高压缩比汽油机分层压燃效果的光学诊断

张志永，高定伟，赖海鹏，张 彬，邢化锋

（1. 长城汽车股份有限公司，保定 071000，中国;2. 河北省汽车工程技术研究中心（筹），保定 071000，中国）

高压缩比和稀薄燃烧技术已经成为公认的汽油机提升油耗和降低排放的主要技术[1～3]。本田、丰田相关研究表明，采用高压缩比、稀薄燃烧并结合长行程等其他技术，发动机的有效热效率可到达45%以上[4～5]。高压缩比理论上可大幅提升发动机指示热效率，但也使汽油机的爆震增加。稀薄燃烧技术在一定程度上可以抑制爆震的发生，但混合气过稀影响火花点火和火焰传播，造成燃烧恶化。

本田和丰田的相关研究均采用了高能点火技术。然而，因技术不成熟且成本高，该技术仍制约着发动机量产。均质压燃技术在部分负荷区域利用柴油机的特点，采用汽油自燃，不受火花塞点火的限制。但单纯的压燃燃烧控制非常困难，控制不当极易产生失火和爆震。

王志等人在缸内直喷(gasoline direct injection，GDI)汽油机上实现了均质充气压缩点燃 (homogeneous charge compression ignition, HCCI)燃烧，研究了火花点火对HCCI 燃烧特性的影响。结果表明：HCCI 燃烧方式较火花点火火焰传播燃烧方式放热速率快，热效率高，NOx大幅度降低。在HCCI 临界状态时，火花点火有助于提高燃烧稳定性，抑制失火和爆燃，降低循环波动；当火花点火时缸内温度远超过临界着火温度时，火花点火对HCCI 燃烧影响不大[6]。

本田提出的火花辅助 (spark assisted, SA)的 HCCI(SA-HCCI)技术为HCCI技术产品化提供了新的思路[7]。为实现高热效率的预混合压缩着火，通过火花塞点燃的微量直喷燃料形成的微小燃烧触发自燃着火的方式，使得燃烧稳定性明显提高，燃烧范围扩大2～3倍。

本文采用进气道喷射形成预混混合气，压缩上止点前利用直喷喷油器喷入部分燃油，利用火花塞点燃周围的分层混合气。在高压缩比发动机上，火焰前锋形成的高温高压触发未燃混合气自燃，形成压燃效果。相继开展了不同直喷喷油持续期、喷油时刻、轨压大小对分层压燃效果的影响试验。

1 研究思路

研究表明[8]：汽油和空气混合物在温度达到1 000 K以上时，会发生快速自燃。常规的做法是采用负阀重叠 (negative valve overlap, NVO) 技术，获取高比例的内部废气再循环 (exhaust gas recirculation，EGR) 从而有效提高缸内温度，但需要采用小升程小持续期的气门型线。汽油从700 K左右的冷焰，到发生自燃所需的温度，一方面可以通过压缩过程提升，另一方面借助于高比例的内部热EGR实现，如图1a所示。此方案因最大气门升程减少从而会减少发动机大负荷进气量，影响外特性的动力性。这方面研究较多的是借助可变气门机构实现，成本较高，控制系统复杂[9-10]。

本研究中，通过火花塞点燃(SA)少量直喷燃料，诱发混合气达到自燃的目标温度。如图1b所示：一方面采用高压缩比，提升未燃混合气压缩过程的温度；另一方面借助于火花塞周围分层混合气燃烧产生的热对流和热辐射，使得燃烧室未燃混合气更容易达到自燃温度从而实现分层压燃。与传统的缸内直喷 (GDI)分层燃烧相比，通过控制直喷喷油量，控制分层混合气数量，能够形成一种同时具有火焰传播和自燃特征的混合燃烧模式。

图1 2种不同HCCI燃烧实现方式的技术原理

2 试验装置与试验方法

2.1 试验装置

试验用机为一台缸套为石英玻璃的光学单缸发动机，喷射方式为直喷 + 气道燃油喷射(port fuel injection， PFI)；燃油类型为92号汽油；其他主要参数如表1所示。

