點火參數對直噴汽油機廢氣稀釋燃燒的影響*

侯圣智朱 棣尹 君劉 斌

（1-天津大學內燃機研究所 天津 300072 2-重慶長安汽車股份有限公司）

引言

缸內直噴（Gasoline Direct Injection ，GDI）技術在提高發動機燃油經濟性，降低有害氣體排放方面存在較大的潛力，是當前內燃機領域的主要研究熱點之一[1-2]。廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技術將部分廢氣引入氣缸內再次參與燃燒，可有效降低缸內燃燒溫度，減少冷卻和散熱損失，在提高發動機熱效率的同時降低NOx排放；廢氣再循環在降低發動機排放的同時，還能夠減小泵氣損失，改善發動機的燃油經濟性。因此，缸內直噴結合廢氣再循環技術是汽油機降低燃油消耗率和機內凈化的有效措施[3-5]。

雖然廢氣再循環技術對于改善發動機燃油經濟性和降低排放具有較大優勢，但廢氣的熱容效應和稀釋作用又會影響發動機的工作穩定性和排放。過高的EGR率會導致燃燒效率降低，燃油消耗率增大，CO和HC排放上升，燃燒循環變動增大，而燃燒穩定性的惡化又是造成燃油經濟性和排放惡化的主要原因之一。因此，改善廢氣稀釋燃燒狀況，提高燃燒穩定性，拓展廢氣稀釋上限，是廢氣再循環技術應用的關鍵核心內容[6-8]。

對于點燃式發動機，點火時刻及點火能量是影響其燃燒過程及燃燒特性的重要因素。筆者在缸內直噴汽油機上研究了EGR率對發動機廢氣稀釋燃燒過程及燃燒特性的影響規律。在此基礎上，進一步研究了點火時刻與點火能量對發動機廢氣稀釋燃燒特性、輸出轉矩以及燃油經濟性的影響。

1 試驗裝置與研究方法

試驗用發動機的主要技術參數如表1所示。

試驗臺架及測試系統如圖1所示，系統主要包括：直噴汽油發動機、可標定電控單元ECU、外部EGR系統、燃燒參數采集與分析系統等。電控單元ECU可根據需要對噴油參數（噴油相位、噴油脈寬）、點火參數（點火時刻和點火能量）及EGR率等參數進行實時調節。自主研發了發動機工作過程參數采集及燃燒分析系統，通過該系統可對發動機的轉速、氣缸壓力、冷卻水溫度、進排氣溫度及空燃比等參數進行實時采集，并對燃燒相位、燃燒特性及燃油消耗率等參數進行在線實時分析和顯示。分別采用6115A型缸壓傳感器和LSU4.9型寬域線性氧傳感器進行發動機缸壓和空燃比的采集[9]。

表1 發動機主要技術參數

圖1 發動機試驗測試系統示意圖

發動機廢氣稀釋采用外部EGR方案，從排氣歧管引出的廢氣先經過冷卻水冷卻，在進氣歧管與新鮮空氣混合后進入發動機。通過ECU標定系統可實時調節EGR閥的開度，從而控制發動機燃燒的EGR量。試驗是根據進氣、排氣和大氣環境中CO2的體積分數值計算廢氣再循環率REGR[7，9]：

式中：（CO2）in為實際測定進氣中CO2體積分數；（CO2）exh為實際測定排氣中 CO2體積分數；（CO2）amb為環境空氣中CO2的體積分數，可忽略不計。

發動機采用電感式高能點火系統，通過ECU控制點火線圈的充磁時間可實現對點火能量的控制，圖2顯示了點火能量與充磁時間的關系。

圖2 點火能量與充磁時間的關系曲線

為了評價發動機的燃燒穩定性，采用氣缸壓力峰值的變化系數RCOV描述發動機燃燒循環變動：

式中：Pmax為100個連續循環中氣缸壓力峰值的平均值；Pmax，STD為氣缸壓力峰值的標準偏差。

為了評價發動機燃燒相位，分別用燃燒質量分數10%時所對應的曲軸轉角CA10表示著火時刻；用燃燒質量分數90%時所對應的曲軸轉角CA90表示燃燒結束時刻；燃燒質量分數50%時所對應的曲軸轉角CA50，作為評介燃燒相位的特征參數。把燃燒持續期定義為CA10到CA90所對應的曲軸轉角，用 CA10～CA90 表示[9]。

2 試驗結果與分析

2.1 EGR率對廢氣稀釋燃燒特性的影響

如圖3所示，為發動機在部分工況（轉速為2 000 r/min，平均有效壓力 BMEP=300 kPa），過量空氣系數Φ=1.0，點火提前角為22°CA BTDC，點火能量為73 mJ（充磁閉合角6 ms）時，氣缸壓力、燃燒放熱率以及燃燒相位隨EGR率的變化曲線。

對比分析圖3a、b中關系曲線可以看出，在點火參數（點火時刻與點火能量）一定的條件下，隨著EGR率的增大，發動機最大爆發壓力和放熱率峰值都會相應減小。圖3c顯示，EGR率的增大會導致著火延遲期和燃燒持續期增長，燃燒放熱中點相位（CA50）的推遲，燃燒效率降低。這是因為隨著EGR率的增大，廢氣的熱容效應和稀釋作用不斷增強，造成發動機缸內氧濃度和燃燒溫度同時降低，減緩化學反應速度，抑制燃燒，導致發動機燃燒相位后移，燃燒效率降低。當EGR率增大到一定值后，缸內燃燒壓力和燃燒放熱率明顯降低，燃燒相位嚴重滯后，甚至出現嚴重失火現象，造成排放增加，燃油經濟性變差[9]。

