二次喷射对火花辅助压燃燃烧及爆震特性影响的试验研究

陈 锐，董 凯，宫 雨，梁俊洁，李 岩，卫海桥，周 磊，华剑雄



二次喷射对火花辅助压燃燃烧及爆震特性影响的试验研究

陈 锐1，董 凯1，宫 雨2，梁俊洁2，李 岩2，卫海桥1，周 磊1，华剑雄1

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2.北京动力总成有限公司技术中心，北京 101106)

火花辅助压燃(SACI)是一种由火焰传播诱导未燃混合气自燃的新型燃烧方式．但SACI爆震现象限制了热效率的进一步提升．针对这一问题，基于一台高压缩比缸内直喷汽油机，首先对SACI燃烧及爆震界定进行了分析；然后开展了二次喷射策略对SACI燃烧及爆震特性影响的试验研究．结果表明：火花点火是SACI燃烧的一个重要环节，点火过于提前会导致SACI爆震的产生．SACI爆震的压力振荡幅值(MAPO)要高于SI爆震且分布更加离散．二次喷射在燃烧室内可以形成不同的燃油浓度分层，对SACI有良好的爆震抑制效果．当采用喷射比例4∶1、一次喷射时刻300°,CA BTDC、二次喷射时刻140°,CA BTDC时，通过对爆震的抑制获得最优燃烧特性，循环变动系数降低了1.18%,，有效燃油消耗率降低了约3.11%，有效热效率提高了1.05%．

火花辅助压燃；二次喷射；爆震；压力振荡

均质压燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)燃烧模式[1]由于可显著提高发动机热效率及排放特性，受到越来越多研究人员的关注．但HCCI仍然面对许多挑战，如缺少燃烧相位控制的直接手段，爆震限制了负荷拓展等[2-3]．近年来，许多学者提出一种火花辅助压燃(spark assisted compression ignition，SACI)的新型燃烧模式[4-6]，在保证热效率的前提下，可以通过直接点火的方式控制燃烧相位，同时大大拓展了HCCI负荷范围，十分具有潜力．

许多研究人员对SACI的燃烧机理及控制策略方面进行了研究．Wang等[2,7]使用光学发动机对SACI的燃烧过程进行了试验研究，研究指出：火花跳火引起了SACI的第1阶段的燃烧过程，即火焰传播过程；火焰传播进行放热，对燃烧室周围的未燃混合气进行二次加热加压作用，导致第2阶段自燃的发生．Lavoie等[8]根据上止点附近的已燃区温度与未燃区温度，描述了一种多模式燃烧区域图，发现中高负荷为SACI的最优运行区域．Olesky等[3]基于一台装有火花塞的HCCI发动机进行了SACI试验，发现通过控制合适的点火时刻及缸内温度可以降低SACI的放热率峰值．

SACI在较高负荷下，后期未燃混合气发生的快速自燃现象容易导致爆震的发生，限制热效率的提升，产生燃烧噪声[9]．目前对SACI燃烧模式下的爆震研究还有限．并且，关于SACI的早期研究主要集中在使用均质燃油分布及负气门重叠(negative valve overlap，NVO)实现SACI，燃油分层在SACI中的研究较少．Marseglia等[10]通过缸内直喷汽油机(gasoline direct injection，GDI)试验及AVL Fire软件模拟研究发现二次喷射策略具有降低循环变动以及爆震趋势的特点．Benajes等[11]发现在稀燃条件下，二次喷射策略相对单次喷射策略可以更好地实现对火花点火辅助部分预混压燃(partially premixed charge，PPC)的燃烧相位控制，提高燃烧性能及排放性能．因此，本文基于一台高压缩比点燃式发动机，在SACI燃烧模式下对不同二次喷射比例及喷射时刻的燃烧和爆震特性进行试验研究，并与单次喷射进行对比，分析不同的燃油分层情况对SACI爆震的抑制效果，以进一步提高动力性及经济性．

