高能点火及滚流强化对直喷汽油机稀燃的影响

沈 凯，陈 泓，徐子顺，杜家坤，张振东

(1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 511434)

随着能源短缺、大气污染和更加严格的排放法规，节能减排已成为内燃机研究的热点.化学计量空燃比火花塞点燃发动机广泛应用于汽车[1].在部分负荷下，自然吸气汽油机并没有表现出很好的燃油经济性和排放特性.涡轮增压[2]、发动机小型化[3]和缸内直喷[4]等多种技术都能在一定程度上提高化学计量空燃比汽油机的热效率，但仍有一些原因限制了热效率的进一步提高.首先，内燃机进气过程中存在流动阻力，节气门和进气门的节流作用导致泵气损失.其次，过高的燃烧温度会增加传热损失、降低比热[5-6].大量的热量从工作介质传递到壁面，增加了被加热部件的热负荷.最后，由于缸内直喷无法使空气和燃油充分均匀混合，所以在理论空燃比情况下燃油无法完全燃烧.稀薄燃烧可有效减少这些影响来提高发动机热效率[7-8].Nakata 等[9]研究发现，稀薄燃烧可使有效热效率提升10%以上；然而当空燃比超过稀燃稳定极限时，火花点火击穿阶段后的火焰传播速度将大大降低而无法生成稳定的火焰核，造成点火困难甚至失火[10].脆弱的早期火焰核的周期性变化[11]限制了燃料稀释程度和发动机效率的进一步提高.有效点火能保证火花塞电极间的击穿，产生强壮的初始火焰核，是扩大稀薄燃烧极限的有效途径之一[12-13].当缸内的滚流强度较低、活塞接近上止点时，滚流将无法破碎形成可靠的湍流；从而火焰前锋面无法向外有效传播且转化为充分发展的湍流燃烧[14].因此，为了稳定和有效的稀薄燃烧，火花塞放电能量和缸内滚流强度都需要增加.

文献[15—17]从循环变动、火焰传播、稀燃稳定极限和排放等方面研究了滚流比的变化对稀薄燃烧的影响，但其研究中的滚流比是通过仿真模拟设定的，整个试验没有通过试验验证.文献[10，18—19]研究结果表明，放电能量的增加能提高指示热效率，扩展稀燃极限，但他们没有深入观察研究不同点火能量下其电弧的发展情况和精确的电弧面积.

笔者从微观火焰变动图像分析不同点火能量下宏观燃烧循环变动差异的原因，为了更清晰地观察电弧发展和火焰图像，在缸内直喷单缸汽油机上换用了光学玻璃缸套，点火能量从65 mJ 提升到300 mJ.在进气道上安装高滚流适配器以提高缸内滚流强度，粒子图像测速技术用于对进气道改造进行量化评价.在保证发动机工况不变的条件下，不断增加过量空气系数，研究点火能量和滚流强度对稀薄燃烧稳定性和经济性的影响.从微观火焰变动图像进一步分析高能点火是延长稀燃极限的原因.

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

采用一台匹配直喷式燃烧系统的单缸光学发动机，为保证缸内燃烧过程直观可见，试验中利用熔融石英材料设计透明环状缸套，并通过活塞加长以适应试验过程光路布置需求.表1 为试验用发动机主要技术参数.

表1 发动机技术参数Tab.1 Engine specifications

为保证试验结果的重复性，研究中利用气动模拟增压装置实现进气压力的精确调节，以此模拟发动机进气歧管压力状态.试验中所选气动模拟增压装置由压缩机、稳压腔、调压单元及连接管路组成.在配置稳压腔后，出口压力波动可控制在±1 kPa 以内，满足试验的需要.时序同步控制器通过接收角标器瞬时转角信号实现喷油及点火信号的独立控制，并同步向相机时序控制器发出控制信号，触发相机在指定曲轴转角范围内对缸内燃烧过程进行图像采集.缸内压力通过Kisler 6115 型嵌入式传感器测量，BOSC LSU 4.9 宽域氧传感器对过量空气系数进行测量，采用AVL indicom 燃烧分析仪和Concerto 软件对发动机燃烧特性进行采集、计算及数据分析.使用COMS高速摄像机拍摄所需要的缸内图像.试验台架布置及石英玻璃缸套实际拍摄效果如图1 所示.

