主動射流點火天然氣發動機的燃燒控制策略

王 巍，趙自慶，蔡開源，劉 奕，劉 尚，劉 偉，王 志

（清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084）

前言

內燃機是交通運輸領域最常用的動力裝置，其在航空、船舶、工程機械等領域也有較為廣泛的應用。根據IEA的預測［1］，到2030年，全球采用內燃機的車輛占比仍大于85%。目前絕大部分內燃機仍以石油作為主要能量來源，持續增長的內燃機市場使我國原油進口依存度逐年提高，對國家能源安全造成了巨大威脅。在此背景下，我國承諾在2030年實現“碳達峰”，2060年實現“碳中和”，持續推動內燃機節能減排將有效促進交通領域提前實現“雙碳”目標。因此，內燃機亟需進行技術革新，使用綠色、低碳、可再生清潔燃料，結合高效燃燒技術，降低環境影響，使內燃機換發新的生機。

天然氣（CH4）是一種低碳的替代燃料，相比于傳統汽油、柴油等化石燃料，天然氣成分以甲烷為主，分子中含碳量低，使用天然氣作為燃料可降低CO2排放約25%，同時天然氣燃燒產生的顆粒物排放低。天然氣的辛烷值高（＞120），具有良好的抗爆性能，但是難以實現壓燃，因而目前天然氣發動機主要采用火花點火［2］和雙燃料預混引燃［3］這兩種燃燒模式。其中火花點火模式在天然氣發動機中應用最為廣泛［4］。為了提高發動機熱效率，提高壓縮比是常用的有效手段之一，但壓縮比過高會導致爆震等不正常燃燒現象［5］，給發動機運行的穩定性和可靠性帶來威脅。采用稀燃和廢氣再循環技術（EGR）有利于抑制爆震，同時提高循環熱效率，但在稀燃和高EGR條件下，天然氣難以點燃且火焰傳播速度慢，燃燒惡化［6］。為了提高稀燃條件下的點火穩定性，需要采用高能點火技術，而射流點火是其中一種點火能量較高、結構簡單、成本較低的高能點火技術，相比于傳統火花塞，射流點火技術可將點火能量提高2～3個數量級［7］。

射流點火技術分為被動和主動兩種，其工作模式均為火花塞先點燃射流室內的混合氣，形成高溫高速的火焰射流并通過射流噴孔進入主燃室，進而引燃主燃室的混合氣。其區別在于被動射流模式下射流室和主燃室的混合氣濃度相同，而主動射流模式下可向射流室內部獨立噴射輔助燃料，在射流室和主燃室形成濃度分布不均的分層混合氣。對于被動射流點火，Shah等［8］基于天然氣單缸發動機開展了試驗。結果表明，相比于傳統火花塞，射流點火可將燃燒持續期縮短30%左右，并且拓展了發動機的稀釋稀燃極限。Takashima等［9］在一臺小排量發動機上開展了試驗研究。結果表明，點火位置對射流點火性能有較大影響，點火位置靠近射流噴孔時有利于拓展稀燃極限。相比于被動射流點火，主動射流點火具有更強的拓展稀燃極限的能力。Shah等［10］在一臺天然氣單缸機上開展了試驗研究。結果表明，采用主動射流點火后稀燃極限拓展至λ=2.9，而被動射流點火的稀燃極限僅為λ=1.7。Baumgartner等［11］基于一臺天然氣單缸機研究了射流室結構、天然氣噴射時刻和脈寬對發動機燃燒和排放特性的影響。結果表明，減小射流噴孔面積有利于提高射流速度，適當增大射流噴孔面積并將射流方向引導到活塞上面的擠流區域，有利于提高發動機的燃燒性能。

為了實現更好的射流燃燒效果，需要對射流燃燒的技術參數進行優化。射流室的噴射參數對射流點火發動機的燃燒特性有重要影響，而針對主動噴射策略（尤其是噴射壓力、噴射脈寬等）對射流燃燒特性影響的系統研究較少，因此本文基于天然氣射流點火發動機，研究了主動噴射壓力和脈寬對整機燃燒特性、熱效率的影響，為主動射流點火燃燒系統研發提供依據。