表1 试验机基本参数

试验采用Lavision高速CMOS相机，3.6 kHz，1 024 × 1 024像素；IAV公司的开放式控制单元ETU，控制喷油时刻及脉宽，调整点火时刻，并能够实现曲轴转角和相机信号的同步控制；台式电脑中安装了图像处理软件，用于控制相机工作，存储相机图像；PUMA控制系统控制台架倒拖发动机到指定转速，为发动机提供必需的油、水、气等。进气控制单元，可以提供压力可调、温度25～70 ℃可调的稳定气源。自制的高压供油系统提供最高20 MPa的轨压。采用了日本京滨公司的低流量喷油器，对直喷喷油器在不同工况下进行了标定，20 MPa下静态流量2.565 g/s，喷油持续期和实际喷油量呈良好的线性关系。为实现气道燃油喷射，台架还单独布置了一路低压喷射系统。AVL622燃烧分析仪用于发动机数据采集和处理。采用加长活塞，并在活塞中间部分引入压缩空气进行冷却。AVL 630空气/燃油比测量仪用于Lambda测量。

2.2 试验方法

试验工况控制的基本参数如表2所示。试验方法如下：在ETU软件中设定目标进气压力、PFI喷油量和喷油时刻、直喷喷油量和喷油时刻、轨压等初始参数。测量前先用测功机倒拖发动机5 min左右，然后在上止点前(before top dead center, btdc)打开点火和喷油开关，通过调节进气压力和PFI喷油量，达到目标过量空气因数和目标平均指示有效压力（indicatory mean effective pressure，IMEP）。待工况参数相对稳定（循环波动率COVIMEP＜5%，燃烧重心CA50 = 5°～ 7°，其中：COV为循环波动率 （coefficient of variation）；CA为曲轴转角(crank angle)； CA50为累计放热量一半对应的曲轴转角）后，启动高速摄影装置，每CA 2°采集一张图片，每循环拍摄360张图片。记录连续50个循环的图像数据。利用平均后的图像和原始图像相结合，可说明不同参数控制下的缸内燃烧特征。

表2 试验工况

3 试验结果与分析

3.1 典型的分层压燃特征分析

图2是基于表2试验工况参数，调整GDI直喷喷油时刻为压缩上止点前(btdc)的曲柄转角CA(btdc) =80°，轨压3.8 MPa，直喷喷油持续期为2 ms，PFI喷油持续期为2.77 ms下测到的单个循环典型的气缸压力、压力升高量和瞬时放热率的曲线。

图2 分层压燃模式下燃烧特征分析

图2显示：缸压和压力升高量曲线在CA 6°均出现拐点。拐点之后，压力升高量转为明显增加，呈现一个尖峰。同时，气缸压力也快速升高到峰值。放热率曲线上也显示，放热过程呈现明显的两阶段放热，在CA 5°出现拐点，拐点位置略提前于缸压5°之前，放热率曲线比较平缓，符合火花点火(spark ignition, SI)燃烧特征。5°之后，放热速度快速增加，同时燃烧持续时间缩短，符合HCCI燃烧特征。研究表明：该燃烧模式是一种同时具备火焰传播和压燃燃烧的特征的混合燃烧模式。

Martz等人[11]采用详细化学动力性机理对这一燃烧现象进行过仿真。研究认为，当未燃混合气温度低于 1 100 K时，火焰前锋面传播至未燃混合气后仍然为火焰传播燃烧方式；当未燃混合气的温度高于 1 100 K时，火焰前锋面传播至未燃混合气后，将转换为多点自燃燃烧。文献[12]对此种燃烧模式也曾做过解释，在该燃烧模式下，在着火过程前期有一定程度的火焰传播，缸内平均温度上升，触发未燃混合气的化学反应，使未燃混合气实现自燃。在小负荷下采用混合燃烧，可通过火焰传播提供自燃所需的能量；在中高负荷下，可避免因过多混合气自燃造成燃烧粗暴。火焰传播和可控压燃模式有机结合，有利于实现不同燃烧模式之间的过渡。

3.2 直喷喷油持续期对分层压燃的影响

在分层引燃压燃模式下，改变GDI的喷油持续期，研究直喷喷油量对燃烧的影响。图3是基于表2试验基本参数，调整GDI直喷喷油时刻为CA(btdc) = 80°，轨压3.8 MPa下，试验测得的3种不同喷油持续期的分层压燃的平均放热率曲线。