图1 试验台架布置示意Fig.1 Schematic diagram of the engine bench

为了对缸内流动过程进行进一步量化评估，采用粒子图像测速技术对缸内的平面稳态流场分布状态进行测量.图2 为自行设计搭建了气道性能测评试验台，主要由集气室、气泵、光学玻璃缸体及缸盖组成.其中，光学玻璃缸体置于缸盖及集气室之间，并采用胶圈对接触面进行密封，防止气体泄漏.通过改变离心式抽气泵工作频率来调节气泵叶轮转速以产生特定真空度，进而改变集气室内压力，实现气道出入口压差的稳定控制.利用ABB 热线式风速仪测量管道内空气流速.向进气道引入示踪粒子并采用Nd：YAG 激光器触发波长为532 nm 的片状激光对光学玻璃缸体内部工质进行切片.结合两台以一定夹角布置的CCD 相机可直接捕捉随气流流动的同一示踪粒子在不同方向上的运动速度矢量，利用后处理软件Techplot 即可提取激光横切面垂直于该平面法方向的速度场分布.

图2 粒子图像测速试验台Fig.2 Particle image velocimetry test bench

1.2 试验工况和数据分析方法

结合单缸光学发动机对稀薄燃烧过程关键影响因素进行对比研究，为保证石英玻璃缸套可靠性，选取2 000 r/min、平均指示压力(IMEP)为0.35 MPa 进行对比研究.喷油时刻均设定为300° CA BTDC 不变.调整模拟增压进气系统，改变增压气体压力输出实现发动机进气歧管状态压力模拟.采用100 个循环的平均指示压力变动率作为燃烧稳定性的度量.控制燃烧循环变动率(CoV)在8%以内.为了获得最佳的燃油经济性采用最大的点火提前角.在所有工况下保持气门正时不变.保持进气温度为35 ℃，冷却液温度为(85±2)℃.

循环变动与缸内燃烧过程的火焰发展密切相关.对循环变动率进行量化分析，即

式中：CoVIMEP为燃烧循环变动率；σIMEP为平均指示压力的标准偏差；pIMEP为平均指示压力的平均值.

利用统计学方法对缸内燃烧过程火焰图像进行深入分析，引入火焰图像变动指数σ2这一定义，其代表火焰的周期变化，方差公式为

式中：σ2为火焰灰度值方差；x 为火焰灰度值；为火焰灰度平均值；n 为拍摄的循环数.公式中火焰灰度值表征相机采集到图像中各个像素点亮度，通常火焰以更亮的形式在图中体现.每个点的火焰图像变动指数由100 个循环的火焰图像的灰度值计算所得.火焰变动所体现的是多个循环同一像素点位置处灰度值的循环变动情况.火焰变动的方差图中，该点越亮火焰图像变动指数就越大，火焰的周期性变化越大.若不同循环该像素点灰度变化较大，则图中通过该点灰度值的方差计算会体现为明亮区域；反之，为黑色区域.

2 试验结果与讨论

2.1 高能点火对燃烧的影响

为明晰高能点火对直喷汽油机稀薄燃烧的影响规律，通过调节放电持续时间增大点火能量.为进一步量化点火能量对燃烧的影响，采用 Tektronix TCP0020 对线圈次级电流进行测量，利用Tektronix P6015A 测量火花塞高压端电压，并基于Tektronix DPO5034B 示波器对特定时间内的电流及电压进行积分求得实际点火能量.图3 为不同点火能量放电电流特性对比.