圖3 EGR率與發動機燃燒特性的關系

圖4 所示為發動機燃燒循環率隨EGR率的變化情況。可以看出，燃燒循環變動率會隨EGR率的增大而單調上升。當EGR率在某一較小區域內變化時（小于12.5%），燃燒循環變動將被控制在較低的水平，不會影響發動機的正常燃燒；而當EGR率達到一定值（如12.5%）后，燃燒循環率將會超過正常燃燒的允許限值（如大于5%），造成發動機燃燒穩定性變差，燃燒惡化，甚至出現失火現象。

圖5 顯示了發動機有效燃油消耗率（Brake Specific Fuel Consumption，BSFC）隨 EGR 率變化的關系曲線。可以看出，在點火參數一定的情況下，EGR率對BSFC的影響是一個“先抑后揚”的作用過程。當EGR率水平較低時，隨著EGR率的增大，BSFC會相應減小。這是因為，當進入氣缸的廢氣量增加時，要保證輸出功率不變，發動機必須加大節氣門開度以維持進入氣缸的新鮮空氣量，使得進氣歧管壓力增大，泵氣損失減少，發動機的燃油消耗減少。但隨著EGR率的持續增加，廢氣中的惰性阻燃物質會抑制燃燒化學反應速率，降低燃燒效率和燃燒穩定性，造成燃油消耗增大，過高的EGR率會導致油耗的急劇上升。

圖5 EGR率對有效燃油消耗率BSFC的影響

2.2 點火時刻對廢氣稀釋燃燒特性的影響

如圖6所示，發動機轉速為2 000 r/min，節氣門開度為10.2%，點火能量為73 mJ（充磁閉合角6 ms）時，過量空氣系數Φ為1.0時，EGR率為23.0的情況下，氣缸壓力、瞬時放熱率以及燃燒相位隨點火時刻的變化曲線。

圖6 不同點火時刻的燃燒特性比較

點火時刻是影響廢氣稀釋燃燒過程的重要參數，由圖6可以看出，在一定范圍內隨著點火時刻的提前，發動機最大爆發壓力和燃燒放熱率峰值增大，燃燒相位提前，燃燒持續期縮短，發動機的熱效率提高。

如圖7、圖8所示，分別為有效燃油消耗率BSFC和輸出轉矩隨點火時刻的變化關系曲線。圖中顯示，隨著點火時刻的提前，燃燒速度與燃燒效率的提高，使得發動機廢氣稀釋燃燒過程改善，燃油消耗降低，輸出轉矩得到相應提升。同時也可以看出，發動機輸出轉矩并不是隨著點火提前角的增大而單調上升，而是一個“先揚后抑”作用關系。這是因為點火過早會造成發動機早燃，壓縮負功增加，使得輸出轉矩下降。

圖7 點火時刻對有效燃油消耗率BSFC的影響

圖8 點火時刻對輸出轉矩的影響

圖9 顯示了不同點火時刻對發動機燃燒循環變動的影響情況。當EGR率一定時，適當提前點火時刻，可以減小燃燒循環變動，改善燃燒過程。通過與圖4所示工況相比較發現，通過增大點火提前角，可以將廢氣稀釋燃燒的EGR率上限從12%提高到了24%（燃燒循環變動率小于5%）。

2.3 點火能量對廢氣稀釋燃燒特性的影響

如圖10所示，發動機在部分工況（轉速為2 000 r/min，節氣門開度為9.8%），過量空氣系數Φ=1.0，點火提前角為22°CA BTDC，EGR率為16.8%的情況下，氣缸壓力及燃燒放熱率隨點火能量的變化曲線。

圖10表明，提高點火能量，能夠促進火核的形成和火焰的傳播，改善廢氣稀釋燃燒狀況。在EGR率一定的條件下，隨著點火能量的提高，發動機最大爆發壓力和放熱率峰值增大，燃燒相位提前。

圖9 點火時刻對燃燒循環變動的影響

圖10 不同點火能量的燃燒特性比較

圖11 、圖12以及圖13分別顯示了有效燃油消耗率BSFC、輸出轉矩以及發動機燃燒循環變動隨點火能量的變化曲線。可以看出，提高點火能量能夠減小發動機燃燒循環變動，提高輸出轉矩，改善燃油經濟性。隨著點火能量的進一步提高，其對發動機輸出轉矩、燃油消耗以及燃燒循環變動的影響逐漸減弱。當點火能量增大到一定程度后（73 mJ），繼續增大點火能量不但不能改善發動機的燃燒性能，還容易造成火花塞電極的燒蝕，影響使用壽命和發動機的工作可靠性。因此，在實際應用中會將點火能量限制在適當的范圍內。

圖11 點火能量對有效燃油消耗率BSFC的影響

圖12 點火能量對輸出轉矩的影響

圖13 點火能量對燃燒循環變動的影響

3 結論

1）對于廢氣稀釋燃燒，提高點火能量，有助于火核形成和火焰傳播，提高燃燒效率，增強燃燒穩定性，改善發動機燃燒過程。

2）火花塞的點火能量應該受到限制，過高的點火能量不但不能改善發動機的燃燒性能，還會影響火花塞的使用壽命和發動機的工作可靠性。

3）與點火能量相比，點火時刻對發動機廢氣稀釋燃燒的影響更為顯著。在一定范圍內，隨著點火提前角的加大，最大爆發壓力和瞬時放熱率峰值增大，燃燒相位提前，燃燒持續期縮短，發動機的熱效率提高，燃燒穩定性增強，燃燒效率提高，稀燃極限得到拓展，發動機的動力性和經濟性得到改善。