湍流射流點(diǎn)火器的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

廖升友

摘要：為實(shí)現(xiàn)湍流射流點(diǎn)火的稀薄燃燒，本文設(shè)計并試制了一款集成了火花塞、噴油器和預(yù)燃室的湍流射流點(diǎn)火器，并基于該射流點(diǎn)火器開展了初步發(fā)動機(jī)試驗(yàn)。進(jìn)一步地，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和耐久性結(jié)果對該射流點(diǎn)火器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)明顯提高了發(fā)動機(jī)的性能，并且大大改善了噴油器因高溫而損壞的情況。

Abstract： To realize the lean burn of turbulent jet ignition combustion， a turbulent jet ignitor comprising a spark plug， an injector and a pre-chamber is designed and made in this work. Furtherly， according to the test results of engine experiments and durability results， optimization of the turbulent jet ignitor is conducted， and the engine performance is greatly improved and the damage of injector by high temperature is avoided.

關(guān)鍵詞：湍流射流點(diǎn)火;稀薄燃燒;射流點(diǎn)火器;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Key words： turbulent jet ignition;lean burn;jet ignitor;structure optimization

0 ?引言

湍流射流點(diǎn)火燃燒方式是一種利用預(yù)燃室和射流孔實(shí)現(xiàn)火焰加速，從而加快火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵俾实娜紵绞健＝陙恚牧魃淞鼽c(diǎn)火由于其稀薄燃燒的潛力而受到了國際上的廣泛關(guān)注[1，2]。在稀薄燃燒時，通過一個額外的小流量噴油器向預(yù)燃室內(nèi)噴入一定量的燃料，保證在主燃燒室稀薄的情況下預(yù)燃室內(nèi)仍然是當(dāng)量燃燒。Attard等人[3，4]通過測試發(fā)現(xiàn)這種燃燒方式可同時獲得高熱效率（42%）和極低的NOx排放（低于10ppm）。

但目前國內(nèi)對于湍流射流點(diǎn)火的稀薄燃燒研究仍然處于起步階段，因此本文自主設(shè)計并試制了一款湍流射流點(diǎn)火器，并根據(jù)發(fā)動機(jī)測試結(jié)果對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。

1 ?湍流射流點(diǎn)火器的設(shè)計

1.1 點(diǎn)火器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

湍流射流點(diǎn)火器設(shè)計圖如圖1所示，左側(cè)是點(diǎn)火器兩個主體零部件，右側(cè)是該射流點(diǎn)火器的安裝圖。該射流點(diǎn)火器的主體包含上下兩部分，上半部分主要用于安裝火花塞和噴油器，實(shí)現(xiàn)射流點(diǎn)火器的點(diǎn)火和預(yù)燃室內(nèi)供油;下半部分主要是一個空腔結(jié)構(gòu)，為該點(diǎn)火器的預(yù)燃室，底部包含有若干射流空。射流點(diǎn)火器的三維結(jié)構(gòu)如圖2所示，安裝于發(fā)動機(jī)時通過螺紋固定在缸蓋上。

1.2 小流量噴油器

在射流點(diǎn)火器的設(shè)計中，需要同時集成火花塞與噴油器;此外，考慮到預(yù)燃室容積較小，所匹配的噴油器應(yīng)該具有非常小的流量以避免預(yù)燃室內(nèi)供油量過大而導(dǎo)致燃燒不充分或失火。因此，在設(shè)計預(yù)燃室射流點(diǎn)火器時應(yīng)該為其定制小流量噴油器。在本文中，采用基于現(xiàn)有商用噴油器改造的方法獲取所需噴油器。具體方法是將一個包含n個噴孔的噴油器采用激光焊接的方法將其中（n-1）個孔進(jìn)行封閉，保留一個方向大致朝向火花塞的噴孔，具體如圖3所示。

進(jìn)一步的，完成了小流量噴油器的加工改造后，需要通過試驗(yàn)對其流量特性進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果如圖4所示。在噴油壓力20MPa和環(huán)境背壓1bar的條件下，該噴油器在其最小噴油脈寬0.2ms時可達(dá)到1.2mg左右的噴油量，可以滿足預(yù)燃室微量供油的需求。

2 ?湍流射流點(diǎn)火器試驗(yàn)測試

在完射流點(diǎn)火器的設(shè)計和試制之后，初次試驗(yàn)基于一臺單缸熱力學(xué)發(fā)動機(jī)開展，該射流點(diǎn)火器在發(fā)動機(jī)上側(cè)置安裝。試驗(yàn)中節(jié)氣門全開，進(jìn)氣溫度和壓力分別為常溫常壓，冷卻水溫度固定在75℃，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速固定在1500r/min，對不同過量空氣系數(shù)（λ）的工況進(jìn)行點(diǎn)火時刻掃描，其部分測試結(jié)果如圖5和圖6所示。在稀薄燃燒時，為了保證燃燒的穩(wěn)定性，需要在湍流射流點(diǎn)火器的預(yù)燃室內(nèi)通過小流量噴油器噴入適當(dāng)?shù)娜加停苑€(wěn)定預(yù)燃室內(nèi)的初始火焰。從測試結(jié)果來看，平均指示壓力隨著λ的增大而逐漸減小，這是噴油量逐漸減少造成的。燃油消耗率隨著λ的增加而先降低后升高，降低是由于稀薄燃燒減少了壁面?zhèn)鳠嵬瑫r增加了缸內(nèi)氣體的多變指數(shù);而燃油消耗率升高則是由于過于稀薄的情況下主燃燒室內(nèi)燃燒不充分所導(dǎo)致的。由于預(yù)燃室射流火焰的加速和預(yù)燃室內(nèi)的穩(wěn)定燃燒，發(fā)動機(jī)在稀薄燃燒下的燃燒穩(wěn)定性得到了保證，在λ1.8以內(nèi)時循環(huán)波動都遠(yuǎn)低于5%的限值;只有當(dāng)λ超過2.0時，發(fā)動機(jī)的循環(huán)波動才高于5%。此外，湍流射流點(diǎn)火最大的特點(diǎn)是大大降低了NOx的生成，從測試結(jié)果來看當(dāng)λ高于1.6時，NOx的缸內(nèi)生成量就已經(jīng)達(dá)到接近于0的水平。

