被动预燃室发动机低温冷起动及低负荷试验研究

孙凡嘉, 罗亨波, 陈泓, 占文锋, 李钰怀, 杜家坤

(广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院,广州 511434)

为应对愈加严苛的油耗法规,超高热效率汽油发动机逐渐成为汽车厂商研发的热点。加快燃烧速度、提前燃烧重心以及减少散热损失和摩擦损失是提高发动机热效率的关键,常见技术有高效燃烧系统、低摩擦、先进热管理、高废气循环EGR(Exhaust gas recirculation)或空气稀释、缸内喷水、深度米勒,以及预燃室射流点火等[1-2]。

预燃室射流点火技术通过引燃小空腔内的可燃混合气,高温、高压混合气通过小孔喷进主燃烧室,从而实现主燃烧室的快速燃烧。射流点火实现了多点点火,缩短了火焰传播距离。预燃室内燃烧产生的活性基喷射到主燃室中,进一步加速了燃烧进程[3-4]。此外,上止点附近喷射出的混合气增加了主燃烧室的湍动能。根据预燃室内部是否有额外的燃料添加,预燃室分为主动预燃室和被动预燃室。被动预燃室没有额外的燃料添加,预燃室内部的可燃混合气通过活塞上行时压入预燃室。主动预燃室可以通过喷射器喷入燃料[5-6]。被动预燃室结构简单,本田在F1赛车的汽油发动机上应用了被动预燃室。被动预燃室虽然通过多点点火提高了燃烧速度,但预燃室内部无法加浓,可燃极限与传统火花塞点火相差不大,无法扩展稀燃极限。主动预燃室结构复杂,目前研究还处于实验室阶段。但主动预燃室可实现预燃室内部混合气加浓,极大扩展稀燃极限。

马勒公司对主、被动预燃室的燃烧、排放、油耗等方面进行了全面的研究[7-10]。在700 r/min时,被动预燃室能维持较好的怠速稳定性。在油温、水温稳定在25 ℃、1 500 r/min、2 bar负荷时,被动预燃室的燃烧稳定性优于火花塞。同时,通过对进气包角、压缩比等的优化,被动预燃的燃油消耗相比原机下降了26 g/(kW·h)。本田公司通过优化主动预燃室结构,添加隔热涂层,匹配低滚流气道,在稀燃模式下实现了47.2%的有效热效率[11]。IAV公司的研究结果表明,被动预燃室的稀燃极限与火花塞一致,而带气体喷射器的主动预燃室可以将稀燃极限扩展至λ=2(λ为过量空气系数)[12]。Shah等[13]研究了预燃室容积和喷孔结构的影响,将预燃室容积比从1.4%增加到2.4%时,燃烧显著加快,初始放热速度增加,但将预燃室容积比增大到3.7%后对燃烧的影响减弱。喷孔较小时,流动阻力大,预燃室内压力高,利于加速主燃烧室燃烧。Hua等[14]研究了预燃室的爆震特性,预燃室射流点火的爆震有两个阶段的快速放热和压力震荡,第一阶段来自于喷射自由基引起的局部快速燃烧,第二阶段来自于末端混合气的自燃。

综上所述,目前对于预燃室的研究主要集中在预燃室结构、燃烧、排放、爆震等方面。被动预燃室发动机运行在低温冷起动及低负荷时存在燃烧稳定性较差的问题,但对低温冷起动和低负荷燃烧稳定性的研究却鲜有报道。被动预燃室的产业化应用必须解决被动预燃室低温冷起动和低负荷燃烧稳定性差的缺陷。因此基于上述背景,为了研究和改善被动预燃室低温冷起动及低负荷时的燃烧稳定性,为被动预燃室的产业化应用提供理论基础,针对直喷汽油发动机,设计了一款被动预燃室点火系统,搭载在发动机台架上,进行了低温条件下预燃室容积、材料、孔径对低温冷起动性能的影响研究,以及低速、低负荷燃烧稳定性试验研究。

1 试验研究平台和试验条件

试验用发动机为一台1.5 L排量的四冲程涡轮增压缸内直喷汽油机,120 kW的额定功率,蓬顶型燃烧室顶,浅坑型活塞顶,发动机循环模式为米勒循环。试验发动机的基本结构参数见表1。试验台架示意图如图1所示,冷起动时,发动机由起动机倒拖起动。