1 试验装置及运行条件

1.1 试验装置

本文试验基于一台由Ricardo E6改装而成的单缸4冲程、缸内直喷(direct injection，DI)点燃式发动机进行．为了提高SACI燃烧稳定性，试验采用双火花点火系统，两个火花塞对称安装于缸盖排气门两侧．点火时刻及喷油时刻通过控制单元Motec M400快速连续调节，分辨率为0.5°CA．试验喷油系统自主开发而成，喷油次数、脉宽和喷油压力可由微控制器灵活调节，调节精度为0.1°CA，喷油器采用西门子压电晶体喷油器．混合气当量比由BOSCH宽域氧传感器测量，测量精度为0.1%，响应时间为0.15,s．缸内压力信号由Kistler 6118A火花塞式压力传感器每隔0.1°CA触发测量，并经Kistler 5011电荷放大器及数据采集卡将缸压数据保存于计算机存储器中．发动机技术参数见表1，试验台架如图1 所示．

表1 发动机参数

Tab.1 Engine specifications

图1 试验台架示意

1.2 运行条件

试验在转速为1,500,r/min、节气门全开条件下开展，进气压力与温度为常温常压．试验开始时首先进行20,min暖机运行，待发动机稳定后保持水温为75,℃、油温85,℃不变．为了减少试验误差，每一个试验工况点采取200个连续循环的缸内压力数据对燃烧过程进行分析和计算．本文SACI燃烧模式由内部EGR策略实现，保持NVO为73°CA不变，此时内部EGR率约为16%,．试验中采用不同喷油策略时，保持循环喷油量为28.7,mg不变以维持混合气浓度为化学当量比．为了使空气、燃料充分混合，试验过程中设置单次喷射时刻为300°CA BTDC．为了明确不同二次喷射策略对于SACI的燃烧影响，试验设置了不同的喷油比例，分别为4∶1、3∶2和2∶3．针对不同喷油比例，第1次喷射时刻设置与单次喷射一致，第2次喷射时刻(the secondary start of injection，SOI2)分别为SOI2＝180°CA BTDC，SOI2＝140°CA BTDC，SOI2＝100°CA BTDC，SOI2＝60°CA BTDC，均在压缩行程．试验过程中气门型线、纯压缩缸压曲线及喷射时刻如图2所示．

图2 NVO＝73°CA时气门型线、纯压缩缸压曲线及喷射时刻

2 SACI燃烧特性及爆震评价

为了更好地分析与比较基于SACI燃烧模式中的单次喷射策略与二次喷射策略对爆震的影响，本部分首先对SACI燃烧模式的基本燃烧特征进行介绍．其次，在相同压缩比、进气量及喷油量运行条件下，与SI爆震进行对比分析，以获得SACI爆震特性及评价指标．

2.1 SACI燃烧特性

图3展示了在NVO＝73°CA工况下，不同点火时刻(ignition timing，IT)的缸压、放热率以及累积质量燃烧分数的变化规律．从放热率曲线可以看出存在明显拐点，定义拐点为SACI火焰传播放热部分(spark ignition，SI)与压燃放热部分(compression ignition，CI)分界点[7]．随着点火时刻的提前，放热率峰值逐渐增大且拐点位置提前，SI放热比例逐渐减少，CI放热比例增加．当点火提前角过于推迟时，缸内最大爆发压力降低且推迟，放热率曲线逐渐接近传统SI燃烧模式的单阶段放热，放热率拐点不明显，即压燃放热部分不明显．这意味着火花点火是SACI燃烧模式中的重要环节，在一定的内部EGR率下，逐渐提前点火时刻可使燃烧模式从SI模式逐渐转变为SACI燃烧模式，并且点火时刻可调节SI和CI燃烧的比例．

