高效汽油機均質稀薄燃燒試驗研究

王志望 曠云龍 張 華 楊 林 李連豹 李雙清 韋 虹 李 軍 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江寧波吉利羅佑發動機有限公司）

引言

為應對日益嚴苛的能源危機和氣候變化問題，汽車廠商需不斷提升整車燃油經濟性，根據國家2016年發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》，乘用車新車平均油耗將分別達到2020年5.0 L/100 km，2025年 4.0 L/100 km，2030年 3.2 L/100 km，乘用車汽油機2020年熱效率將達到40%，2025年熱效率將達到44%，2030年熱效率將達到48%[1]。稀釋燃燒諸如冷卻EGR和均質稀薄燃燒技術，是提高發動機熱效率的途徑之一，主要歸結于泵氣損失的降低、散熱損失的降低和比熱比的提升[2-3]。理論上，采用更高的稀釋度可以獲得更高的熱效率，然而在實際中均質稀釋燃燒通常被惡化的點火和遲緩的燃燒持續期所限制。因此，為加快燃燒過程，稀釋燃燒系統需結合加速的缸內流動，諸如高滾流進氣道、提升的活塞運動速度以及適配燃燒室形狀等。為提高稀釋混合氣的燃燒，需縮短點火延遲和保證穩定的點火[4]，電暈點火技術基于瞬時等離子體或射頻等離子體放電，可在燃燒室內同時產生多個放電通道，可以實現混合氣的多點著火，能量集中且可直接應用于可燃混合氣。因而點火效率高，點火可靠，縮短火焰傳播距離，從而有效縮短燃燒滯燃期，實現快速燃燒，在適配情況下能夠有效點燃均質超稀薄混合氣（λ：1.8～2.0），從而實現均質超稀薄燃燒[5-6]。電暈點火系統點火體積和形狀可以通過設計電極形狀控制，有利于與燃燒室形狀進行匹配，電暈放電點火過程是低溫點火過程（～1 000℃），有利于降低電極熱負荷，延長電極壽命，同時也減少了熱傳導損耗，提高點火效率。

本文在1臺直列三缸渦輪增壓直噴汽油機上，變更活塞、缸蓋、凸輪軸、高效點火系統、增壓器和附件，對比分析了不同過量空氣系數對汽油發動機燃燒特性、油耗和排放的影響。

1 試驗設備和試驗計劃

1.1 試驗設備

通過在基礎發動機上，應用高效點火系統，研究高效點火稀薄燃燒特性，以及油耗和排放情況。相比于基礎發動機，變更件有：活塞、缸蓋、凸輪軸、高效點火系統（如圖1所示）、增壓器和附件，其他零部件不變。

圖1 高能點火系統原理圖

如圖1所示，高效點火系統由高頻控制器和點火器組成，高頻控制器需要單獨的電源供電或者通過發動機電源供電。高頻控制器有多個點火觸發信號輸出，內部通過CAN與ECU通訊。在試驗過程中，高效點火系統通過獨立的控制模塊進行控制。高效點火系統的點火特性通過調節次級電壓和點火持續時間控制。

在基礎機型基礎上，通過重新設計活塞頭部形狀，將壓縮比提高到13。改制之后的發動機參數見下表1。

表1 發動機參數

通過缸內壓力傳感器和lambda儀監控缸內壓力和過量空氣系數，通過高效點火系統HFI控制軟件獨立控制高效點火系統，詳細的試驗設備清單見表2。

1.2 試驗計劃

綜合應用高能點火系統、高滾流比氣道、小包角進氣凸輪軸和高壓縮比技術，試驗內容為固定工況點，從0.9到1.9變化過量空氣系數，獲得油耗和排放隨過量空氣系數變化的趨勢。在試驗過程中通過調節高效點火系統的次級電壓和點火持續時間，且不出現漏電的情況下，保證稀薄油氣混合氣的點燃。試驗邊界條件如表3所示。

表2 試驗設備

表3 試驗邊界控制條件

2 試驗結果

2.1 Lambda變化對油耗的影響分析

發動機運行在轉速為2500r/min，BMEP為0.9MPa固定工況，對過量空氣系數進行掃點，由于應用了高效點火系統，過量空氣系數限值提升至1.7。隨著過量空氣系數的提高，稀薄混合氣的燃燒變得困難，燃燒開始惡化，在lambda提高至1.7以上后，COV大于5%，發動機有效燃油消耗率及COV隨過量空氣系數的變化趨勢如圖2、3所示。

從圖2可以看到，過量空氣系數Lambda為1.55時，發動機有效燃油消耗率最低，為207.25g/（kW·h），對比過量空氣系數為1.0時降低約12%，這主要是因為隨著過量空氣系數的提高，缸內燃燒溫度降低，高壓縮比帶來的缸內爆震被抑制，從而允許點火角提前，同時，降低冷卻熱損失和泵氣損失功。