图3 直喷喷油持续期对分层压燃放热率的影响

3种情况下，第1阶段燃烧放热速度差别不大。分析认为，随缸内喷油量增加，火花塞附近混合气更容易实现分层，有利于火焰传播；但缸内喷油量增加时，燃油雾化吸热冷却，又延缓了燃烧放热。二者综合起来对第一阶段的燃烧放热影响不大。但随着缸内喷油量增加，第2阶段的燃烧存在明显的差异。喷油持续期为0.5 ms时，二段放热峰值较低，只有15 J/(°)，且整体放热持续期较长，燃烧缓慢。

研究认为：该工况下，缸内混合气分层不明显，火焰传播过程中，周围混合气不存在明显浓区，压燃区域燃烧温度较低，燃烧缓慢。喷油持续期为1.2 ms时，缸内混合气分层明显，火焰传播过程中，周围混合气存在浓度，因缓慢氧化产生高温区域，更利于压燃。图3显示：燃烧放热率可达到38 J/(°)。喷油持续期为2 ms时的放热率曲线与1.2 ms比较类似。分析认为：相对于喷油持续期1.2 ms，缸内喷油量的增加一方面增加燃油分层，另一方面又减少了PFI喷射形成的预混混合气的数量，综合起来的燃烧效果与喷油持续期为2 ms时相差不大。

试验中发现：喷油持续期为2 ms时，连续50个循环的燃烧放热率曲线均呈现2个峰值，出现明显的两段放热现象，如图4所示。喷油持续期为1.2 ms时，有2个循环未出现第2个燃烧峰值，如图5所示。这说明：喷油持续期会影响第2阶段压燃的成功率。

图4 2 ms喷油持续期连续50个循环的燃烧放热率

图5 1.2 ms喷油持续期连续50个循环的燃烧放热

此外，定义连续循环内，出现两段放热的循环数占总循环数的比例为分层引燃成功率。图6为分别取连续50个循环，计算的3种不同喷油持续期下的分层引燃压燃成功率。0.5 ms喷油持续期下，压燃成功率较低，只有56%，这说明该工况下直喷喷油量较少，分层燃烧放热能量不足，对未燃混合气温度提升有限，部分循环未触发未燃混合气自燃。因此，为得到稳定的分层引燃压燃燃烧，需适当增加缸内喷射油量，提高压燃稳定性。

图7是通过高速摄影测量的3种喷油持续期下CA(btdc) = 64°时的缸内燃烧状态。图7显示：随喷油持续期的增加，缸内局部燃烧亮度增加，碳烟排放量增多。这是由于随缸内喷油量增加，燃油完全蒸发所需要的时间变长，部分燃油蒸发不完全即发生压燃，导致局部过浓区域产生碳烟。

图7 直喷喷油持续期对碳烟生成的影响

3.3 直喷喷油时刻对分层压燃的影响

基于表2试验基本参数，调整GDI轨压3.8 MPa，直喷喷油持续期1.2 ms，直喷喷油时刻分别为压缩上止点前40°、50°、60°、80°、100°，进行了5种情况下的试验对比。图8显示：100°时，不存在明显的二段放热。

图8 直喷喷油时刻对分层压燃放热率的影响

随着直喷喷油时刻的推迟，燃烧持续期逐渐缩短，二段燃烧放热率峰值逐渐增加。40°和50°时，第2阶段放热曲线呈现明显的尖峰。分析认为：喷油时刻越靠前，直喷燃料雾化蒸发的时间越长，火花塞点火前，缸内混合气均质化程度越高，由于混合气较稀，火焰传播速度小，燃烧缓慢。同时，由于缸内燃烧雾化蒸发吸热，导致缸内平均温度低，周围混合气不易产生自燃，火花点火(SI)燃烧为其主要的燃烧模式。随着直喷喷油时刻的推迟，在点火前直喷燃料未完全雾化蒸发，缸内混合气存在浓度分层，火花塞附近形成浓混合气区域，初期的SI燃烧加剧。如图中 40°和 50°时，第一阶段燃烧放热速度增加，放热量增多，缸内平均温度增加，达到周围混合气自燃温度，引起自燃燃烧，二段放热明显加剧。