图3 不同点火能量放电电流特性对比Fig.3 Discharge current characteristics with different ignition energy

通过单缸光学发动机对火花塞跳火过程进行实时采集并对比分析，图4 和图5 分别为普通点火与高能点火火花塞跳火过程对比.普通点火和高能点火均在上止点前20° CA 时点火.不同点火能量下，-16° CA 时火花塞正、负极间隙被击穿并产生明显的电弧.普通点火的电弧在-8° CA 长度达到最大，在-4° CA 便接近消失.高能点火的放电持续时间长，释放的能量多，故电弧更长且存在时间更长.电弧不断被气流带离火花塞间隙，高能点火的电弧在发展过程中出现两种电弧短路的情况(0°～10° CA).其一，电弧越长其电阻就越大，火花塞两极间便会生成新的电弧，原先的长电弧将被短路，被新的长度更短的电弧所替代；其二，长电弧会与火花塞主体金属部件接触，会发生火花塞中央电极与主体金属部件之间生成电弧的情况.而普通点火则不会发生电弧被短路的情况.长电弧能增大击穿区域，利于火核的形成和混合气的燃烧，但短路削弱了长电弧的优势，并减少有效点火能量.通过延长次级电流持续时间可进一步拉长电弧放电过程，在缸内强湍流状态下，可使电弧得到充分延展.通常电弧延展长度增加，能够增大电弧与混合气的接触面积，强化初期火核稳定性，进而改善燃烧过程.

图4 普通火花塞电极间火弧特征对比Fig.4 Arc development characteristics between spark plug electrodes with conventional ignition energy

图5 高能火花塞电极间火弧特征对比Fig.5 Arc development characteristics between spark plug electrodes with high ignition energy

为进一步明晰点火能量对燃烧过程的影响规律，定义燃烧特征参数：MFB(mass fraction burned)为累积放热率时刻；MFB 10 为放热量达到10%的曲轴转角；MFB 50 为放热中心，是放热量达到50%的曲轴转角；MFB 90 为放热量达到90%的曲轴转角；SAMFB 50 为点火时刻到放热量达到50%时所经过的曲轴转角；SA-MFB 10 表示滞燃期；MFB 10-90 表示燃烧持续期.图 6 为不同点火能量条件下 SAMFB 10 与IMEP 的关系对比.随着过量空气系数的增大，燃烧速度变慢.散点越来越分散，说明初始火焰越来越不稳定.在普通点火系统未达到稀燃极限时，两者的散点分布状况相同.普通点火系统在过量空气系数为1.75 时已出现部分循环失火的问题，而采用高能点火系统后，散点仍能保持良好的紧凑性，在过量空气系数为2.00 时才会出现燃烧不稳定的现象.在过量空气系数大于1.75 的极稀薄工况下，高能点火仍能有效保证燃烧稳定性和火核形成，扩展稀薄燃烧极限.

图6 不同点火能量下改变过量空气系数时SA-MFB 10 与IMEP 的关系对比Fig.6 Relationship between SA-MFB 10 and IMEP for different excess-air ratio with different ignition energy

图7 为不同点火能量下燃烧循环变动率对比.随着过量空气系数的增加，循环变动率持续上升，燃烧稳定性下降.在过量空气系数小于1.7 时，不论采用哪种点火能量，其循环变动率曲线相互交叉且差值不大.在原始进气道中，普通点火在过量空气系数为1.7 时就达到循环变动极限，而高能点火在过量空气系数到1.9 时才出现燃烧不稳定现象，高能点火使稀薄燃烧的过量空气系数上限扩大0.2.

图7 不同点火能量下燃烧循环变动率对比Fig.7 Comparison of CoVIMEP with different ignition energy

图8 为采用不同点火能量时燃烧特征参数对比.在过量空气系数为1.6 之前，采用普通或高能点火的用时并没有明显差异.但之后随着稀释率的增加，采用高能点火时，点火时刻距放热中心时间更短，燃烧速度更快，在较高空燃比状态下作用更为明显.主要原因在于：跳火时高能点火火花塞电极间能释放更多的能量，有助于初期火核的形成，且在高稀释率情况下更为显著.同时，初期火核的形成对后续火焰扩展起到积极引导作用，改善燃烧过程，促进燃烧速率提升，燃烧持续期缩短.

