汽油機(jī)均質(zhì)稀燃點(diǎn)火系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

胡 軻 張 華 韋 虹 李雙清

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動(dòng)力總成有限公司）

引言

為了實(shí)現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性的能效目標(biāo)，滿足越來(lái)越嚴(yán)苛的環(huán)保排放指標(biāo)，目前行業(yè)內(nèi)的先進(jìn)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)都在不同程度上采用了廢氣渦輪增壓器、廢氣再循環(huán)、缸內(nèi)直噴、高壓縮比以及稀燃等技術(shù)選項(xiàng)中的多項(xiàng)技術(shù)。采用以上幾項(xiàng)技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的某些工況存在缸內(nèi)同一時(shí)間多種不均勻混合氣分布，缸內(nèi)的缸壓較大，缸內(nèi)的混合氣的密度高，混合氣的湍流速度大等特點(diǎn)。使用普通的火花塞，點(diǎn)火時(shí)刻若沒(méi)有提供足夠的點(diǎn)火能量，則很有可能會(huì)出現(xiàn)電極間隙無(wú)法被擊穿。根據(jù)相關(guān)內(nèi)燃機(jī)的燃燒理論研究，點(diǎn)火能量低，形成的初級(jí)火核的尺寸越小，更容易被流動(dòng)混合氣吹熄。點(diǎn)火時(shí)刻形成的火核被吹熄后，如果沒(méi)有足夠的點(diǎn)火能量形成新火核，這樣無(wú)法保證穩(wěn)定可靠的缸內(nèi)燃燒過(guò)程，從而會(huì)導(dǎo)致失火概率升高[1]。有關(guān)研究文獻(xiàn)對(duì)不同廠商的點(diǎn)火線圈點(diǎn)火能量的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到2020 年，配套的點(diǎn)火能量將超過(guò)200 mJ[2]。所以，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在采用這些新技術(shù)的同時(shí)，也要匹配高點(diǎn)火能量的點(diǎn)火系統(tǒng)，否則發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法穩(wěn)定工作。

稀薄燃燒技術(shù)是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同的提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。稀燃技術(shù)的主要特點(diǎn)是采用比傳統(tǒng)當(dāng)量比更稀的缸內(nèi)混合氣，因此火花塞周圍環(huán)境的混合氣濃度也會(huì)比較低，點(diǎn)火時(shí)刻火核難以形成，所以需要的最小點(diǎn)火能量迅速增加。提高點(diǎn)火能量有利于火核形成，保證火焰快速生長(zhǎng)，可以有效拓展混合氣的燃燒極限。

本文著重介紹了3 種不同高能點(diǎn)火系統(tǒng)，并在同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行稀燃性能試驗(yàn)，對(duì)比不同高能點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、油耗和排放的影響。

1 高能點(diǎn)火系統(tǒng)

點(diǎn)火系統(tǒng)是火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)零部件，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，點(diǎn)火線圈受發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 的控制，按照發(fā)火順序給火花塞提供高的點(diǎn)火能量，最終火花塞電極間隙產(chǎn)生火花，點(diǎn)燃缸內(nèi)的可燃混合氣體。因此，點(diǎn)火系統(tǒng)能否可靠準(zhǔn)確地點(diǎn)火以及點(diǎn)火系統(tǒng)的性能會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率、性能和污染物排放產(chǎn)生什么影響都需要進(jìn)一步的研究。傳統(tǒng)點(diǎn)火線圈初級(jí)能量能達(dá)到50 mJ，電子式的點(diǎn)火線圈點(diǎn)火能量能達(dá)到100 mJ。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)劃分，點(diǎn)火線圈的能量能達(dá)到100 mJ 的點(diǎn)火系統(tǒng)就可以稱之為高能點(diǎn)火系統(tǒng)，如果點(diǎn)火線圈初級(jí)能量達(dá)到了200～300 mJ 或者更高就稱之為超高能量點(diǎn)火系統(tǒng)，圖1 所示為點(diǎn)火線圈點(diǎn)火能量的發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 點(diǎn)火線圈點(diǎn)火能量的發(fā)展趨勢(shì)

1.1 普通高能點(diǎn)火系統(tǒng)

