汽油機預燃室技術的研究及發(fā)展前景

劉耀東 宮艷峰 李金成 陳海娥

（中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：預燃室 快速燃燒 稀燃 熱效率

1 前言

近年來，傳統內燃機不斷受到油耗法規(guī)、排放法規(guī)和新能源發(fā)展的挑戰(zhàn)。如筆者前文所說[1]，目前，主流量產汽油機的有效熱效率為38～41%，未來，45%乃至更高的有效熱效率成為內燃機的發(fā)展方向。為了達到這一目標，需要從汽油機能量分配的角度，即摩擦、泵氣、傳熱、燃燒和排氣這幾個途徑來提升熱效率。預燃室能夠實現快速而穩(wěn)定的燃燒，配合米勒循環(huán)、EGR和稀燃等技術，可以顯著地降低泵氣、傳熱和燃燒的損失，近年來在汽油機上的研究和應用逐漸廣泛，被認為是未來汽油機最有希望的技術路線之一[2-3]。

2 汽油機預燃室技術的研究現狀

預燃室一般位于氣缸蓋內，通過一個或數個孔道與主燃室相連。預燃室內安裝有火花塞，火花塞點燃的高溫、高壓氣體從孔道噴入主燃室，引燃其中的混合氣，從而進行燃燒。預燃室可以分為被動式和主動式兩種。被動式預燃室沒有輔助的燃油供給系統，依靠活塞上行將混合氣壓入預燃室內，活塞下行將預燃室內燃燒后的廢氣抽出；主動式預燃室?guī)в休o助的燃油供給系統，將燃油或油氣混合氣噴入預燃室，有的預燃室還配備空氣泵，將燃燒后的廢氣強制排出預燃室。

世界上第一個具有預燃室結構的發(fā)動機來自1918年的Ricardo Dolphin[4]，在此概念的啟發(fā)下，Toyota[5]、Ford[6]、Volkswagen[7]和 Honda[8]等都進行過類似的設計，它們都具有較大的預燃室容積（一般大于主燃燒室容積的3%）和較大的預燃室噴孔直徑。后來，Gussak等人[9]根據射流引燃的概念設計了另外一種結構，它具有較小的預燃室容積（一般小于主燃燒室容積的3%）和較小的預燃室噴孔直徑，相比前者，這種結構使得預燃室中的射流火焰以更快的速度通過噴孔，在相同的時間內，更廣泛地將燃燒產生的活性基分布到主燃室當中，從而加快燃燒速度，拓寬稀燃極限。現在的預燃室大多是后者的結構。

由于汽油的點燃極限較窄，淬熄厚度較大[10]，一直以來，預燃室技術主要應用在柴油機和氣體發(fā)動機上。近年來，預燃室技術逐漸應用于賽車的汽油機[11]，并且，隨著汽油機對熱效率和動力性的雙重追求，乘用車汽油機預燃室的研究逐漸增多。MAHLE對預燃室的結構、燃燒、排放和油耗等進行了持續(xù)全面的研究[3,12-16]，并在多缸機上將油耗降低至200 g/（kW?h）。IAV也對預燃室的燃燒系統進行了詳細的設計[2,17,18]，包括冷卻系統、低壓空氣/燃油噴射系統、爆震測量等。Honda等日本的公司在追求45%有效熱效率的道路上，也在考慮采用預燃室技術[11]，通過模擬，Yasuhiro等人在空燃比35和壓縮比16的條件下，將有效熱效率提升至47.2%。

本文主要針對汽油機預燃室技術的優(yōu)勢和問題進行研究和討論，為進一步的產品開發(fā)奠定基礎。

3 汽油機預燃室的優(yōu)勢

3.1 燃燒速度與燃燒重心

燃燒速度的加快和燃燒重心的提前，使發(fā)動機的工作過程更接近等容燃燒，是提高燃燒效率的關鍵因素，其常規(guī)的手段包括：提高滾流比、增大沖程缸徑比、提高點火能量和多點點火等。對于汽油機預燃室來說，利用預燃室噴射進入主燃室的“火焰”來引燃混合氣，不但可以提高缸內的湍動能，而且實現了多點點火和燃燒可控。