图8 不同点火能量下燃烧特征参数对比Fig.8 Combustion characteristic parameters with different ignition energy

2.2 滚流强化对燃烧过程的影响

对于汽油发动机，提高缸内滚流比可在一定程度上改善混合气动能分布.滚流在上止点附近破碎后可进一步转化为湍流，并有效改善湍流燃烧速率，加快燃烧速度，抑制爆震倾向.针对滚流强化对稀薄燃烧过程的影响，基于单缸光学发动机开展试验.在原气道结构基础上提高滚流比，通过在气道内嵌入气流挡块，将气道下半部进行遮挡，使进气道内气流绝大部分自上半部分引入缸内，增大滚流水平.气流挡块由硅胶按气道内壁尺寸逆向倒模制成，试验中能够较好地保持挡块在气道中的位置，满足研究的需要.为进一步量化滚流比对燃烧的影响规律，基于气道测评试验台对嵌入挡块前后气道滚流比进行对比.图9a为不同情况下气道的滚流比.高滚流进气道的滚流比随着气门升程的增加不断变大，在气门升程为3 mm 时达到峰值3.818，之后随着气门升程的增大，滚流比稳定维持在较高水平.而原始进气道的滚流比先减后增，气门升程在3 mm 时达到最小值0.522，随后不断上升，在10 mm 时达到峰值2.988.总体上高滚流进气道的滚流比是原始进气道的1.67 倍.

图9b 为不同进气道的流量系数的对比.在气门升程为2 mm 之前，两种进气道的流量系数同步上升且数值相同.之后随着气门升程的增大，高滚流进气道的流量系数不再变化，保持在0.20.对于原始进气道，流量系数不断上升至最大值0.45.流量系数主要由气门升程决定，故原始进气道的流量系数随着气门升程的上升一直增大.在进气行程前期，气门升程较小，进气量少，高滚流适配器对于进气道流通面积的阻隔对流量系数影响较小.在中后期，流通面积的减少阻碍了流量系数的进一步增加.高滚流进气道的综合流量系数是原始气道的一半，数值与阻隔有效流通面积的50%相一致.试验中模拟的是自然吸气下的缸内流场，相对于滚流比的提高，流量系数的减小在可接受范围内.而对于增压发动机，进气道进口压力大于大气压力，流通面积的减少对缸内进气总量和充量系数的影响会更小.

图9 不同进气道特性对比Fig.9 Characteristics of different intake ports

图10 为采用高滚流气道时燃烧循环变动特征对比.点火能量相同，高滚流进气道能使循环变动率大幅度降低50%，但稀薄燃烧稳定极限仅提高了0.05过量空气系数.这说明高能点火对稀燃极限有显著改善，但对燃烧稳定性作用甚微.而高滚流对燃烧稳定性作用明显，但对稀燃极限提升较小.在中、小负荷下，稀薄燃烧能有效提高充气效率，滚流强化对稀薄燃烧稳定性作用明显，结合高能点火能进一步有效地扩展稀燃过程中的空燃比运行极限.

图10 高滚流气道燃烧循环变动特征Fig.10 CoVIMEP of high tumble intake port

图11 为燃烧持续期随过量空气系数的拟合曲线.在过量空气系数为1.6 之前，高能点火对燃烧持续期影响较小，随着过量空气系数的增加，高能点火对缩短燃烧持续期的作用提升，加快燃烧速度.高滚流气道能有效减少燃烧持续期，且随着过量空气系数的增加，作用更明显.主要原因在于：提高滚流比有助于强化缸内流动强度，上止点附近有更多的滚流转化为湍流，进而加快湍流燃烧速率，缩短燃烧持续期.

图11 高滚流气道燃烧特征参数情况Fig.11 Combustion characteristic parameters of high tumble intake port

2.3 高能点火协同滚流强化对燃油经济性影响

图12 为指示燃油消耗率随过量空气系数的变化.随着过量空气系数的提高，多变指数带来的燃油经济性的提高占主导作用，燃油消耗率均呈下降趋势，体现出良好的燃油经济性.但在极稀薄的情况下，由于过高的循环变动，燃油消耗率无法得到进一步下降.滚流强化对进气道流通截面做部分隔断处理，虽然降低了流量系数，但提高缸内的滚流比，能促进燃烧稳定性同时加快燃烧速度，有效降低燃油消耗.

