稀燃条件下主动预燃室式直喷汽油机燃烧和排放特性研究

吴 坚，陈嘉雯，杜家坤，陈 泓，李钰怀，占文锋

(广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广州 511434)

0 概述

在全球变暖的环境背景下，各国家和地区制定了愈发严格的车辆油耗排放法规。替代燃料、混合动力和更高效率的纯内燃机车是未来实现内燃机进一步节能减排的有效途径[1-6]。其中，混合动力和纯内燃机车的持续发展都需要高效率发动机技术支持。

稀薄燃烧是未来实现高效发动机的潜在技术之一[7-9]。相较于当量比燃烧，稀薄燃烧通过向气缸内加入过量的新鲜空气，增大缸内混合气比热容提高理论热效率的同时，减少泵气损失，进一步降低缸内温度，从而减少传热损失[8]。另一方面，缸内温度的降低，有助于抑制缸内混合物自燃，从而抑制爆震的产生，使压缩比的进一步提高成为可能[9]。在泵气损失和传热损失减小及压缩比和混合气比热容增大的多重作用下，使用稀薄燃烧技术可以使发动机有效热效率拓展至45%～50%[10]。日本的跨学科战略创新联盟项目(cross-ministerial strategic innovation promotion program， SIP)中使用稀薄燃烧、绝热涂层等技术把热效率进一步拓展到51.5%。同时，现代公司、日产公司都发布了以稀燃为技术路线的未来50%超高热效率发动机发展图谱。

然而，由于过量空气的稀释作用，缸内混合气的燃烧速度减慢，混合气的点燃也更加困难，传统火花塞点燃难以有效拓展稀薄燃烧的极限及继续挖掘稀薄燃烧的节油潜力。新型的高能点火系统如电晕点火、等离子点火、微波点火和预燃室点火[11-16]等技术应运而生。试验证明，等离子点火[12]可以有效加快燃烧速度，拓展稀燃极限，但NOx排放增多，点火系统容易被腐蚀[13]，且容易与发动机控制单元和测量单元产生信号干涉[14]；电晕点火能有效提高点火效率，拓展稀燃极限，减少燃烧循环变动和未燃全碳氢化合物(total hydrocarbon, THC)排放，但对其他排放物无改善作用[12]；预燃室点火技术能提高点火的稳定性，提升燃烧速度，在降低发动机油耗的同时，可大幅度减少NOx排放[15]，是未来实现超高燃效、低排放的最具潜力技术之一[16]。

在20世纪70年代，受全球第一轮油耗排放法规的推动，预燃室发动机的研发在众多研究机构中大规模开展。MAHLE公司在基于主动预燃室和被动预燃室方面均做了一定研究，分析了不同预燃室控制参数在燃烧、油耗和排放方面的表现[16-20]。文献[19]中在单缸机、多缸机上进行了主动预燃室试验，结果表明预燃室的快速燃烧特性可以有效抑制高压缩比带来的爆震倾向，热效率获得提升；多缸机试验表明，相对传统火花塞，预燃室技术可以减小20%～25%有效燃油消耗量(brake -specific fuel consumption， BSFC)，最低BSFC可以低于200 g/(kW·h)，最高有效热效率超过41%。文献[20]中在一台1.5 L的3缸汽油机上，通过预燃室内喷油量与过量空气系数的协同优化，多缸机上有效热效率可拓展至42%。文献[21]中对预燃室参数在天然气发动机的燃烧过程进行了模拟及试验分析。

目前，已有研究针对气体燃料发动机预燃室技术开展了深入研究工作，并取得了一些阶段性的研究成果，但在传统汽油燃料稀薄燃烧方面的应用研究仍鲜见报道，有待进一步研究。基于上述背景，本研究中采用自行设计的主动预燃室点火系统，在研究型单缸直喷汽油发动机上针对传统火花塞点火方式与主动预燃室点火方式开展对比试验，分析不同点火方式在稀燃极限拓展方面的潜力，进一步明晰稀薄燃烧过程可靠点火及稳定燃烧的关键影响因素，为汽油机稀薄燃烧及预燃室点火技术应用提供理论指导与基础研究数据。

1 试验用发动机和试验设备

1.1 试验用发动机

研究中采用一台匹配35 MPa喷射系统的研究型单缸试验机，通过匹配自行设计开发的预燃室点火系统开展对比试验研究。试验用发动机的主要技术参数如表1所示。

表1 试验用发动机主要技术参数

本研究中设计了一种带喷油器和火花塞的主动预燃室系统，安装在单缸机缸盖上。预燃室详细参数如表2所示，预燃室示意图如图1所示。

表2 预燃室主要参数

图1 主动预燃室示意图

1.2 试验用仪器设备

本试验的主燃室中采用KISTLER 6054B型缸压传感器，预燃室中采用KISTLER火花塞集成式缸压传感器，形成特有的预燃室双缸压采集系统。试验采用进气模拟增压系统控制进气压力和温度，喷油时刻、喷油量及点火时刻采用了可编程的时序控制模块进行调整。采用了AVL的台架测控系统和AVL的燃烧分析仪。其他主要设备如油耗仪、排放分析仪、测功机等主要仪器设备规格与型号见表3。试验台架布置图如图2所示。

