主动预燃室式直喷汽油机稀薄燃烧性能研究

杨 玻

（四川机电职业技术学院，四川 攀枝花 617000）

稀薄燃烧主要是指发动机在现实和理论空燃比条件下的燃烧，促进燃烧更加完全，同时采用科学合理的排放控制措施，有效减少汽油机有害排放物质，促进发动机具有较高的热效率，呈现出良好的燃油经济性。

1 研究意义

新时代发展背景下，各个国家和地区更加关注和重视车辆油耗排放问题，针对实际情况制定严格的法律规定。混合动力、代替燃料、高效率纯内燃机车是将来内燃机有效实现节能减排的主要途径。稀薄燃烧技术具有自身独特的前瞻价值，有效进行高效发动机和当量比燃烧的比较，主要向气缸内部增加相应的新鲜空气，全面增加缸内混合器比热容，有效提高理论热效率，降低泵气损失量，同时有效减少缸内问题，实现传热损失减少的目的[1]。同时，稀薄燃烧能降低缸内温度，对缸内混合物自燃起到良好的抑制作用，最大程度避免出现爆震现象，进一步有效提高压缩比。稀薄燃烧技术在泵气、传热损失减少、混合器比热容和压缩比增加的影响下，有效拓展到45%～50%的发动机有效热效率。

缸内混合气受到过量空气的稀释影响，不断减慢燃烧速度，增加其自燃难度，采用以往火花塞点燃不能高效拓展稀薄燃烧极限，难以有效挖掘其节油效能。因此，人们加大不同点火形式下发动机燃烧和排放性能的研究力度，积极探究主动预燃室拓展稀薄燃烧极限的各种相关影响因素，逐渐出现了电晕、等离子、微波、预燃室等点火技术。相关实验研究充分表明了，等离子点火能够有效加快燃烧速度，拓展稀燃极限。但是，该种点火技术产生较多的NOx，点燃系统容易受到相关因素的影响，出现腐蚀现象，同时和发动机控制和测量单元形成信号干涉。预燃室点火技术能够有效增强点火的安全稳定性，增加燃烧速度，减少发动机油量损耗，同时减少NOx的排放量，呈现出良好的潜力优势，实现发动机高燃效、低排放效果。

2 直喷汽油机稀薄燃烧技术优势

汽油机稀薄燃烧在能源紧缺和环境污染的压力下，不断转变其燃烧模式，突破传统汽油机工作模式，保证发动机正常使用性能的基础上，采用稀薄混合气燃烧，有效减少其油耗，降低尾气排放量，获得更好的燃烧经济性和生态效益。缸内直接汽油喷射是汽油机稀薄燃烧的有效措施，在保持汽缸充量几乎不变的情况下，发动机工况转变应用质调节，有效减少节气门产生的节流损失，全面提升发动机效率。缸内直喷充量分层燃烧技术，在压缩行程后期将燃油喷入气缸，有效配合缸内气流运动，达到混合气分层稀燃效果，在全负荷的情况下，进气行程中喷入燃油，应用化学当量比，有效达到均质混燃烧效果，保持其功率高优势。

燃油的汽化前热能有效减小混合气容积、温度，对发动机的充气效率、爆震趋势产生直接影响。缸内直喷式汽油机的燃油直接喷入气缸，在其周边空气吸收热量蒸发，有效降低气缸内部的温度，提升充气效率。另外，直喷式汽油机能够将燃油直接喷入气缸，有效防止进气道产生湿壁等问题，精准计量每一个燃烧循环供给的燃油，有效减少冷启动过程中HC的排放，加快发动机瞬态响应速度，发动机通常在两个工作循环内进行安全顺利的启动[2]。因此，直喷汽油机稀薄燃烧技术自身具有良好的应用优势，需要人们不断研究和分析主动预燃室式直喷汽油机稀薄燃烧技术，结合精准的现代化先进电控技术，全面提升汽油机整体性能。

3 主动预燃室式直喷汽油机稀薄燃烧性能研究

现阶段，相关专家对气体燃料发动机预燃室技术进行了深层次的研究和分析工作，获得了一定的研究成果。笔者设计相应的主动预燃室点火系统，针对单缸直喷汽油发动机，对比试验分析火花塞、主动预燃室两种点火形式，探究其拓展稀燃极限的内在潜能，详细分析汽油机稀薄燃烧时稳定性的主要影响因素，提高预燃室点火技术和汽油机稀薄燃烧应用效果。