1 試驗臺架與研究方案

本研究在一臺射流點火天然氣單缸機上進行，該單缸機由一臺1.8 L火花點火天然氣發動機改造而來，在進氣道和射流室內均安裝有天然氣噴射器，向主燃室和射流室內獨立供應天然氣，能夠實現被動射流點火和主動射流點火兩種點火方式。發動機的主要技術參數如表1所示，圖1是試驗臺架的示意圖。圖2是發動機射流室結構示意圖，其中主動射流天然氣噴射器可向射流室噴射輔助燃料（天然氣），射流室形成的火焰射流通過射流噴孔進入主燃室。試驗所用射流室的體積為活塞位于壓縮上止點時主燃室體積的2%。

圖2 射流室結構示意圖

表1 發動機技術參數

圖1 試驗臺架示意圖

發動機采用NI控制系統實現對進氣壓力、燃料噴射時刻和噴射脈寬、點火時刻等精確測量和控制，使用Kistler 6115C型缸壓傳感器采集缸內壓力并通過NI控制系統記錄、輸出數據，試驗中發動機轉速穩定在800 r·min-1，常規氣體排通過排放儀Horiba MEXA7200進行采集分析。試驗所用的主要設備如表2所示。

表2 試驗設備參數

試驗研究了天然氣單缸機在主動射流點火條件下噴射脈寬和噴射壓力對發動機燃燒特性的影響。采用進氣道噴射天然氣，試驗時保持進氣道天然氣噴嘴的噴射壓力為0.8 MPa，使得進氣道形成過量空氣系數為1.6的天然氣預混合氣。射流室內安裝直噴噴射器，通過控制噴射器的脈寬來調節天然氣噴射量。試驗過程中，射流室內天然氣噴射壓力在0.5～3.0 MPa變化。進氣道噴射器、射流室直噴噴射器均由NI控制系統精準調節噴射時刻和脈寬。表3列出了本試驗的工況參數。其中，天然氣進氣道噴射脈寬保持為18 ms，天然氣進氣道噴射流量穩定在1.37 kg/h；天然氣射流室主動噴射根據噴射壓力和脈寬的不同，流量范圍為0.28～1.93 g/min，占混合氣總能量的1.2%～7.8%。

表3 試驗工況參數

2 結果分析和討論

2.1 主動和被動射流點火效果對比

圖3（a）示出了主/被動射流模式下，發動機連續50個循環的缸內壓力曲線。可以看出：主燃室稀燃工況下，采用被動射流點火，發動機缸內壓力的波動較大，出現了失火的現象，燃燒不穩定；采用主動射流點火，發動機無失火現象出現，燃燒穩定性改善。圖3（b）示出了圖3（a）中被動射流點火模式下前6個循環的缸壓曲線圖，循環出現的順序如圖所示：第1個循環為正常燃燒，第2個循環發生了失火（燃燒不穩定造成），第3個循環爆發壓力最高，其原因在于上一個循環殘余的燃料（活性成分）保留到了下一個循環，使得該循環混合氣加濃，著火提前，缸壓升高。

圖3 主/被動射流模式的缸壓曲線

圖4示出了相同負荷和點火時刻下，主動和被動射流點火模式的缸壓和放熱速率曲線。兩個工況的指示平均有效壓力均為0.62 MPa，點火時刻均為-24°CA ATDC，其中主動射流點火工況的進氣道天然氣噴射脈寬為19 ms，射流室天然氣主動噴射時刻為-30°CA ATDC，噴射脈寬為2 ms；被動射流點火工況的進氣道天然氣噴射脈寬為19 ms，無射流室主動噴射。

圖4 主/被動射流點火模式下的缸壓和放熱率

從圖中可以看出，在相同負荷和點火時刻條件下，主動射流點火模式的主燃室峰值壓力和峰值放熱速率更高，并且峰值壓力出現的時刻明顯提前，燃燒相位整體前移。這表明，相較于被動射流點火，主動射流點火具有更高的點火能量，可顯著加快燃燒速度，有利于提高燃燒等容度，進而提高熱效率。