圖2 油耗隨lambda的變化趨勢

圖3 COV隨lambda的變化趨勢

從圖3可以看出，此時發動機COV較低，運行平穩；當lambda高于1.7時，此時缸內均勻混合氣的形成和燃燒變得更加困難，且點火器的點火體積和形狀與燃燒室形狀匹配存在優化空間，漏電現象限制了高能點火器點火能量的進一步提升，燃燒速度明顯降低，燃燒持續期加長，COV急劇變差。

圖4表示在2 500 r/min，BMEP 0.9 MPa時，排氣溫度、滯燃期、CA50和燃燒持續期隨過量空氣系數變化的趨勢。

由于較高的過量空氣系數和燃燒溫度的降低，燃燒相位CA50可以設定為更為理想的時刻，排氣溫度的降低會減少排氣損失。在點燃式發動機中，滯燃期的定義是燃燒質量分數（MFB）為0%～10%所對應比變化的趨勢，反映了火焰初始發展速度，在本次試驗中采用了高效點火系統，稀薄的混合氣仍能點燃，即使過量空氣系數的提高，滯燃期會呈下降趨勢，在過量空氣系數大于1.65后，因為缸內燃燒不穩定（COV大于5%），滯燃期會增加。

圖4 在2 500 r/min，BMEP 0.9 MPa時過量空氣系數的影響

如圖5所示，隨著過量空氣系數lambda的增加，點火提前角相對應地增加，從理論空燃比增加到過量空氣系數1.55，點火角需要提前13.5°CA，當點火提前角前推，由于點火時刻缸內的溫度和壓力下降會造成的混合氣點火惡化，增加失火的概率，出現燃燒不穩定，點火角跳動，需要犧牲燃燒相位和增加點火能量以保證點火穩定性，在過量空氣系數大于1.7時，繼續將點火角提前，失火嚴重，COV變差，此時，繼續提前點火角對燃燒作用不明顯。

圖5 點火角隨lambda的變化趨勢

根據前面的數據分析得出在2 500 r/min，BMEP 0.9 MPa，過量空氣系數Lambda1.55時油耗最低，故在負荷BMEP0.9 MPa，過量空氣系數lambda1.55時進行轉速的掃點，趨勢如圖6所示。在轉速為2 416 r/min時發動機有效燃油消耗率最低，為203.85 g/（kW·h），熱效率約為41%，指示燃油消耗率193.41 g/（kW·h），指示熱效率為43.3%，不過此時由于發動機本身限制，此時的負荷為0.86 MPa，過量空氣系數為1.51。

圖6 在BMEP 0.9 MPa，Lambda1.55時轉速的影響

2.2 過量空氣系數變化對排放的影響分析

圖7 NOx隨lambda的變化趨勢

如圖7所示，隨著過量空氣系數的提高，NOx排放呈前期升高，在過量空氣系數為1.2時，NOx排放達到極值，之后呈現下降趨勢。在熱效率最高點，由于稀薄混合氣較低的燃燒溫度使NOx大幅度降低，實測NOx為306.46×10-6，相對于理論空燃比時降低了約70%。不過距離國6b中NOx限值仍有一定差距，需進一步研究更高過量空氣系數下的低NOx排放特性，以期獲得不采用昂貴后處理設備的原始排放；由于不完全燃燒，碳氫排放會隨著過量空氣系數的提高而增加，如圖8所示。

圖8 碳氫隨lambda的變化趨勢

3 結論

1）與原機相比，發動機熱效率提高，壓縮比13，在 2 500 r/min，BMEP 0.9 MPa，過量空氣系數1.55時，獲得最低有效燃油消耗率BSFC為207.43 g/（kW·h），基于最低油耗點進行轉速掃點，在轉速為2 416 r/min時發動機有效燃油消耗率最低，為203.85 g/（kW·h），有效熱效率約為41%，指示燃油消耗率193.41 g/（kW·h），指示熱效率為 43.3%。

2）在燃油消耗量最低點，NOx排放較低，實測NOx為306.46×10-6，而由于不完全燃燒會使HC呈一定上升趨勢。

3）應用高效點火系統之后，可以提高燃燒過量空氣系數容許限值，可以實現過量空氣系數1.6穩定燃燒；由于沿用了基礎發動機基本零部件，缸徑大，燃燒室高度小，限制了高效點火系統的潛力，且產品增壓器容量不適配稀薄燃燒技術，為驗證均質稀薄燃燒技術實現更高熱效率的可行性，后續會在小缸徑的熱力學單缸機進行試驗驗證。