图1 试验发动机示意图

表1 发动机主要结构参数

本文设计的被动预燃室示意图如图2所示,火花塞安装在预燃室顶部,预燃室喷孔均匀分布,射流火焰喷角为110°。

图2 被动预燃室示意图

试验预燃室包含5个方案,试验方案包含不同的预燃室容积、孔径、孔面积、孔角度、材料等。预燃室容积、孔径、孔面积、孔角度的选取基于试验经验和相关论文取得的预燃室最优热效率的最佳结构参数范围,该范围参数是量产被动预燃室较有可能采用的。预燃室材料选取了导热系数差异较大的3种材料,以研究导热系数对燃烧稳定性的影响。容积为0.35 mL和0.73 mL,分别占主燃烧室容积的1%和2%;孔径范围为0.8～1.2 mm,孔数6个;喷孔截面积的总和为3.1～6.78 mm2;孔角度分为直孔(0°)和旋转孔(30°),示意图如图3所示。

图3 预燃室直喷孔与斜喷孔

试验材料选择导热差异较大的3种材料,分别为304不锈钢、H62黄铜、铬锆铜,在20 ℃时导热率分别12 W/(m·K)、108 W/(m·K)、330 W/(m·K)。详细方案参数如表2所示。不同方案有部分相同的结构或材料参数,用于比较不同参数和材料的影响规律。方案1与方案2用于比较孔角度的影响,方案1与3用于比较孔径或孔面积的影响,方案1与方案4用于比较不同材料的影响。方案1与方案5对比分析容积和导热系数的影响。

表2 试验预燃室参数

试验冷起动的最低温度由环境温度控制,试验温度范围为-20 ℃～-8 ℃,冷起动试验时将发动机静置于外界环境中6 h,使发动机机油与冷却水温度与大气温度保持一致。热机起动时,水温和油温控制在90 ℃。原机选取各个工况最优点火角MBT(Minimum spark advance for best torque)进行试验。

冷启动的试验原则是首先试验-8 ℃的原机状态下是否能启动,若能启动则进行更低温度的冷启动试验;若不能则进行加浓启动,若加浓能启动则进行更低温度的试验;若加浓不能启动,则进行进一步加浓启动。若在较高温度下不同加浓程度下均不能正常起动,则不进行更低温度的冷启动试验。

2 试验结果及分析

2.1 低温冷起动

低温冷起动问题是限制预燃室市场应用的重要因素之一。目前对预燃室的研究主要集中在中等负荷以及大负荷,对预燃室低温冷起动的研究鲜有报道。因此对预燃室低温冷起动的研究有重要意义。预燃室内部火花着火是一个复杂的过程,要求点火系统提供的能量能够使小部分可燃混合气温度迅速升高被点燃、形成火核,同时初始火核具有相当的传播速率,火核释放出的化学能大于外界的散热,不被淬熄。在这一过程中预燃室内的结构、混合气状态、流动状态、壁面传热、壁面温度等对预燃室的低温冷起动性能有较大影响。因此本节重点讨论预燃室容积、孔径、孔面积、孔角度、材料等对低温冷起动的影响。试验温度为-20 ℃～-8 ℃。

图4是发动机起动过程λ与转速的变化示意图。按下起动按钮后,起动机通过齿轮带动发动机运转,约1.5 s后,发动机被拖动,转速到达200 r/min左右时,发动机被点燃,转速迅速升高,随后回落至怠速稳定转速。起动过程前8 s,发动机运行在开环模式下,喷油量由设计的初始标定值决定。喷油器喷油加浓,λ低于1,不同的起动温度下,λ最低值范围为0.64～0.75。起动过程8 s后,发动机进入闭环控制模式,将λ维持在1附近。之后发动机进入暖机怠速模式。

图4 发动机起动过程λ与转速的变化示意图

本文研究中,发动机起动过程开环控制阶段不同喷油加浓情况的λ变化如图5所示。不同加浓情况的最小λ范围为0.64～0.75,温度越低原机的冷起动状态初始λ也越小。

图5 发动机起动过程λ的变化

表3是-8 ℃、-12 ℃、-20 ℃下不同方案冷起动情况。起动机起动发动机,将起动过程分为2个阶段进行讨论,加浓开环控制的前8 s,以及闭环控制的8 s后。每次起动前将发动机静置于环境中6 h,使发动机油温和水温与环境温度相等。试验时的点火角与原机保持一致。随着冷起动温度的降低,原机冷起动时的λ最小值也越小。