图3 SACI燃烧曲线

2.2 SACI爆震特性及评价方法

许多学者指出，当发动机爆震现象发生时，缸内存在高频的压力振荡，振荡频率范围约为4～20kHz[12-13]．另外，根据Nyquist采样定理，在数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号可以完整地保留原始信号中的信息．基于本文试验运行条件下，Kistler 6118A压力传感器采样频率为90,kHz，可获得45,kHz以内的频率信号，故本文将带通滤波设置为4～20,kHz，可以很好地提取爆震信号，去除低频压力信号和高频噪声信号的干扰．作为常用的爆震强度指标，滤波后压力振荡幅值(maximum amplitude of pressure oscillation，MAPO)是由滤波后缸内压力振荡绝对值的最大值计算得到，直接反映了压力振荡的强度，因而本文采用MAPO作为SACI爆震的评价指标．本部分基于不同工况下200个连续循环的MAPO统计分析方法，对比不同SACI与SI两种燃烧模式的爆震特点，以得出SACI爆震界定阈值.

图4 SACI及SI燃烧模式下缸内压力振荡幅值统计分析

图5 SACI及SI燃烧模式下压力振荡

图6展示了两种燃烧模式在不同点火提前角下，从正常燃烧到爆震工况的MAPO概率统计分布情况．图中标记的“正常燃烧”在试验过程中无敲缸声音，“爆震临界”可听见轻微敲缸声音，“强烈爆震”可听见明显敲缸声音．从图中可以看出，SACI燃烧模式在IT＝6°CA～12°CA BTDC的过程中，平均MAPO上升较为缓慢；在IT＝12°CA～14°,CA BTDC的过程中，平均MAPO显著上升．SI燃烧模式在IT＝16°CA～20°CA BTDC的过程中，平均MAPO上升较为缓慢；在IT＝20°CA～21°,CA BTDC的过程中，平均MAPO显著上升．另外，SI的MAPO概率分布曲线峰值要高于SACI，分布更加集中．SI正常燃烧范围主要集中在0.1,MPa以内，SACI正常燃烧范围主要集中在0.2,MPa以内．因此，SI燃烧模式选定爆震临界点IT＝20°CA BTDC时的平均MAPO (0.1,MPa)作为爆震界定阈值．SACI燃烧模式中选定爆震临界点IT＝14°CA BTDC时的平均MAPO (0.2,MPa)作为爆震界定阈值．若单一循环的MAPO超过爆震阈值时，即为爆震循环．当爆震循环数超过测试循环数的10%,时，认定此工况为爆震工况.

图6 SACI及SI燃烧模式下压力振荡幅值概率分布

图7展示了不同点火提前角下指示平均有效压力(indicated mean effective pressure，IMEP)的循环变动系数(coefficient of variation，COV)与爆震循环百分比变化曲线．从图中可以看出，通过MAPO界定SACI爆震趋势时，将爆震阈值定为MAPO＝0.2,MPa可以很好地区分正常燃烧、爆震临界和强烈爆震的不同工况．当点火过于推迟时，由于基本为SI燃烧，内部EGR的稀释作用会降低火焰传播的稳定性，循环变动系数较大．提前点火时，使燃烧模式从SI转为SACI，燃烧较为稳定，循环变动系数较低．而当点火过于提前时，爆震循环百分比出现大幅上升，超过爆震限值，循环变动系数升高[15]．

图7 不同点火提前角下的循环变动系数与爆震循环百分比

综上，可以发现SACI稳定燃烧工况可以产生自燃阶段但没有明显的压力振荡，自燃处于可控范围．另外，SACI爆震由于内部EGR的存在导致前期火焰传播较为不稳定且后期自燃阶段放热过于集中，压力振荡幅值要高于SI爆震且分布更加离散．

