预燃室射流点火对汽油发动机性能影响

文章导读

当前量产汽油发动机的最高热效率一般为41%～43%，未来45%热效率的汽油发动机成为追求的目标。预燃室射流点火能提高燃烧速度、抑制爆震及扩展稀燃极限，在改善汽油机热效率方面具有一定潜力。为了探索和研究预燃室点火对汽油机燃烧和排放的影响规律，针对直喷汽油单缸机，本期推文笔者设计了一款预燃室点火系统，搭载在发动机台架上，进行了预燃室内混合气状态的优化，并针对传统点火、高能点火和预燃室点火对燃烧过程的影响进行对比分析。

1. 试验装置介绍

试验对象为一台匹配35 MPa高压供油系统的单缸、四冲程热力学汽油发动机，设计了一种带喷油器和火花塞的主动预燃室系统，安装在单缸机缸盖上。加装预燃室后的发动机采用射流点火模式，预燃室示意如图1所示。

图1 主动预燃室示意

发动机台架测试系统布置如图2所示。单缸热力学发动机测控系统主要包括一台搭载主动预燃室的单缸热力学汽油发动机、AVL PUMA瞬态测功机、AVL 515进气模拟增压系统、油水恒温控制单元、喷油控制单元及时序控制单元等系统组件。

图2 发动机台架测试系统布置

2. 结果与分析

预燃室采用射流火焰技术，可实现快速火焰传播，配合稀薄燃烧能极大提升发动机的热效率。因而探究在稀燃条件下主动预燃室内的喷油控制参数对燃烧和排放的影响具有重要意义。试验工况：转速为2 750 r/min、IMEP为1.05 MPa，总体过量空气系数为1.7。

图3为燃烧循环变动CoV随ϕpre的变化。CoV受预燃室着火稳定性和主燃烧室燃烧稳定性共同影响，随着ϕpre的变大，CoV 先下降后上升。当ϕpre小于0.6时，预燃室内混合气超过浓燃极限，预燃室点火稳定性大幅恶化，CoV急剧上升。当ϕpre为1.24 时，CoV为4.34%，超过燃烧循环变动3%的限制，受喷油器最小稳定喷油脉宽的限制，ϕpre无法进一步扩大。预燃室稳定运行的ϕpre范围为0.6～1.2。

图3 燃烧循环变动CoV随ϕpre的变化

图4为主燃烧室和预燃室压力随曲轴转角的变化。火花塞在压缩上止点附近跳火，点燃预燃室内混合气，预燃室内压力急剧上升，明显超过主燃烧室压力，预燃室高温混合气通过喷孔射入主燃烧室，点燃主燃烧室混合气，之后主燃烧室压力与预燃室压力融合，预燃室压力与主燃烧压力趋势和大小基本一致。将最大压差Δpmax定义为主燃烧室与预燃室的最大压差，是表征预燃室点火性能的重要参数。

图4 主燃烧室和预燃室内的压力随曲轴转角的变化

图5示出最大压差、最大压差时刻、CA 50、CA 10-90 以及总指示热效率随着ϕpre的变化。图5a为最大压差Δpmax及最大压差时刻的变化。随着ϕpre的变大，最大压差Δpmax先变大后变小。在ϕpre为0.79时，Δpmax达到最大值为1.96 MPa。随着过量空气系数的上升，汽油的燃烧速度先上升后下降，在略浓工况附近达到最大。预燃室内燃烧速度越快，放热集中度越高，导致最大压差Δpmax越大，而最大压差Δpmax随ϕpre的变化规律与燃烧速度随过量空气系数的变化规律一致。ϕpre为0.79 时，预燃室内混合气的燃烧速度最快，导致最大压差Δpmax最大。不同ϕpre下，最大压差时刻出现为-7.2°～-6.0° CA，ϕpre对最大压差时刻出现影响较小。

图5 最大压差、最大压差时刻、CA 50、CA 10-90 以及总指示热效率随ϕpre的变化

图5b为CA 50与CA 10-90随ϕpre的变化。ϕpre为0.79～1.11 时，预燃室形成的高速射流火焰有利于加快主燃烧室内混合气的燃烧速度，减少爆震，CA 50 均可控制在8° CA ATDC附近，燃烧持续期CA 10-90基本相当。当ϕpre小于0.70 或大于1.11时，燃烧持续期CA 10-90延长，燃烧重心推后。燃烧持续期受预燃室射流点火性能、主燃烧室湍动能和空燃比的共同影响，虽然ϕpre为0.79 时，预燃室内Δpmax最大，但主燃烧室内的混合气较稀(过量空气系数为1.7)限制了燃烧速度的进一步提高，导致ϕpre为0.79～1.11 时燃烧持续期CA 10-90基本相当。当ϕpre小于0.70或大于1.11时，预燃室点火性能变弱，导致主燃烧室燃烧速度变慢，抗爆震能力减弱，燃烧相位推后。

图5c为总指示热效率随ϕpre的变化。ϕpre为0.92～1.07 时，总指示热效率为47.2%～47.3%，相差较小。总指示热效率在ϕpre为1.00 时达到极大值47.3% 。预燃室内汽油质量占总喷油量的1.5% ～4.9%，虽然ϕpre为0.79 时有最好的点火性能，但预燃室内喷入的燃油较多，喷雾碰壁导致未燃损失增加；另一方面，预燃室内的高温、高压混合气通过预燃室喷孔时有较强的节流损失，Δpmax越大节流损失越大。此外，预燃室内较高的燃烧温度增加了预燃室内的传热损失，最终导致ϕpre为0.79 的总指示热效率低于ϕpre为1.00的。

图6为不同ϕpre下主燃烧室放热率随曲轴转角的变化规律。当ϕpre为0.79～1.17时，放热峰值基本相当，随着ϕpre变小，放热相位小幅提前。在预燃室内混合气较浓和较稀时(ϕpre为0.63和1.24时)，放热峰值减小，燃烧相位推迟。这主要受预燃室点火能力和主燃烧室稀薄程度共同影响，不同ϕpre产生的最大压差Δpmax存在显著差异，Δpmax越大射流火焰贯穿距越长，火焰传播范围越大。

图6 放热率随曲轴转角的变化

文献来源

[1]占文锋,罗亨波,陈泓,等.预燃室射流点火对汽油发动机性能影响[J].内燃机学报,2022,(03):193-199.