣道、長沖程設計以及適配高效點火系統的燃燒室/活塞頭部形狀等。電暈點火技術作為體著火的一種高效點火方式，點火能量約為0.4～1J[3-4]，根據前期試驗驗證[5]，可以獲得較高的過量空氣系數穩定燃燒，通過適配快速燃燒系統，可以獲得低于20°曲軸轉角的燃燒持續期。

本文在1 臺熱力學單缸發動機上，采用電暈點火系統、快速燃燒系統和超高壓縮比等技術，通過單缸機熱力學試驗，驗證了超稀薄燃燒汽油機的燃燒、油耗和排放特性。

1 試驗設備和試驗方案

1.1 試驗設備

前期已在一款量產3 缸汽油發動機上完成了稀燃摸底測試[5]，本文采用原理相似的電暈點火系統，點火系統基本原理如圖1 所示，包括控制器，電暈點火器。控制器通過常規蓄電池供電，接收ECU 點火信號，經由控制器輸出給發動機點火器，點火器輸出能量控制通過設置控制器的輸出電壓和持續時間進行，電暈點火在未優化燃燒系統特定點不同電壓下的稀燃極限趨勢，如圖2 所示。

圖1 高能點火系統原理圖

圖2 特定點電暈點火燃燒穩定性趨勢

試驗發動機為一款熱力學單缸機，針對燃燒系統進行了適配性設計，包括高滾流進氣道，長沖程設計和超高壓縮比活塞，幾何壓縮比16。發動機整機參數如表1 所示。

通過Kistler 預埋式缸壓傳感器將缸壓信號檢測并傳遞到AVL 含電荷放大器的燃燒分析儀，通過燃燒分析軟件AVL Indicom 實時監測缸壓、放熱率、燃燒相位等參數。通過ETAS-630 監控排氣管處過量空氣系數，通過電暈點火系統控制軟件控制點火電壓和持續時間，改變點火能量，詳細的試驗設備清單見表2。

表2 試驗設備清單

1.2 試驗方案

綜合應用高滾流比進氣道、電暈點火、長沖程設計和超高壓縮比技術，試驗內容為固定工況點，從1.8 到2.6 進行過量空氣系數掃點測試，獲得過量空氣系數與發動機燃燒、比油耗和排放的變化趨勢。在臺架試驗過程中通過電暈控制系統控制點火能量（控制參數包括電暈起始電壓和點火持續時間）以及點火提前角，確保均質超稀薄混合氣的燃燒穩定，單缸機試驗邊界條件控制如表3 所示。

表3 試驗邊界控制條件

2 試驗結果

2.1 過量空氣系數變化對燃燒的影響分析

圖3 所示為熱力學單缸發動機轉速2 000 r/min，平均指示壓力10 MPa 時，氣缸壓力、瞬時放熱率和燃燒相位隨過量空氣系數而變化的曲線。過量空氣系數限值提升可以達到2.3，此時燃燒循環波動率小于3%，在許可范圍內。

a）不同過量空氣系數時最大爆發壓力

b）不同過量空氣系數時點火角

圖3 不同過量空氣系數燃燒特性比較

由圖3a 可以得出，在保持相同IMEP 情況下，增大過量空氣系數，最大爆發壓力持續升高。隨著過量空氣系數進一步提高，因燃燒不穩定，最大爆發壓力有下降的趨勢。

由圖3b 和圖c 可以看出，隨著過量空氣系數的增大，點火角提前以保證穩定燃燒，得益于點火系統的點火能力及超稀燃抑制爆燃能力，燃燒重心的相位（CA50）基本維持在5°曲軸轉角附近，在過量空氣系數為2.25 時燃燒效率最優。這是因為隨著過量空氣系數的增大，稀薄燃油在氣缸內的氣化冷卻效應，降低了超高壓縮比下較高負荷爆燃傾向，使高壓縮比的效果顯現出來，可以改善燃油消耗量，超稀燃的絕熱指數增大，進而提高發動機理論循環的熱效率。當過量空氣系數增大到一定值后，出現失火現象。發動機燃燒循環變動情況如圖4 所示，隨著過量空氣系數的進一步增大，稀薄燃燒工況下的燃燒循環變動率增高，發動機燃燒穩定性變差，至2.35 以上時，燃燒循環變動大于3%，此時發動機燃燒失火嚴重。

圖4 COV 隨過量空氣系數的變化趨勢

2.2 過量空氣系數對油耗的影響分析

熱力學單缸發動機轉速2 000 r/min，指示平均壓力10 MPa 工況，指示燃油消耗率隨過量空氣系數的變化趨勢如圖5 所示。

圖5 指示燃油消耗率

隨著過量空氣系數的提高，高效的點火系統確保超稀薄混合氣的穩定燃燒，通過調整點火角，燃燒相位在最優位置，指示燃油消耗率下降，之后因燃燒不穩定，指示燃油消耗量上升。在2 000 r/min，IMEP10 MPa，過量空氣系數為2.25 時獲得最低發動機指示燃油消耗率為170.5 g/（kW·h），此時指示熱效率約為49.5%（凈熱值42.65 MJ/kg）。

2.3 過量空氣系數變化對排放的影響分析

試驗過程中將過量空氣系數由1.8 以步長0.5逐步提高至2.6，排氣溫度和NOx原始排放呈下降趨勢，點火角提前造成缸內溫度升高，進而使NOx排放相對于前期測試值偏高。在當前邊界下，當過量空氣系數＞2.3 時，NOx排放低于50×10-6，這是由于此時缸內最高燃燒溫度低，進而使NOx原始排放降低，處于比較低的水平。如圖6、圖7 所示。

圖6 排氣溫度隨過量空氣系數的變化趨勢

圖7 NOx 隨過量空氣系數的變化趨勢

3 結論

1）超高壓縮比與超稀薄燃燒結合，耦合電暈點火，可充分發揮高壓縮比和稀燃高絕熱指數的優勢，有效降低發動機燃油消耗率。

2）超稀薄燃燒因缸內最高溫度較低的特點，發動機可以獲得較低的NOx排放，在過量空氣系數＞2.3時，NOx原始排放可以降低至50×10-6以內。

3）在熱力學單缸機上，應用快速燃燒系統和電暈點火技術，可以實現過量空氣系數2.3 穩定燃燒，在2 000 r/min 及IMEP 10 MPa，過量空氣系數2.25 時，發動機實測最低指示燃油消耗率為170.5 g/（kW·h），指示熱效率約為49.5%。在達到較低指示燃油消耗的同時，發動機的NOx原始排放水平處在較低的范圍內。