3 试验结果及讨论

3.1 二次喷射策略对于SACI爆震的影响

在SACI中点火过于提前时，将会导致高频、高幅值的压力振荡，产生爆震现象，从而限制动力性及经济性的进一步提升．故本文采用二次喷射策略对SACI爆震进行抑制以优化燃烧相位，达到动力性及经济性的提升．本部分将单次喷射策略下SACI爆震工况(IT＝12°CA BTDC)作为基准工况进行对比，分析并讨论采用不同二次喷射比例及喷射时刻对于爆震抑制的影响．

图8 不同二次喷射策略对于SACI爆震及燃烧相位的影响

图8展示了基于SACI燃烧模式，不同二次喷射比例及喷射时刻对于爆震趋势及燃烧相位的影响．从图8(a)可以看出除喷射比例为4∶1，SOI2＝100°CA BTDC(点4∶1)与SOI2＝60°CA BTDC(点*4∶1)时爆震循环百分比相对单次喷射策略有增加外，其他二次喷射策略均具有明显抑制爆震的效果．图8(b)和(c)取不同喷射比例下抑制爆震效果最强的二次喷射时刻进行MAPO概率分布统计并拟合成曲线．可以发现随着二次喷射比例的增大，最大MAPO明显降低，并且MAPO分布更为集中且峰值更为提前．说明二次喷射比例越大抑制爆震的效果越明显．结合图8(d)燃烧相位变化情况可以发现，抑制爆震的效果越强，CA,50(燃料燃烧累积放热量50%对应的曲轴转角)越滞后且燃烧持续期(CA,10-90，燃料燃烧累积放热量10%～90%时对应的曲轴转角)越长．这主要是由于随着二次喷射时刻的推迟，缸内混合气的分层梯度逐渐显现[10]．火花塞附近区域形成当量比＞1(spark＞1)的较浓混合气，通过汽化潜热的冷却作用降低了温度，从而减缓了前期火焰传播的速度．同时，在燃烧室壁面区域附近形成wall＜1的稀薄环境，增长了未燃混合气的滞燃期，减缓了自燃阶段的燃烧速率．两者的相互作用可以减少自燃阶段放热比例，使燃烧相位推迟，增大燃烧持续期，从而降低了放热率峰值及缸压峰值，具有较好的爆震抑制效果．随着二次喷射比例的增加，分层程度更加明显，会进一步增大燃烧持续期，减少自燃阶段放热比例，降低放热率峰值及缸压峰值．因此，二次喷射具有明显的爆震抑制的效果．另外，可以发现不同喷射比例下，当第２次喷射推迟到一定时刻时，均会出现爆震趋势有所升高的现象(如图中4∶1、*4∶1、3∶2、2∶34个点)．说明二次喷射时刻对爆震的抑制程度呈现非单调的关系．

图9 单次喷射不同喷油量对爆震循环百分比的影响

3.2 二次喷射对于SACI动力性及经济性的影响

二次喷射策略在SACI燃烧模式下具有明显的爆震抑制效果．为比较不同二次喷射策略下的性能提升情况，本部分将选取不同喷油比例下稳定燃烧时最大转矩输出(maximum brake torque，MBT)所对应的二次喷射时刻与单次喷射策略作为对比，分析动力性及经济性的提升效果．二次喷射策略分别为喷油比例4∶1、SOI2＝140°CA BTDC，喷油比例3∶2、SOI2＝100°CA BTDC，喷油比例2∶3、SOI2＝180°CA BTDC．

图10展示了二次喷射策略与单次喷射策略的缸压、放热率以及累积质量燃烧分数的变化规律．可以发现，由于二次喷射策略对于SACI爆震的抑制效果，可以使点火提前角增大，进而使放热率峰值及缸压峰值提前．随着二次喷射比例的增加，缸内形成的更加明显的燃油分层不利于后期自燃的发生，从而使缸压及放热率峰值逐渐降低，但均高于单次喷射策略．从图9可以看出，二次喷射策略的整体燃烧速率要高于单次喷射策略．这说明二次喷射策略通过抑制爆震，可以进一步增大点火提前角，优化燃烧相位，实现更为集中的燃烧．