MAHLE的Michael Bunce和Hugh Blaxill在一臺壓縮比為14的單缸氣道噴射（PFI）汽油機上，研究了主動式預燃室的燃燒[2]。結果表明，在小負荷的當量比燃燒時（1 500 r/min，IMEP=550 kPa，如圖1所示），由于沒有爆震的限制，傳統火花點火的燃燒重心基本保持在8～10°CA，燃燒持續(xù)期也可達到15°CA，而預燃室在燃燒重心同樣為8～10°CA的情況下，燃燒持續(xù)期縮短至7°CA左右；在大負荷的當量比燃燒時（2 500 r/min，IMEP=1 170 kPa，如圖2所示），由于爆震的限制，傳統火花點火的燃燒重心推后到17°CA，燃燒持續(xù)期也延長到19°CA，而同樣前提下，預燃室的燃燒重心只推后到12°CA，燃燒持續(xù)期也只有10°CA。另外可以看到，傳統火花點火的可燃極限在Lambda（過量空氣系數）為1.4左右，此時，燃燒速度顯著減小，大負荷的燃燒持續(xù)期增大到20～30°CA；而預燃室的可燃極限可以拓寬到Lambda為2.0左右，此時，小負荷的燃燒重心仍然可以控制到8～10°CA，大負荷的燃燒重心保持在15°CA之內，燃燒持續(xù)期基本可以保持在20°CA之內。

圖1 1 500 r/min，IMEP=550 kPa的燃燒[2]

圖2 2 500 r/min，IMEP=1 170 kPa的燃燒[2]

IAV的Marc Sens等人也研究了預燃室汽油機的燃燒[3]。在小負荷的當量比燃燒時（1 500 r/min，BMEP=600 kPa，如圖3所示）,被動式與主動式預燃室的燃燒持續(xù)期相同，都為8°CA，而傳統火花點火的燃燒持續(xù)期為12°CA。另外，與MAHLE的研究結果一致，傳統火花點火的可燃極限在Lambda為1.4左右，此時，燃燒持續(xù)期顯著延長；被動式預燃室雖然通過多點點火提高了燃燒速度，但由于預燃室內容易殘留廢氣，所以可燃界限與傳統火花點火相差不大；而主動式預燃室借助輔助燃油供給系統或空氣泵，可以將預燃室內的廢氣排出，其燃燒持續(xù)期在Lambda大于2時，仍保持在15°CA之內。

圖3 1 500 r/min，BMEP=600 kPa的燃燒[3]

由此可見，主動式預燃室不但可以顯著地提高燃燒速度并提前燃燒重心，而且在稀燃的條件下仍然保持這一優(yōu)勢。這對大負荷爆震的抑制和小負荷燃燒的穩(wěn)定性都是十分重要的。

3.2 燃燒穩(wěn)定性

眾所周知，稀燃和高EGR是提高汽油機熱效率的有效方法。但與此同時，過稀的混合氣和過高EGR使得點火穩(wěn)定性變差，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟瑥亩鴮е卵h(huán)變動增大，甚至失火。主動式預燃室可以通過輔助燃油供給系統和空氣泵實現預燃室內的當量比燃燒，隨后從預燃室噴出的射流火焰形成多點同時著火，改善了稀燃和高EGR下的燃燒速度。

IAV的Marc Sens等人給出了1 500 r/min，BMEP為600 kPa時，不同Lambda和EGR下的燃燒循環(huán)變動[3]，如圖4和圖5所示。從圖中可以看到，當Lambda超過1.4時，傳統火花點火和被動式預燃室的COV（循環(huán)變動）陡然增大，而主動式預燃室在Lambda為2時，COV仍然小于2；當EGR超過15%時，傳統火花點火的COV顯著增大，被動式預燃室在EGR為25%時，COV也顯著增大，而主動式預燃室在EGR超過30%時，仍然能保持不超過2%的COV。

圖4 不同Lambda的燃燒穩(wěn)定性[3]

由此可見，主動式預燃室在Lambda小于2或者EGR為30%時，仍然能保持穩(wěn)定的燃燒，從而可以采用這兩種方法來提高有效熱效率。

圖5 不同EGR的燃燒穩(wěn)定性[3]

3.3 其它

如上所述，汽油機預燃室的核心優(yōu)勢在于它的快速燃燒和穩(wěn)定可控。這樣的優(yōu)勢可以彌補其它重要技術對發(fā)動機造成的負面影響。比如，米勒循環(huán)造成的缸內湍動能下降、大負荷區(qū)域爆震造成的混合氣加濃、稀燃或EGR造成的燃燒速度下降和燃燒不穩(wěn)定、提高壓縮比造成的爆震傾向增大等。

除此之外，若預燃室汽油機采用稀燃的燃燒方式，在Lambda為2左右時，由于燃燒溫度的降低，可以顯著降低NOx排放至傳統汽油機的1%左右，但同時HC排放升高至傳統汽油機的2～3倍[2,18]。

4 汽油機預燃室的問題

4.1 預燃室內的換氣

汽油機預燃室面臨的一個核心問題就是預燃室內的換氣。由于被動式預燃室只能依靠活塞的運動來抽出和壓入氣體，所以很容易在預燃室內殘留廢氣，它與傳統火花點火一樣難以拓寬可燃極限（如圖3～5所示）；而主動式預燃室也需要依靠空氣泵和輔助的燃油噴射系統來進行換氣。這樣一來，就會產生油束撞壁的問題。前文提到，目前汽油機預燃室的容積一般小于主燃燒室容積的3%，在如此小的容積內，避免油束撞壁十分困難，實現較好的油氣混合更加不易。一旦油束撞壁嚴重或油氣混合不均勻，將造成過高的HC排放和預燃室積碳。