2.2 主動噴射壓力對發動機燃燒特性的影響

圖5示出了主動噴射脈寬為2和5 ms時不同主動噴射壓力下的缸壓和放熱速率。

圖5 相同噴射脈寬時不同主動噴射壓力下的燃燒特性

在噴射脈寬較低（2 ms）時，隨著主動噴射壓力增大，發動機的缸壓和放熱速率峰值單調升高，且燃燒相位明顯提前；由局部放大圖可知，在-20°CA ATDC附近，主燃室的放熱速率有明顯的抬升，這是射流室形成的火焰射流進入主燃室導致的，放熱速率抬升的幅度取決于射流火焰能量的大小。隨著主動噴射壓力的增大，放熱速率抬升幅度增大，表明射流火焰的能量增強。這是由于主動噴射壓力增大，射流室內混合氣濃度增大，燃燒釋放的熱量更多，產生能量更高的火焰射流。而在噴射脈寬較大（5 ms）時，隨著主動噴射壓力增大，發動機的缸壓和放熱速率峰值先升高后降低，在噴射壓力為2.0 MPa時達到最大，此時燃燒相位最為靠前，燃燒速率最快。由局部放大圖可知，當噴射壓力小于1.5 MPa時，放熱速率呈兩階段變化特征：主燃室放熱速率先小幅度抬升而后下降（射流火焰進入主燃室），此后放熱速率繼續增大（主燃室內混合氣被射流火焰引燃）。當噴射壓力大于1.5 MPa時，主燃室放熱速率呈現單階段特征，這是由于射流火焰能量高，主燃室混合氣被迅速引燃，因此燃燒初始階段放熱速率單調增加。

當主動噴射壓力或主動噴射脈寬較低時，增加噴射壓力和噴射脈寬均可提高發動機的峰值燃燒壓力和峰值放熱速率，這是由于增大噴射壓力或脈寬，噴入射流室的天然氣量增多，在射流室內形成更富集的天然氣混合氣，使得燃燒相位提前，主燃室混合氣燃燒速度提高，燃燒等容度提高，進而循環熱效率增加。當射流室內混合氣被火花塞點燃后，富集的混合氣燃燒釋放更多的熱量，燃燒壓力更高，射流室和主燃室之間產生更高的壓差，進而產生速度更高、溫度更高、貫穿距離更長的火焰射流，這樣可以產生更多的著火點位，并且更高的射流溫度更容易引燃主燃室的稀混合氣，因此提高了主燃室混合氣的燃燒速度。當噴射壓力或噴射脈寬繼續增大時，射流室的天然氣噴射量進一步增大，在射流室內形成了過濃的混合氣，混合氣過濃不利于射流室內火焰的傳播，進而導致火焰射流的速度和貫穿距離降低，射流點火的效果減弱，因此主燃室混合氣的燃燒速度和峰值放熱速率降低，混合氣燃燒速度降低。

圖6和圖7分別示出了主動噴射壓力和噴射脈寬對燃燒相位CA50和燃燒持續期的影響。本文中燃燒持續期定義為從燃燒放熱達到整體放熱量的10%到90%所經歷的曲軸轉角。

圖6 不同主動噴射壓力和脈寬下的燃燒相位

圖7 不同主動噴射壓力和脈寬下的燃燒持續期

由圖6可知：在2～4 ms脈寬范圍內，相同噴射脈寬下，CA50隨著主動噴射壓力的增大而逐漸提前，相同噴射壓力下，CA50隨著噴射脈寬的增大而逐漸提前；當噴射脈寬為1或5 ms時，高噴射壓力才會出現燃燒遲滯現象。以上結果與前述缸壓、放熱速率的分析一致。

由圖7可知，隨著噴射壓力和噴射脈寬增大，整體燃燒持續期的變化趨勢和燃燒相位的變化趨勢不盡相同。只有在最低的噴射壓力（0.5 MPa）時，噴射脈寬增大使燃燒持續期有所降低。在其他噴射壓力下，隨著噴射脈寬的增大，燃燒持續期均增大，這與燃燒相位的提前趨勢恰好相反，主要由于長噴射脈寬使射流室中天然氣增多，較濃混合氣燃燒雖然可以產生較高的射流點火能量，進而提高燃燒速度，燃燒質心前移，但是由于射流室內部的混合氣過濃，導致無法完全燃燒，射流室和主燃室的換氣不充分，導致射流室內部殘余天然氣需要更長時間才能燃燒充分，整體的燃燒持續期增加。