3.1 发动机和设备的设计应用

相关试验研究人员在实际工作中科学合理地设计发动机和设备，采用配 35 MPa 喷射系统的单缸试验机，同时配合相适应的预燃室点火系统。研究人员自行设计火花塞、带喷油器的主动预燃室系统，在单缸机缸盖上进行合理安装。同时，研究人员结合试验研究的实际需求，设计相应的预燃室参数，主要为主动预燃室，保持2.8%的预燃室和主燃室容积比、1.25 mm的喷孔孔径、6个孔数、0.06孔体积和面积比、90°喷孔锥角。另外，试验研究人员在主燃室、预燃室中选择相应地用 KISTLER 6054B 型和火花塞集成式两种缸压传感器，创建独特的预燃式双缸压采集系统[3]。同时，试验人员针对进气压力和温度应用进气模拟增压系统进行合理有效管控，应用可编程的时序控制模块有效调整喷油和点火时刻、喷油量。试验研究仪器设备还包含油耗仪、排放分析仪、测功机、AVL台架测控系统和燃烧分析仪等相关设备。

3.2 试验内容设计

实验研究人员选择发动机日常具有代表性的最低油耗点工况2 750 r/min、平均指示压力1.1 MPa工况，主要研究和分析火花塞、主动预燃室下在不同过量空气系数下燃烧速度、油量损耗、排放性能，同时探究压缩比的提高对稀薄燃烧极限拓展产生的影响。试验人员在实践操作中，对进气量、油耗量进行合理调节，促进过量空气系统从1.0逐渐增加到2.1，同时在试验研究过程中，选择不同工况最优点火角，保持缸内压升率小于0.6 MPa/h，同时有效控制燃烧循环变动率不超过3%，在试验中冷口的进气温度在29 ℃～35 ℃之间、冷却水温度在66 ℃～70 ℃之间。试验人员为了便于定量对比燃烧性能，定义滞燃期，主要为CA10 — IGN火花塞点火时刻到缸内累计放热量达到 10% 时所对应的曲轴转角；定义燃烧中心，主要为CA50缸内累积放热量达到 50% 时所对应的曲轴转角；定义燃烧持续期，主要为CA10 — CA90缸内累积放热量从 10% 到 90% 经过的曲轴转角。同时，本次试验中压缩上止点对应的曲轴转角为0°，正值为上止点后数值、负值为上止点前数值[4]。

3.3 火花塞式点火直喷汽油机稀薄燃烧性能分析

试验人员应用火花塞式点火系统，在不同过量空气系数下对比分析发动机燃烧和排放性能。当恒定负荷工况下，发动机的油耗受到过量空气系数的影响，过量空气系数增加的条件下，其油耗呈现出显著减少的趋势，同时热效率连续上升。压缩比在12.47时，采用该种点火系统，指示油耗率从过量空气系数1.0的情况下，保持的 207 g／（kW·h）下降到过量空气系数为 1.5 时 的 190 g／（kW·h），指示热效率由41%升高到45%。缸内不断增加新鲜空气的情况下，有效降低缸内温度和反应活性，增加没有燃烧的碳氢化合物排放量和缸内氧气含量[5]。同时，钴元素和颗粒物后期氧化速率增高、数量排放降低，随着过量空气系数的加大，氮氧化合物排放增加之后减小，当过量系数1.1时增加到最高值。空气系数持续增加的条件下，氧气浓度继续增加，但是受到缸内温度降低的作用，逐渐降低了氮氧化合物的排放量。

试验人员采用火花塞点火方式的过程中，当压缩比为12.47时，过量空气系数增加到1.5的情况下，COV增加3%之上的限值，难以有效保持稀薄燃烧的稳定性，持续升高过量空气系数时，油耗和排放性能受到燃烧不稳定的影响逐渐恶化。从汽油机整体燃烧过程进行分析，CA50随着过量空气系数的增加，不断延长了滞燃和燃烧持续期，同时在加深稀燃程度的情况下，逐渐降低了缸内温度和爆震倾向，造成燃烧难度，继续增加该滞燃和燃烧持续期，在燃烧不稳定时，COV呈现出明显升高趋势。爆震倾向在高压缩比14.8采用火花塞时和压缩比12.47时相比，CA50延迟，增加燃烧持续期，但是滞燃期减少，点火角IGN减小。该现象充分表明了高压缩比能够有效提升压缩缸内混合气温度压力，创造更好的点火环境。

3.4 主动预燃室稀薄燃烧性能

稀薄燃烧呈现出良好的油耗和排放优点，但是受到以往点火燃烧不稳定等相关因素的影响，不能持续拓展稀薄燃烧极限，进而不能继续挖掘稀燃的节油潜力。主动预燃室在过量空气系数不断增加的条件下持续提前，当过量空气系数为1.4之后，主动预燃室点火的CA50手工纸保持上止点8度周围，呈现出最佳的热功转化过程；当1.4工况以下的过量空气系数，受到爆震限制，主动预燃室点火的燃烧重心呈现出滞后现象，过浓混合气燃烧过程中形成高温高压气体，促进主动预燃室始终在高温环境中，通过导热、辐射传热到主动预燃室末端混合气，促进其火焰前锋面到达之前出现自燃现象[6]。缸内混合气温度在过量空气系数不断增加的条件下，持续降低其温度和爆震倾向，再次呈现出主动预燃室点火迅速燃烧的特点，CA50取得3～4度的提前。

