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采用高能点火的均质稀薄燃烧汽油机试验
2020-08-27 21:37:56· 来源：内燃机学报
高效汽油机技术可以有效降低汽车燃油消耗和有害排放，是满足未来油耗和排放法规的主流技术路线之一。稀薄燃烧可以提高缸内混合气的比热比，降低缸内燃烧温度，从
高效汽油机技术可以有效降低汽车燃油消耗和有害排放，是满足未来油耗和排放法规的主流技术路线之一。稀薄燃烧可以提高缸内混合气的比热比，降低缸内燃烧温度，从而降低传热损失；更低的燃烧温度有利于抑制爆震，可通过提前点火角以优化燃烧相位或采用更高的压缩比；在中、低负荷工况时，稀薄燃烧需要更大的节气门开度以维持新鲜空气进气量，使负荷保持不降，降低发动机的泵气损失功。稀薄燃烧被认为是一种能够有效提高汽油机燃油经济性的技术。为了评估高能点火对汽油机均质稀薄燃烧过程的影响，本次推文通过一台单缸汽油机分别研究了普通火花点火和高能点火对均质稀薄燃烧过程的影响，分析了两者燃油经济性、燃烧特性以及NOx排放特性的差异，以期为设计高效汽油机提供参考。
01、试验台架与试验方法介绍
台架配备了常规发动机试验台架的测功机、油耗仪等设备外，单缸机试验台架还需要配备增压、冷却和润滑等设备。图1为单缸机测试台架原理示意，图2为测试台架现场。
图1 单缸汽油机测试台架原理示意
图2 单缸汽油机测试台架现场
为实现均质超稀薄燃烧，引入高能点火系统；试验采用两家不同公司生产的电晕点火系统。因而单缸机试验分为普通火花点火系统测试、高能点火系统A测试和高能点火系统B测试共3个阶段。表1为普通火花点火和高能点火系统主要技术参数。考虑到高能点火效率远高于普通火花点火，高能点火的有效点火能量将远超过普通火花点火。
表1 火花点火和电晕点火主要技术参数
由于单缸机摩擦损失水平高于多缸机，单缸机台架直接测得的平均有效压力(BMEP)和有效燃油消耗率(BSFC)并不能直接与多缸机进行比较。因而采用能够综合反映发动机进气、压缩、膨胀和排气4个冲程性能的平均指示压力(IMEP)和指示燃油消耗率(ISFC)来评价单缸机性能。
02、普通火花点火系统测试
图3示出当n=3000r/min、IMEP=1.1MPa时，ISFC、CA10-90、CA50、COV以及NOx排放随过量空气系数φa的变化趋势。随着φa增加，ISFC呈现先减小后增大的趋势，在φa=1.44时ISFC=191.9g/(kW·h)，为最小值，相比于φa=1.0时ISFC=206.5g/(kW·h)，燃油消耗率降幅约为7.1%。产生变化的主要原因是：随着φa增加，缸内混合气中N2和O2等双原子分子占比增大，混合气比热容比逐渐增大，有利于提高热效率，ISFC逐渐降低；但是φa增加会一定程度降低缸内单位质量混合气所含的能量，使燃烧速度下降，表现为CA 10-90对应的持续期变长，且COV逐渐变强。因而当φa超过1.44时，燃烧过程迅速恶化，ISFC快速上升。
图3 普通火花点火下参数随过量空气系数的变化
随着φa升高，NOx排放先升高随后快速降低。产生变化的主要原因是：NOx的生成量主要取决于燃烧温度和燃烧产物中的氧浓度，而汽油机的φa又同时影响两因素；在φa从当量空燃比逐渐增大时，氧分压增大的效果抵消了燃烧温度下降的效果而有剩余，使NOx排放在φa=1.15时达到峰值；如果φa进一步增大，温度下降的效果占优势，导致NOx排放生成量快速减少，在φa=1.44时NOx排放约为1260×10-6。在φa=1.63时，NOx排放降低到210×10-6，但此时燃烧不稳定，COV超过限值。
03、高能点火系统A测试
将单缸机的点火系统从普通火花点火系统替换为高能点火系统A，其余硬件配置保持不变。图4示出n=3000r/min、IMEP=1.1MPa时ISFC、CA 10-90、CA 50、COV、NOx排放以及Texh随过量空气系数φa的变化。随着φa增加，ISFC呈先减小后增大的趋势，并在φa=1.65时获得最小值184.0g/(kW·h)。相比于普通火花点火系统，高能点火系统A能够将最佳φa从1.45提升至1.65，ISFC从191.9g/(kW·h)降低至184.0g/(kW·h)，降幅达到4.1%。产生这种变化的主要原因是：相比于普通火花点火系统，高能点火系统A点火能量高，能够快速点燃混合气并提高燃烧速度，具体表现为在相同φa(φa=1.65)时，高能点火系统A能够使CA10-90、CA50减小，且COV保持在2%左右。
采用高能点火系统A时，随着φa增大，NOx排放的变化呈先增大后减小趋势。该变化趋势和采用火花点火时一致，但采用高能点火系统A时，由于高能点火系统A能够在φa=1.72时依然保持稳定燃烧，NOx排放可以降低为647×10-6。相比于采用普通火花点火且φa=1.44的工况，采用高能点火系统A时NOx排放降低48.7%。但是在相同的φa水平(φa=1.44)时，高能点火系统A对应的NOx排放却高于普通火花点火。可能原因是高能点火系统A缩短了燃烧持续期，使缸内放热相对集中且靠前，最高燃烧温度较高。这也导致了在相同的φa水平时，高能点火系统A对应的排气歧管温度Texh低于普通火花点火(图4f)。
作者同时将单缸机的点火系统从高能点火系统A替换为高能点火系统B，其余硬件配置保持不变，具体试验数据及分析参见原文。
图4 高能点火A参数随过量空气系数的变化
04、不同试验结果对比
图5为不同点火系统方案所能达到的最优ISFC和NOx排放。高能点火系统B能够最大程度提高点火能量，实现φa=1.94的均质超稀薄燃烧，ISFC最低可达180.7g/(kW·h)，其对应的指示热效率为48.2%。同时，高能点火系统B在φa=1.94时NOx排放为360×10-6，而将φa拓展到2.00时，NOx排放则将进一步降低至188×10-6，但受限于燃烧过程恶化，此时发动机ISFC将增加至185.3 g/(kW·h)。
图5 不同方案对应的最优ISFC和NOx排放
结论
(1)相比于普通火花点火，高能点火系统能够有效拓宽汽油机均质稀薄燃烧的空燃比极限。
(2) 采用高能点火系统A可以实现 φ a=1.65的均质稀薄燃烧。
(3) 采用点火能量更高的高能点火系统B可以实现 φ a=1.94 的均质超稀薄燃烧，ISFC最低为180.7 g/(kW·h)，其对应的指示热效率为48.2%。
(4) 将 φ a提升至2.00时，缸内燃烧温度大幅下降， NO x原始排放将降至188×10-6；但受限于燃烧过程恶化，此时ISFC将增加至185.3g/(kW·h)。
文献来源及推荐阅读
[1]蔡文远,徐焕祥,马帅营,王一戎.采用高能点火的均质稀薄燃烧汽油机试验[J].内燃机学报,2020,38(04):298-303
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