當(dāng)前普通的量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)，其工作原理為點(diǎn)火線圈與火花塞連接，儲(chǔ)存點(diǎn)火所需的能量，將電源提供的低電壓電轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏弘姡⒏邏弘妭鬟f給火花塞，火花塞在高壓電的作用下電極間隙被擊穿產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃電極周圍缸內(nèi)的混合氣體。

當(dāng)前量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的點(diǎn)火能量范圍都要小于100 mJ，普通高能點(diǎn)火系統(tǒng)在現(xiàn)有的點(diǎn)火線圈產(chǎn)品基礎(chǔ)上提升點(diǎn)火能量，使點(diǎn)火線圈提供的點(diǎn)火能量能夠達(dá)到120 mJ。這種方案在現(xiàn)有產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，與傳統(tǒng)的點(diǎn)火系統(tǒng)相比，不會(huì)增加系統(tǒng)布置的難度，同時(shí)成本的增加也在能夠接受的范圍之內(nèi)。

1.2 長(zhǎng)放電持續(xù)期的高能點(diǎn)火系統(tǒng)

長(zhǎng)放電持續(xù)期的高能點(diǎn)火系統(tǒng)如圖2 所示，它由控制裝置和點(diǎn)火線圈組成，系統(tǒng)集成度非常高，并不會(huì)比普通的點(diǎn)火系統(tǒng)體積尺寸大特別多。該系統(tǒng)能夠提供80～500 mJ 的點(diǎn)火能量，屬于超高能量點(diǎn)火，電壓能夠達(dá)到45 kV。

圖2 供應(yīng)商點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)品

普通點(diǎn)火系統(tǒng)的主要弱點(diǎn)是在點(diǎn)火的后一階段電流處于較低的水平，如圖3 所示，穩(wěn)定電流Ispark的趨勢(shì)是隨著點(diǎn)火時(shí)間的增加不斷減弱，這樣點(diǎn)火能量較小，不利于火核的形成。如圖4 所示，長(zhǎng)放電持續(xù)期點(diǎn)火系統(tǒng)能夠在整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程中維持較強(qiáng)的穩(wěn)定電流，無(wú)論燃燒室缸內(nèi)混合氣體的湍流速度是大是小，所以點(diǎn)火能量有很大的提升。

圖3 普通點(diǎn)火電流趨勢(shì)

圖4 長(zhǎng)放電持續(xù)期點(diǎn)火電流趨勢(shì)

如圖5 所示的長(zhǎng)放電持續(xù)期高能點(diǎn)火系統(tǒng)工作原理圖，其具體的工作過(guò)程是：通過(guò)調(diào)節(jié)放電的時(shí)間Tspark，放電的峰值電流Ipk，穩(wěn)定電流Ispark來(lái)調(diào)節(jié)點(diǎn)火的能量，具體的點(diǎn)火能量數(shù)值不能在實(shí)際測(cè)試中讀取，只能根據(jù)對(duì)應(yīng)的公式進(jìn)行換算，點(diǎn)火能量和調(diào)節(jié)參數(shù)的對(duì)應(yīng)如表1 所示，長(zhǎng)放電持續(xù)期高能點(diǎn)火系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的點(diǎn)火能量范圍是90～450 mJ，該點(diǎn)火系統(tǒng)擁有較寬的點(diǎn)火能量區(qū)間，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)450 mJ 的超高點(diǎn)火能量值。長(zhǎng)放電持續(xù)期高能點(diǎn)火系統(tǒng)與普通的點(diǎn)火系統(tǒng)相比，需要獨(dú)立的控制單元，該控制單元還能進(jìn)行失火診斷和爆震分析。

圖5 長(zhǎng)放電持續(xù)期工作過(guò)程

表1 長(zhǎng)放電持續(xù)期點(diǎn)火能量對(duì)應(yīng)表

1.3 電暈點(diǎn)火系統(tǒng)

如圖6 的系統(tǒng)圖所示，電暈點(diǎn)火系統(tǒng)由高頻控制器和點(diǎn)火器組成，高頻控制器需要單獨(dú)的電源供電或者通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)電源供電。高頻控制器有多個(gè)點(diǎn)火觸發(fā)信號(hào)輸出，內(nèi)部通過(guò)CAN 與ECU 通訊。在試驗(yàn)過(guò)程中，該套點(diǎn)火系統(tǒng)可通過(guò)高頻控制器控制模塊進(jìn)行控制。其點(diǎn)火性能是通過(guò)控制次級(jí)電壓和點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間來(lái)進(jìn)行控制。