對此，IAV采用了一種燃油/空氣混合的噴射器來解決上述問題[17]。由于同時含有燃油和空氣的混合氣被噴入預燃室，所以既可以排出預燃室內的殘留廢氣，又能避免大量的燃油撞壁。如圖6的模擬結果所示，傳統的液態(tài)燃油噴射器造成了23.1%的濕壁量，而燃油/空氣混合的噴射器只有0.8%的濕壁量。盡管如此，實際的效果還需要通過試驗來檢驗。

4.2 預燃室的傳熱

汽油機預燃室還需要解決的一個關鍵問題就是傳熱。一方面，預燃室代替?zhèn)鹘y火花塞會增大面容比，從而增大傳熱損失，這對熱效率的提升是一個不利的因素。另一方面，預燃室獨特的引燃模式，也造成了這樣的矛盾：大負荷時，為了防止預燃室過熱帶來的爆震傾向，需要對它進行冷卻；而小負荷和冷啟動時，為了防止預燃室過冷帶來的火焰淬熄，需要保持它“暖”的狀態(tài)。

圖6 模擬的燃油撞壁量對比[17]

針對汽油機預燃室的上述問題，可以通過以下一些方法解決：

（1）優(yōu)化燃燒室，使得面容比盡量小，這包括預燃室容積和形狀、內置火花塞位置、以及活塞幾何形狀的設計等；

（2）設計預燃室的水套和加熱裝置。通過水套冷卻降低大負荷時預燃室的溫度，防止預燃室過熱造成爆震；通過加熱裝置在小負荷和冷啟動時快速暖機，防止預燃室過冷造成火焰淬熄。

（3）合理選取預燃室材料的導熱系數。導熱系數過小，導致大負荷時預燃室降溫緩慢，容易造成過熱，增大爆震傾向；導熱系數過大，容易造成熱損失增大。

（4）合理設計預燃室的孔徑大小。孔徑過大，容易造成大負荷時射流火焰減弱，從而降低燃燒速度，增大爆震傾向；孔徑過小，容易造成小負荷和冷啟動時火焰淬熄。

綜上所述，鑒于預燃室獨特的引燃模式，在設計時更加需要全面考慮和平衡各個因素的影響，以達到精益化的目標。

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4.3 催化器的快速起燃

雖然汽油機預燃室的快速燃燒帶來了熱效率和抗爆性的提升，但在冷啟動時，由于壁面過冷，火焰容易淬熄，所以燃燒重心不能特別靠后，然而催化器的快速起燃卻希望非常靠后的燃燒重心以保持較高的排放溫度。

這種矛盾在實際工程當中需要尋求平衡。可以通過設計預燃室容積大小、孔徑大小、噴孔布置等參數進行優(yōu)化，以同時滿足冷啟動和快速燃燒的需求。

4.4 可靠性與耐久性

目前，尚未見到較為成熟的預燃室應用在量產汽油機上，多數文獻和報道都限于研究當中，只有部分應用于賽車汽油機[11]。其主要原因除了上述的換氣、傳熱等問題之外，還有量產上更為關注的可靠性和耐久性。

從上面論述中可以看到，在預燃室非常狹小的空間內，不斷地進行換氣、噴油、點火和燃燒，并在大、小負荷切換時，伴隨著反復的冷熱交替。相比于傳統汽油機，如此條件下的預燃室內更易產生積碳，且很難燒掉和排出，若孔徑設計過小，也容易造成堵塞。長時間運行下，預燃室的可靠性和耐久性都將是一個挑戰(zhàn)。

5 結論及啟示

隨著內燃機對更高熱效率的追求，預燃室技術以其突出的快速燃燒和稀燃能力日受矚目。表1總結了傳統汽油機與預燃室汽油機在各方面的對比。

從對比中可以看到，預燃室技術在燃燒速度、稀燃能力、燃燒穩(wěn)定性和熱效率等方面有著明顯的優(yōu)勢，其燃燒特性對熱效率的提升起到了關鍵的作用；但與此同時，由于換氣、傳熱、可靠性，甚至稀燃后處理等方面的問題，導致預燃室的輔助技術成本提升，加之極限工作狀態(tài)下發(fā)動機的可靠性和耐久性等問題，使得汽油機預燃室尚未量產。盡管如此，隨著各領域技術的成熟和突破，預燃室技術在汽油機上將發(fā)揮更大的作用和潛力。

表1 傳統汽油機與預燃室汽油機的對比