3 ?預(yù)燃室結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 原結(jié)構(gòu)存在的問題

雖然在發(fā)動機(jī)初步測試中，湍流射流點(diǎn)火器體現(xiàn)出了稀薄燃燒和降低NOx的巨大潛力，但仍然存在兩個明顯的問題。其一是預(yù)燃室的容積過大導(dǎo)致預(yù)燃室內(nèi)的散熱損失難以忽略，因此要想進(jìn)一步降低湍流射流點(diǎn)火方式的油耗率需要對預(yù)燃室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，最為重要的一點(diǎn)是對容積的優(yōu)化。其二是在目前的結(jié)構(gòu)中，點(diǎn)火器內(nèi)的小流量噴油器耐久性較差，在發(fā)動機(jī)連續(xù)運(yùn)行一段時間后會出現(xiàn)噴油器頭部燒蝕的現(xiàn)象，如圖7所示，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)噴油器上的燃燒室密封環(huán)被高溫破壞的情況。因此，需要對射流點(diǎn)火器的冷卻方式進(jìn)行改進(jìn)，尤其是避免運(yùn)行中火花塞和噴油器出現(xiàn)高溫?fù)p壞的情況。

3.2 預(yù)燃室結(jié)構(gòu)改進(jìn)

針對前面提出的兩方面問題，這里開展了對預(yù)燃室結(jié)構(gòu)和冷卻方式的優(yōu)化。優(yōu)化前后的預(yù)燃室結(jié)構(gòu)如圖8所示，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)采用了圓弧矩形的結(jié)構(gòu)，大大減少了預(yù)燃室的容積。此外，改進(jìn)結(jié)構(gòu)1采用了原始結(jié)構(gòu)的7射流孔結(jié)構(gòu)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)2采用了單孔方式，并保證單孔結(jié)構(gòu)與7孔結(jié)構(gòu)具有相同的流通面積。

考慮到改進(jìn)后的預(yù)燃室為圓弧矩形截面結(jié)構(gòu)，預(yù)燃室的安裝方式也需要進(jìn)行相應(yīng)的改變，尤其是需要對預(yù)燃室部件進(jìn)行定位，在安裝過程中防止其轉(zhuǎn)動，并且保證預(yù)燃室的長邊方向與火花塞和噴油器連線保持一致。因此，在安裝上改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)增加了兩個定位銷，并采用分體式安裝，將預(yù)燃室和安裝螺紋分離，具體如圖9所示，如此可避免安裝過程中預(yù)燃室部件的轉(zhuǎn)動。

此外，為了提高射流點(diǎn)火器的散熱效果，確保在運(yùn)行過程中噴油器和火花塞不會因高溫而損壞，在改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)中增加了冷卻水道，如圖10所示。進(jìn)水口和出水口通過螺紋安裝在點(diǎn)火器上，安裝時需要放置橡膠墊方式冷卻水滲漏;在點(diǎn)火器內(nèi)水道的水平處與外殼交界處通過焊接進(jìn)行密封。

4 ?改進(jìn)前后性能和排放對比

經(jīng)過上述結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，再此基于同一臺發(fā)動機(jī)和相同的試驗(yàn)條件進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖11所示。在測試結(jié)果中，每個λ下通過掃描點(diǎn)火時刻獲得最佳油耗點(diǎn)，并將改進(jìn)后稀薄燃燒結(jié)果與改進(jìn)前稀薄燃燒結(jié)果進(jìn)行了對比。對比改進(jìn)前結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)1，可看出減少預(yù)燃室容積對于降低指示燃油消耗率和NOx排放具有明顯的效果，這是由于預(yù)燃室容積減少降低了預(yù)燃室的散熱損失，同時也降低了產(chǎn)生NOx的區(qū)域大小。對比改進(jìn)結(jié)構(gòu)1和改進(jìn)結(jié)構(gòu)2可以看出，優(yōu)化射流孔結(jié)構(gòu)對于減少燃油消耗率仍然有明顯的效果，同時還一定程度地降低了循環(huán)波動，這是由于單孔結(jié)構(gòu)在射流強(qiáng)度上更加劇烈，燃燒速率更快，尤其是對于本試驗(yàn)中這種射流孔斜置安裝的形式。

5 ?結(jié)論

本文成功設(shè)計并制作了一款湍流射流點(diǎn)火器，根據(jù)初步的發(fā)動機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對該射流點(diǎn)火器進(jìn)行了預(yù)燃室結(jié)構(gòu)優(yōu)化和冷卻方式優(yōu)化;經(jīng)測試，優(yōu)化后的湍流射流點(diǎn)火器在稀薄燃燒工況具有更好的經(jīng)濟(jì)型和更低的氮氧排放，同時小流量噴油器在工作中被高溫?fù)p壞的問題也得到了很好地解決。

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