圖8示出了不同主動噴射壓力和噴射脈寬下發動機負荷的循環波動率。可以明顯看出，當噴射壓力為0.5 MPa，噴射脈寬為1 ms時，發動機的循環波動率達到了4.2%，發動機燃燒的穩定性較差。這主要由于射流室內天然氣較少，在主燃室稀薄燃燒的環境下，點火能量不足，循環波動增加。隨著噴射壓力和脈寬的增大，發動機的循環波動率穩定在1%左右，燃燒穩定性提高，且在穩定燃燒條件下，發動機的循環波動率受主動噴射脈寬和噴射壓力的影響較小。

圖8 不同噴射壓力和脈寬下的循環波動率

圖9和圖10分別對比了不同主動噴射壓力和脈寬下平均指示壓力（IMEP）和指示熱效率的變化。

試驗中，每個工況點的進氣道噴射的天然氣的量是相同的，同時點火時刻也保持相同。隨著主動噴射壓力和脈寬的增大，每循環進入燃燒室的天然氣總量增加，但由圖9可知，在噴射壓力達到1.5 MPa后，隨著噴射脈寬的增大，發動機的IMEP降低。由圖10可知，只有在噴射脈寬較低（1 ms）時，主動噴射壓力對指示熱效率影響較小。隨著噴射脈寬的增大，不同噴射壓力下的指示熱效率的差異逐漸增大，且指示熱效率隨著主動噴射壓力的增大而降低。綜合來看，在較低的噴射壓力下，即噴射壓力為0.5和1.0 MPa時，發動機指示熱效率最高，且指示熱效率隨噴射脈寬的增大變化小。隨著噴射壓力進一步增大，指示熱效率降低，且相同噴射壓力下，噴射脈寬越大，指示熱效率越低。這主要由兩方面原因導致：（1）隨著主動噴射壓力和噴射脈寬增大，發動機峰值放熱速率增大，且燃燒質心提前，在保持點火提前角不變的前提下，CA50將過于提前，未處于最優燃燒相位，這是導致指示熱效率降低的主要原因；（2）由于主動噴射壓力和噴射脈寬增大，射流室內形成過濃的混合氣，導致燃燒不完全不充分，噴射壓力和脈寬過高時，過濃的混合氣還會阻礙火焰射流的產生，這將進一步降低循環熱效率。

圖9 主動噴射脈寬和噴射壓力對IMEP的影響

圖10 主動噴射脈寬和噴射壓力對指示熱效率的影響

3 結論

本文在一臺天然氣射流點火單缸機上研究了主動射流點火模式下，主動射流氣體噴射壓力和噴射脈寬對射流燃燒特性和熱效率的影響，主要得出以下結論：

（1）相比于被動射流點火，在相同的負荷和點火時刻條件下，主動射流點火模式著火相位提前，峰值燃燒壓力和峰值放熱速率均明顯提高，燃燒初期速度加快。

（2）主動噴射壓力和噴射脈寬低時，循環波動大，此時增加主動噴射壓力和噴射脈寬可以提高燃燒穩定性。在穩定燃燒條件下（循環波動率小于1.5%），繼續增加主動噴射壓力和脈寬對循環波動影響較小。

（3）增大主動噴射壓力和噴射脈寬可提高峰值燃燒壓力和峰值放熱速率，使初始階段燃燒速度加快，但會導致整體燃燒持續期延長。

（4）在保證燃燒穩定性的前提下，固定點火提前角，采用較低的主動噴射壓力和脈寬，使得射流室內混合氣能充分燃燒，并能產生較高能量的火焰射流，此時指示熱效率高。樣機優化的噴射策略為：主動噴射壓力0.5 MPa，主動噴射脈寬2～5 ms時，指示熱效率提高2.8%。