表3 台架测控系统主要仪器设备规格与型号

图2 发动机台架测试系统布置

研究中选取发动机常见典型最低油耗点工况 2 750 r/min、平均指示压力1.1 MPa工况，研究传统火花塞和主动预燃室下不同过量空气系数下的燃烧、油耗及排放特性，分析压缩比对稀薄燃烧极限拓展的影响。试验中通过调节进气量及油耗量使得过量空气系数由1.0增大至2.1。试验选取各个工况最优点火角进行，缸内最大压升率不超过0.6 MPa/(°)，燃烧循环变动率(coefficient of cycle-to-cycle variation， COV)控制在3%以内；试验中冷后的进气温度32 ℃±3 ℃，冷却水温度68 ℃±2 ℃。

式中，Magg和Sagg分别表示制造业和生产性服务业的区位熵，Coagg越大，表示制造业与生产性服务业二者之间协同集聚水平越高。

为方便定量对比燃烧特性，定义CA10—IGN为火花塞点火时刻到缸内累计放热量达到10%时刻对应的曲轴转角，即滞燃期；定义CA50为缸内累积放热量达到50%时所对应的曲轴转角，即燃烧重心；定义CA10—CA90为缸内累积放热量从10%到90%经过的曲轴转角，即燃烧持续期。本文中定义压缩上止点对应的曲轴转角为0°，上止点后数值为正值，上止点前数值为负值。

2 试验结果与分析

2.1 不同过量空气系数下传统火花塞式点火性能

采用传统火花塞对稀薄燃烧极限进行潜力探索，并研究不同压缩比(CR)下稀薄燃烧的燃烧和排放特性。

图3为采用传统火花塞点火系统时不同过量空气系数下发动机燃烧及排放特性对比。由图可知：恒定负荷工况下，随过量空气系数增加，发动机的油耗明显降低，热效率持续提升，在压缩比(CR)12.48下，使用传统火花塞点火，指示油耗率(gross indicated specific fuel consumption, GISFC)从过量空气系数为1.0时的207 g/(kW·h)下降到过量空气系数为1.5时的190 g/(kW·h)，指示热效率(gross indicated thermal efficiency, GITE)从41.0%上升到45.0%；由于缸内新鲜空气增多，缸内温度下降，低温导致反应活性降低，未燃THC排放随之增加；缸内氧气含量增加，CO和颗粒物后期氧化速率提升，CO和颗粒物数量(particle number, PN)排放同时下降；且随过量空气系数增大，NOx排放先增大后减小，在过量系数为1.1时达到最大。继续增加过量空气系数，虽然氧气浓度不断增加，但由于缸内温度下降起主导作用， NOx排放也随之下降。

图3 传统火花塞点火在不同过量空气系数下油耗特性

在压缩比12.48下，过量空气系数增加至1.5时，COV已增加至限值3%以上，使用传统火花塞已不能维持稳定的稀薄燃烧，若继续增加过量空气系数，油耗和排放特性将会因燃烧不稳定而恶化。从燃烧过程来看，随过量空气系数增加，CA50提前，滞燃期和燃烧持续期延长。随着稀燃程度的加深，缸内温度降低，使爆震倾向下降的同时也使燃烧更为困难，滞燃期和燃烧持续期持续增加，直到燃烧不稳定，COV显著升高。

使用高压缩比14.80匹配传统火花塞，爆震倾向增加，相较压缩比12.48时CA50推迟，燃烧持续期延长，但点火角IGN变小，滞燃期缩短。这是由于高压缩比提高了压缩终了缸内混合气的温度压力，提供了更为适宜的点火环境。压缩比14.80下的COV更大，在当量空燃比时已经达到限值3%，随着过量空气系数增加，COV持续增加，在过量空气系数1.6时，COV达到7%，此时燃烧极不稳定。由于燃烧不稳定和爆震限制，高压缩比方案的热效率提升受限，在过量空气系数为1.5时，最高指示热效率为43%，此时COV为7%。

2.2 匹配主动预燃室后的性能分析

稀薄燃烧在油耗和排放方面具有明显的优势，但受限于传统点火下燃烧持续期延长及燃烧不稳定等因素，稀薄燃烧的极限无法继续拓展，稀燃的节油潜力没有得到充分挖掘。本节重点对压缩比14.80匹配主动预燃室后的稀燃燃烧和排放特性，与传统火花塞的性能进行对比分析。