过量空气系数持续增加时，主动预燃室的燃烧持续期延长，和火花塞点火方式相比，没有明显缩短燃烧持续期，主要由于过量空气系数在1.4以后，降低了CA50的滞后燃烧溶度，增加燃烧过程。主动预燃室点火技术展现出迅速燃烧特征，大大降低了未燃碳氢化合物，最大能够下降到84%。钴元素在过量空气系数增加时，呈现出排放量之间减少之后稍微增加。缸内氧气浓度有效氧化碳氢化合物，在加深稀薄燃烧程度的情况，降低了火焰传播速度，COV呈现上升趋势，增加燃烧不完全程度，进而稍微增加了碳氢化合物排放。

主动预燃室的氮氧化合物排放在1.1的过量空气系数时，达到最高值之后呈现持续下降趋势。试验人员采用稀薄燃烧技术的过程中，拓展过量空气系数为2.0时，减少了氮氧化合物的排放。另外，主动预燃室的颗粒数排放随着过量空气系数的增加不断减少，主要是过浓的混合气在狭窄的墙体内燃烧产生中间产物颗粒物，喷入到主燃室之后，大多数被燃烧，仅仅有部分当作排气排出。过量空气系数为1.0周围的情况下，主燃室稀燃程度较低，喷入浓混合气之后，氧气不充足，对颗粒物难以进行有效氧化，进而增加了排气中的PN排放。主燃室内的氧气含量随着过量空气系数的增加不断增大，能够充分燃烧预燃室的颗粒物，从而有效减少排气中的PN。

3.5 提高压缩比主动预燃室稀薄燃烧性能分析

通过试验分析，传统火花塞点火方式下，应用高压缩比技术，存在爆震等现象，不能有效减少油耗，但是采用主动预燃室点火系统能够对缸内爆震起到良好的抑制作用。所以，可以适当提高压缩比，当压缩比为14.8的情况下，研究分析汽油机稀薄燃烧性能。实验研究过程中，应用14.8的压缩比有效降低了燃油消耗率，促进指示热效率实现48%。同时，采用高压缩比的条件下，有效拓展过量空气系数到2.1的情况下，有效缩短了滞燃期，最大能够实现8度的降幅。高压缩比增加了爆震倾向，在过量空气系数较低的情况下呈现出明显现象，当该系数在1.6以下时，CA50出现推迟现象，持续增加该系数的情况下，降低了缸内混合气温度，同时减少爆震倾向，在主动预燃室技术的作用下，进一步有效抑制爆震，最终保持到最佳燃烧相位8度周围。燃烧持续期在稀薄燃烧程度逐渐加深的情况下，不断缩短，在过量空气系数为2.0的条件下，高压缩比的燃烧持续期有效缩短10度。

提高主动预燃室压缩比时，天然碳氢化合物排放和低压缩比设计实验相比，呈现出类似的排放规律。碳氢化合物在过量空气系数不断增加的条件下，其排放呈现稍微增加的现象，在充分满足稀薄燃烧下的主燃室内狭缝效应，随着缸内温度降低不断增强的规律。同时，高压缩比下，氮氧化合物排放在过量空气系数小于1.6条件下，呈现出最大72%的降幅，之后随着稀薄燃烧程度加深，氮氧化合物排放继续下降，当过量空气系数为2.1的条件下，呈现出最低58×10-6的体积分数。CA50数据分析对比，明显表明了高压缩比下氮氧化合物在稀薄燃烧程度小的情况下具有较低的排放，主要由于CA50相对比较滞后，降低燃烧等容度和燃烧峰值温度，促进CA50都能达到最佳燃烧相位8度周围。高压缩比和低压缩比方案氮氧化合物排放水平相当，但是前者能够持续拓展稀薄燃烧极限到2.1，能够有效获取更低的氮氧化合物排放绝对值。

4 结语

本研究主要阐述了直喷汽油机稀薄燃烧技术优势和主动预燃室式直喷汽油机稀薄燃烧性能研究意义，同时分析了发动机和设备的设计应用和试验内容设计，探讨了火花塞式点火和主动预燃室点火实验对比，充分证明了主动预燃室系统匹配高压缩比技术，能够有效改善发动机燃烧性能，减少油耗，提升热效率。