表3 不同温度下不同预燃室方案的冷起动情况

原始标定状态下,不同温度各个方案均不能正常起动。这是由于冷机状态下预燃室内部淬熄层厚度较大,且预燃室面容比较大,预燃室内部火焰遇到壁面后熄灭。冷起动时,主燃烧室的较浓混合气通过活塞上行挤入预燃室,初始状态预燃室内部含有部分新鲜空气稀释了从主燃烧挤入的混合气,使得预燃室内的混合气浓度低于主燃烧室。另一方面,初始状态,预燃室内部的含有一定的残余废气,加剧了冷起动的点火难度。

在-8 ℃时,加浓后,方案1能正常起动,怠速稳定。前8 s的加浓起动阶段,加浓后火焰传播速度加快,放热速率加快,初始火核的发展时间减少,火核释放的化学能大于外界的散热,预燃室内部能正常点火燃烧,从而能引燃主燃烧室正常点火燃烧。起动8 s后进入闭环控制的怠速阶段,λ维持在1附近,由于预燃室内部前8 s内能稳定着火燃烧,预燃室壁面被迅速加热,温度升高,预燃室内部火焰淬熄程度大幅减弱,因此在λ控制在1附近时,预燃能正常点火燃烧,发动机维持稳定怠速。温度的降低能降低火焰的传播速度,同时初始火核的散热增加,使得火焰发展困难,增加冷起动的难度。因此方案1冷起动时,相比-8 ℃时,-12 ℃需要更浓的混合气。同时方案1在-20 ℃时,在加浓情况下也能稳定起动。

方案5容积较小,为它方案容积的48%,占主燃烧容积的1%。起动进一步加浓后,方案5在冷机和热机状态下均不能正常起动。预燃室容积减小,增加了预燃室内部淬熄层占预燃室容积的比例,导致初始火核的发展更加困难。另一方面,方案5容积小,预燃室内部混合气少,混合气燃烧放热能量小,增加了预燃室射流引燃主燃烧室混合气的难度。

与方案1相比,方案2有相同的预燃室容积和孔面积,但方案2的喷孔是30°的旋转孔。方案2在热机和冷机的情况下均不能起动。活塞上行时,主燃烧室内的混合气通过旋转孔进入预燃室内,进入预燃室的新鲜混合气被旋转孔引导,形成绕预燃室中心的旋转气流,旋转的气流导致预燃室内部分层的EGR,以预燃室火花塞为中心,随着半径减小EGR增大[4]。因此旋转孔使得预燃室内部EGR分层严重,火花塞附近EGR大,导致旋转孔预燃室在冷机和热机状态下均不能正常起动。

与方案1相比,方案3有相同的预燃室容积,但方案3有较小的孔径和孔面积,孔径为0.8,孔面积为方案1的46%。-12 ℃起动时,方案3能在混合气加浓的开环控制阶段燃烧,但切换到闭环控制的怠速时熄火。主要原因在于,较小的孔径或孔面积减少了预燃室内残余废气的排出,导致预燃室内部EGR率过大,减弱了预燃室的冷起动性能。

与方案1相比,方案4有相同的容积和孔面积,但是方案4的材料为黄铜,导热率是方案1不锈钢材料的9倍。方案4在-8℃时,加浓后能正常起动。将温度降低为-12 ℃时,前8 s的开环控制加浓工况,方案4能维持燃烧,但8 s不能维持稳定怠速。主要原因在于,较高的导热率使预燃室冷起动时预燃室散热较快,不利于预燃内表面温度的维持,导致不加浓的怠速工况失火。

图6是火花塞点火和方案1预燃室点火冷起动过程扭矩变化,图7是冷起动过程中30～50 s过程中,火花塞点火和方案1预燃室点火冷起动过程扭矩标准差。-12 ℃时,预燃室点火的扭矩波动显著大于火花塞点火,扭矩标准差约为火花塞点火的2倍。但是-20 ℃与-12 ℃时,预燃室点火的扭矩标准差相差较小。