图12 点火能量和滚流水平对燃油消耗率的影响Fig.12 Effects of ignition energy and tumble level on fuel consumption

2.4 火焰图像分析

为了进一步研究高能点火能提高稀燃极限的原因，从微观火焰图像进行分析，研究理论空燃比下两种点火能量的微观火焰图像.图13 和图14 为普通点火和高能点火的火焰变动的方差.点火正时均为-18° CA，燃烧放热率的三个阶段点 MFB 10、MFB 50 和MFB 90 相近，分别为0°、8°和20° CA.

图13 普通点火不同相位火焰变动方差Fig.13 Variance image of flame variation with conventional energy ignition

图14 高能点火不同相位火焰变动方差Fig.14 Variance image of flame variation with high energy ignition

在-16° CA 时，火核开始形成.在电弧阶段火焰传播开始发生，但此时的火焰传播并不稳定，受点火能量影响较大.高能点火的火焰变动方差图的亮区较大，说明初始火核形成区域变动较大.这是因为高能点火的电弧较长，随气流摆动较大，同时长电弧的短路效应都会导致火核形成区域的不稳定.

两种点火能量在MFB 10-50 的火焰变动方差图像没有明显差异，火焰稳定性相同.

对比MFB 50-90 的火焰变动方差图像，普通点火的黑色区域从12° CA 开始形成，随着曲轴转角先扩大后缩小，直到24° CA 黑暗区域消失.高能点火的黑色区域也是呈先增后减的趋势，10° CA 时开始形成，在20° CA 时消失.高能点火的黑色区域的整体存在相位比普通点火提前约2° CA.高能点火的电弧持续时间较长，在10° CA 消失，之后火花塞周围的火焰趋于稳定，采用高能点火可使火焰较快达到稳定状态，有更大的提高稀燃极限的潜力.

在22° CA 之后的后燃期，虽然普通点火还存在黑色区域，但这时缸内压力相对较低，火焰的稳定性对整个燃烧的循环变动基本没有影响.

高能点火系统在点火初期较大的火焰变动可以提升初始火核的形成速率，有利于后期火焰传播，可靠的点火更有利于燃烧期的稳定性.MFB 50-90 的火焰变动对燃烧稳定性起决定性作用.初始稳定火焰相位越靠近MFB 50，燃烧稳定性就越好.高能点火主要是保证可靠稳定点火，促进火核的生成和初始火焰的传播，从而延长稀燃极限.

图15 为高能点火下不同过量空气系数φa的最小火焰变动的方差.随着φa的增加，黑色区域不断变小，在φa为1.4 时已经没有黑色区域，同时最小火焰变动方差的相位不断推迟，靠近MFB 90 相位.从火焰变动方差图可以看出，随着φa的增加，火焰的稳定性越来越差，与图10 中宏观的CoVIMEP的不断上升一致.

图15 不同过量空气系数下最小火焰变动方差Fig.15 Minimum variance image of flame variation for different excess-air ratio

3 结论

在装有光学玻璃缸套的单缸发动机上，进行稀薄燃烧试验，研究了点火能量和滚流水平对不同过量空气系数下的燃烧稳定性、燃油经济性和火焰变动的影响；高能感应点火系统改变了放电能量，滚流适配器提高了滚流强度.得出以下结论：

(1) 高能点火电弧更长、面积更大，持续时间更长，有利于初始火核的形成；且高能点火能够拓展稀薄燃烧运行极限.

(2) 滚流强化可显著改善燃烧过程的循环变动，采用高滚流进气道能使循环变动降低50%；滚流强化燃烧速度更快，有更优的燃油经济性；随过量空气系数的提高，燃油消耗率的降低幅度越来越小.

(3) 高能点火较大的火焰变动有利于后期的火焰传播，使初始稳定火焰更提前，有更好的延长稀燃极限的潜力.