图4为传统点火与预燃室点火情况下发动机性能对比。由图4可知，使用传统火花塞，过量空气系数可拓展至1.5，COV为3%；使用主动预燃室后过量空气系数可拓展至2.0，COV为1%，指示油耗率下降5 g/(kW·h)，热效率提升1.5%。传统火花塞点火能量相对较小，使用主动预燃室后，滞燃期缩短，在过量空气系数为1.5时，主动预燃室的滞燃期缩短达7°。这主要归功于预燃室特有的射流点火特性，喷入主燃室时裹挟了大量活性基团的中间产物，增加了缸内超稀混合物的湍动能和着火面积，加快了火焰传播速度，提升了燃烧等容度，缩短了燃烧滞燃期[22]，点火时刻可以更靠近上止点。

图4 传统火花塞点火与预燃室点火性能对比

随着过量空气系数的增加，主动预燃室的CA50持续提前，在过量空气系数为1.4后，预燃室点火的CA50一直维持在理想的上止点后8°附近，热功转化过程最优；在过量空气系数小于1.4的工况，受限于爆震，预燃室点火的燃烧重心较传统点火滞后，预燃室内过浓混合气燃烧产生的高温高压气体，使预燃室一直处于高温环境，经导热、辐射传热到主燃室末端混合气，使其在主燃室火焰前锋面到达之前自燃。随着过量空气系数的增加，缸内混合气温度持续下降，爆震倾向下降，预燃室点火的快速燃烧优势再次显现， CA50相较传统点火获得3°～4°的提前。

与传统火花塞相比，主动预燃室的颗粒数排放有量级的增加，而后随过量空气系数的增加而减小。分析认为，在主动预燃室内过浓的混合气在狭小的预燃室腔体内燃烧形成中间产物颗粒物，被喷入主燃室后，大部分被完全燃烧，残留小部分作为排气排出。当过量空气系数在1.0附近时，主燃室内稀燃程度不高，当预燃室内浓混合气喷入主燃室后，缺乏足够的氧气对预燃室中产生的中间产物颗粒物进行氧化，从而造成排气中的PN排放增加；随着过量空气系数的增大，主燃室内氧气含量增加，预燃室的颗粒物得到充分燃烧，排气中的PN排放下降。

2.3 提升压缩比后预燃室稀燃模式下的性能改善

前期研究结果证明，在传统点火下采用高压缩比技术，受限于爆震等问题，难以进一步降低燃油消耗率，而匹配主动预燃室系统能有效抑制缸内爆震，因此可以采用更高压缩比。针对压缩比为14.80时稀薄燃烧汽油机性能进行试验研究。

图5为不同压缩比12.48与14.80下使用主动预燃室技术的性能对比图。从图中可以看出，采用高压缩比14.80后，相较低圧缩比方案，指示油耗降低了7 g/(kW·h)，指示热效率达到48.0%。在高压缩比情况下，还可以进一步拓展过量空气系数至2.1。同时，进一步提高压缩比后，滞燃期有所缩短，最大降幅8°。

图5 不同压缩比下的主动预燃室的性能表现对比

高压缩比带来的爆震倾向增加，在低过量空气系数时体现得较为明显，在过量空气系数小于1.6时，CA50推迟，继续增大过量空气系数时缸内混合气温度下降，爆震倾向下降，同时在主动预燃室技术的辅助下，爆震进一步被抑制，最终维持在最佳燃烧相位8°附近。

随着稀燃程度的加深，燃烧持续期不断缩短，在过量空气系数为2.0时，高压缩比的燃烧持续期较低压缩比方案缩短10°。

高压缩比下的未燃THC排放与低圧缩比方案的规律类似，随着过量空气系数的增加，THC排放轻微上升，满足稀薄燃烧下主燃室内狭缝效应随缸内温度下降而增强的规律。高压缩比下的NOx排放在过量空气系数低于1.6时获得最大72%的降幅，而后随稀燃程度增加，NOx排放继续减小，在过量空气系数为2.1时获得最低体积分数为58×10-6。对比CA50的数据可知，高压缩比下NOx在稀燃程度较小时的排放低，主要是CA50较为滞后，燃烧等容度下降，燃烧峰值温度下降。CA50均到达最佳燃烧相位8°附近后，两者的NOx排放水平相当，高压缩比方案由于继续拓展稀燃极限至2.1，能获得更低的NOx排放绝对值。

3 结论

(1) 采用稀薄燃烧可以有效降低发动机油耗，提升发动机热效率，但传统点火线圈受限于燃烧不稳定的问题，在拓展稀薄燃烧极限上受到限制。

(2) 试验所选负荷工况下，传统火花塞点火系统稀燃极限在过量空气系数1.5附近，过量空气系数进一步增大会出现燃烧循环变动增大的问题。

(3) 采用主动预燃室点火系统后，由于预燃室快速燃烧特性，过量空气系数可进一步扩展至2.0，燃油消耗率进一步降低，相比传统火花塞式点火系统油耗率降幅可达2.6%。

(4) 主动预燃室系统结合高压缩比技术可进一步改善发动机燃烧性能，降低燃油消耗。本研究所选试验工况下，压缩比14.80时匹配主动预燃室可实现最高48.0%指示热效率。同时，当过量空气系数2.1时，NOx排放分数可低至58×10-6。