图6 火花塞点火和预燃室点火冷起动扭矩随时间的变化

图7 火花塞点火和预燃室点火冷起动过程扭矩标准差

2.2 低速低负荷控制参数

预燃室运行在低速、低负荷工况下,预燃室空间狭小,湍流耗散较快,预燃室火花塞流动较弱,着火时间较长,导致预燃室点火在低速负荷时的燃烧稳定性较差。因此研究预燃室低速、低负荷的燃烧稳定性有重要意义。本节试验为发动机热机状态实验,将水温、油温控制在90 ℃。试验转速为800 r/min。本节试验对象为预燃室方案1,具体参数见表2。

图8是转速800 r/min,平均有效压力BMEP(Brake mean effective pressure)1 bar工况时,扭矩标准差随点火角的变化。预燃室点火角过晚或过早均不利于扭矩的稳定。调整点火角不能将扭矩波动降低至原机水平。优化后的点火角的扭矩波动约为原机的2.3倍,预燃室点火燃烧的稳定性较差。

图8 扭矩标准差随点火角的变化

图9是800 r/min、1 bar工况时扭矩标准差随进气门开启时刻的变化,进气门开启时刻定义为进气门开启1 mm时对应的时刻。随着进气门开启时刻的推迟,扭矩标准差显著减小。将进气门开启时刻推迟10 °CA时,预燃室点火的扭矩稳定性高于原机水平。主要原因是,实验用发动机循环模式是米勒循环,进气门开启时刻推迟,循环模式向奥托循环接近,进气门关闭时刻推迟,气门关闭后缸内湍动能衰减时间变短,着火上止点附近缸内湍动能变强,使得点火燃烧稳定性上升。另一方面,进气门开启时刻推后,使得发动机实际压缩比变大,主燃烧压入预燃室内部的新鲜混合气比例提高,预燃室内残余废气比例减少,提高了预燃室内的点火稳定性,从而导致主燃烧室的燃烧稳定性提高。

图9 扭矩标准差随进气门开启时刻的变化

图10是800 r/min、1 bar工况时,扭矩标准差随排气门关闭时刻的变化,排气门关闭时刻定义为排气门关闭至1 mm时对应的时刻。排气门关闭过晚或过早均不利于扭矩的稳定。调整排气门关闭时刻不能将扭矩波动降低至原机水平。

图10 扭矩标准差随点排气关闭时刻的变化

图11是转速800 r/min时,优化的气门正时VVT(Variable valve timing)、点火角参数后的预燃室点火与火花塞点火扭矩标准差。不同负荷时,优化后的预燃室控制参数的扭矩波动较小。

图11 扭矩标准差随负荷的变化

3 结论

1) 被动预燃室容积、孔面积、材料、喷孔结构对低温冷起动性能有显著影响。预燃室容积较小时,预燃室内部淬熄层占预燃室容积的比例大,同时预燃室内部混合气少。较小的孔径或孔面积减少了预燃室内残余废气的排出,导致预燃室内部EGR率过大。旋转孔使得预燃室内部废气分层,火花塞附近废气比例大。较高的导热率使预燃室冷起动时预燃室散热较快,不利于预燃内表面温度的维持。因此,小的容积、小的孔径、高导热率材料以及旋转喷孔等均不利于发动机冷起动。

2) 优化结构的被动预燃室在水温、油温为-20～-8 ℃的冷起动工况下能实现发动机稳定着火起动。被动预燃室可在较低的环境温度下运行。

3) 低速、低负荷时,预燃室点火的燃烧稳定性受预燃室内部燃烧和主燃烧室燃烧的共同影响,调整点火角和排气VVT对发动机的燃烧稳定性影响较小;调整点火角和排气VVT,发动机的燃烧稳定性不能恢复到原机水平。

4) 进气VVT对预燃室稳定性影响较大,进气门开起时刻推迟,循环模式向奥托循环接近,缸内湍动能衰减时间变短,着火上止点附近缸内湍动能变强;发动机实际压缩比变大,主燃烧压入预燃室内部的新鲜混合气比例提高,预燃室点火燃烧稳定性显著改善。推迟进气门开起时刻的被动预燃室发动机的扭矩波动较小。