图10 稳定燃烧下最优二次喷射策略的SACI燃烧曲线

图11 最优二次喷射策略下SACI动力性及经济性随点火提前角的变化情况

4 结 论

(1) 火花点火是SACI燃烧的一个重要环节．过于推迟点火时燃烧模式转化为SI，燃烧出现不稳定；提前点火可以使燃烧模式从SI转为SACI，燃烧稳定；点火过于提前时将会导致SACI爆震现象产生，燃烧失稳．

(2) 基于多循环MAPO统计分析的方法，发现SACI稳定燃烧工况可以产生自燃阶段但没有明显的压力振荡，自燃处于可控范围．另外，SACI爆震由于内部EGR的存在导致前期火焰传播较为不稳及后期自燃阶段放热过于集中，压力振荡幅值要高于SI爆震且分布更加离散．

(3) 基于SACI燃烧模式，缸内二次喷射策略具有良好的爆震抑制效果．二次喷射比例越大，抑制爆震的效果越明显．另外，二次喷射时刻对爆震的抑制程度呈现非单调变化的关系．由于高压缩比及内部EGR形成的较高的缸内初始热力学状态，燃烧过程受到二次喷射策略形成的分层混合气影响较大，且燃烧室壁面形成的轻微稀薄混合气有促进爆震的趋势.

(4) 二次喷射策略通过对爆震的抑制，可以增大点火提前角，优化燃烧相位，实现更为集中的燃烧放热．对于本研究中的二次喷射策略，采用喷油比例4∶1、SOI2＝140°CA BTDC时，可以更好地优化SACI燃烧特性．相对单次喷射策略，循环变动系数降低了约1.18%,，IMEP提高了约3.3%,，有效热效率提高了约1.05%,，BSFC降低了约3.11%,．

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(责任编辑：金顺爱)

Experimental Investigations on the Effects of Split Injection Strategy on Combustion and Knock Characteristics in a SACI Engine

Chen Rui1，Dong Kai1，Gong Yu2，Liang Junjie2，Li Yan2，Wei Haiqiao1，Zhou Lei1，Hua Jianxiong1

(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Technical Center，BAIC Motor Powertrain Co.，Ltd，Beijing 101106，China)

Spark assisted compression ignition(SACI)is a new combustion mode by inducing the auto-ignition of unburned mixture with flame propagation. However，the knock of SACI limits the increase of thermal efficiency. In this work，the combustion characteristics and knock detection of SACI were analyzed based on a gasoline direct injection(GDI)engine with high compression ratio. Besides，experiments were conducted to investigate the effects of split injection strategy on the combustion and knocking characteristics. The results show that the ignition timing is an essential factor influencing the knock occurrence. Engine knock is easily induced under SACI with excessive ignition advance. When the knock occurs，the maximum amplitude of pressure oscillation(MAPO)under SACI mode is more discrete and higher than that under the SI mode. Split injection can cause different levels of fuel concentration stratification in combustion chamber，which can suppress the engine knock efficiently. The optimal combustion characteristic is obtained through the improved knock resistance at an injection ratio of 4∶1,with an first start of injection(SOI)of 300°,CA BTDC and second SOI of 140°,CA BTDC. In this case，the coefficient of variation and the brake specified fuel consumption decrease by 1.18%, and 3.11%, respectively，the effective thermal efficiency increases by 1.05%,.

spark assisted compression ignition(SACI)；split injection；knock；pressure oscillation

10.11784/tdxbz201805002

TK417

A

0493-2137(2019)02-0157-09

2018-05-03；

2018-5-31.

陈锐（1963— ），男，博士，教授，R.chen@Iboro.ac.uk.

卫海桥，whq@tju.edu.cn.

国家重点研发计划资助项目(2017YFB0103400).

the National Key R & D Program of China(No.,2017YFB0103400).