如图9所示：直喷喷油时刻由上止点前100°逐渐推迟到 40°，压燃成功率由62%提升至86%。因此，适当的推迟直喷喷油时刻，有助于提升压燃成功率。

图9 直喷喷油时刻对压燃成功率的影响

如图10所示：试验中还发现，直喷喷油时刻由上止点前100°逐渐推迟到 40°时，排气温度由394 ℃逐渐下降到366 ℃，呈逐渐下降趋势。分析认为，直喷喷油时刻推迟后，两阶段燃烧放热加剧，燃料燃烧更加充分，燃烧重心提前，后燃现象减弱，使得发动机的做功效率提升，排气温度下降。

图10 直喷喷油时刻对排气温度的影响

图11为CA(btdc) = 64°时的缸内光学测试结果。

图11显示：随喷油时刻的推迟，缸内局部亮度增加，碳烟量增加。与完全PFI燃烧相比，直喷燃料形成了混合气局部分层。随着直喷喷油时刻推迟，直喷燃料雾化蒸发时间短，尤其是火花点火后喷入的燃料燃烧呈现明显的扩散燃烧特点，造成局部碳烟增加。

图11 直喷喷油时刻对碳烟生成的影响

因此，对于分层引燃压燃燃烧，直喷喷油时刻的选择，一方面要考虑压燃成功率，适当的推迟喷油时刻，另一方面还要考虑排放法规和后处理的要求，合理地控制碳烟排放。

3.4 轨压对分层压燃的影响

缸内直喷压力会影响到缸内喷入油量的雾化蒸发和混合气形成过程，对分层引燃压燃也会产生影响。基于表2试验基本参数，调整PFI喷油持续期为2.9 ms，并根据目标IMEP相应调整了直喷喷油持续期。

图12是试验测试的3.8、10、15 MPa这3种不同轨压下的燃烧放热率曲线。

图12 轨压对分层压燃放热率的影响

轨压从3.8 MPa增加为10 MPa后，燃烧持续期明显缩短，且第一段燃烧放热速度加快。分析认为，这是由于轨压增加后，缸内喷雾雾化效果变好，形成更适合SI着火和火焰传播的分层混合气分布。但轨压增加为15 MPa时，过高的轨压使得缸内喷射的燃油雾化的太快。同时，高喷射压力形成气流运动造成直喷喷雾和PFI喷射的形成的混合气掺混迅速。火花点火前，缸内均质化严重，反而抑制了分层效果，使得火花塞附近浓度下降，抑制了火花点火火焰传播。同时缸内不存在过浓的高温区，平均温度较低，不利于局部压燃。

图13是3种不同轨压下CA(btdc) = 64°时测到的缸内碳烟情况。

图13 轨压对碳烟生成的影响

图13显示：随轨压提高，因缸内雾化效果变好，碳烟含量明显减少。

4 结 论

本文介绍了在一台光学单缸机上，采用气道喷射预混，缸内直喷辅助火花引燃的方法，对汽油分层压燃燃烧方式进行的光学燃烧诊断研究。

1） 高压缩比发动机不采用负阀重叠，利用气道燃油喷射（PFI）预混，缸内直喷辅助火花点火，可以实现分层引燃压燃燃烧。其燃烧模式是一种混合燃烧模式，具备火焰传播和压燃燃烧的两阶段燃烧放热特征。

2） 随缸内喷油量增加，分层效果明显，第2阶段的燃烧放热在更为明显，适当提高缸内喷油量，有助于稳定压燃，但缸内喷油量过大，局部过浓会导致碳烟排放增多。

3） 随直喷喷油时刻的推迟，在点火前直喷燃料未完全雾化蒸发，火花塞附近形成浓混合气区域，初期的火花点火燃烧加剧，有助于提升压燃成功率，但喷油时刻过于提前，亦会造成碳烟排放加剧。

4） 轨压增加后，缸内喷雾雾化效果变好，形成更适合火花点火和火焰传播的分层混合气分布。但过高的轨压使得缸内喷射的燃油雾化的太快，火花点火前，缸内均质化严重，反而抑制了分层效果。同时缸内不存在过浓的高温区，平均温度较低，不利于局部压燃。

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