圖6 電暈點(diǎn)火系統(tǒng)圖

控制單元負(fù)責(zé)處理從發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 發(fā)出的脈沖，將12 V 的直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率大約為1 MHz 的高頻電壓，通過(guò)這個(gè)電壓來(lái)激勵(lì)點(diǎn)火器共振。當(dāng)接收到1 MHz 高頻激勵(lì)作用，點(diǎn)火器會(huì)激發(fā)出72 kV 的超高電壓，通過(guò)點(diǎn)火器的尖端輻射產(chǎn)生具有高場(chǎng)強(qiáng)的交變電場(chǎng)。電場(chǎng)從點(diǎn)火器的電極延伸到燃燒室內(nèi)，用能量激勵(lì)點(diǎn)火器電極范圍內(nèi)的混合氣，直到轉(zhuǎn)變成等離子體，這個(gè)過(guò)程在幾個(gè)微秒內(nèi)完成。一旦電子密度達(dá)到足夠大的程度，即刻會(huì)形成多條長(zhǎng)的電離氣體束點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的可燃混合氣[3]。電暈點(diǎn)火可以生成面向整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)腔的電暈體，跟可燃混合氣不是空間上單點(diǎn)接觸，而是全方位的放電效應(yīng)，所以能最大化提升混合氣的可點(diǎn)燃性和缸內(nèi)的燃燒穩(wěn)定性。電暈點(diǎn)火系統(tǒng)需要高頻的控制器，電暈點(diǎn)火器比普通的點(diǎn)火線圈和火花塞尺寸要大一些，需要考慮其在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上的布置。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)及試驗(yàn)基本信息

試驗(yàn)是在一款排量1.5L 的3 缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)直噴汽油機(jī)上進(jìn)行的，采用高壓縮比、Miller 循環(huán)及雙頂置凸輪軸等技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)如表2 所示。臺(tái)架設(shè)備型號(hào)和具體參數(shù)如表3 所示，試驗(yàn)采用92#汽油。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

綜合應(yīng)用高能點(diǎn)火系統(tǒng)、高滾流比氣道、小包角進(jìn)氣凸輪軸和高壓縮比技術(shù)，試驗(yàn)內(nèi)容為固定工況點(diǎn)，從0.9 到1.9 對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)行掃點(diǎn)，保持一定的掃點(diǎn)步長(zhǎng)，擬研究不同過(guò)量空氣系數(shù)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化。在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)高效點(diǎn)火系統(tǒng)的次級(jí)電壓和點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間，且不出現(xiàn)漏電的情況下，保證稀薄油氣混合氣的點(diǎn)燃。試驗(yàn)邊界條件如表4 所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)備清單

表4 試驗(yàn)邊界控制條件

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 普通高能點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果

以上述發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)機(jī)，使用120 mJ 普通高能點(diǎn)火線圈，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在固定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，BMEP為1.05 MPa，對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)行掃點(diǎn)，各工況運(yùn)行穩(wěn)定后，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)不同過(guò)量空氣系數(shù)工況下的性能參數(shù)。通過(guò)所測(cè)普通高能點(diǎn)火系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈的點(diǎn)火能量到120 mJ，點(diǎn)火系統(tǒng)能點(diǎn)燃φat≈1.25 稀燃混合氣。如圖7 所示的油耗數(shù)據(jù)結(jié)果，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率逐漸降低，得到的最低油耗為213.43 g/（kW·h），對(duì)比當(dāng)量比下的油耗222.18 g/（kW·h）降低了3.5%左右。

圖7 120 mJ 油耗結(jié)果

如圖8 所示，從120 mJ 點(diǎn)火系統(tǒng)的COV 結(jié)果也可以看出，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)φat＞1.25 的時(shí)候，COV＞3，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)增加，不能繼續(xù)增加過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。圖9 所示為120 mJ 點(diǎn)火系統(tǒng)的燃燒參數(shù)測(cè)試結(jié)果，燃燒持續(xù)期隨著過(guò)量空氣系數(shù)增加而有所推遲。

圖8 120 mJ COV 結(jié)果

圖9 120 mJ 燃燒持續(xù)期和CA50

如圖10 所示，120 mJ 點(diǎn)火系統(tǒng)測(cè)試的排放結(jié)果可以看出過(guò)量空氣系數(shù)的提高對(duì)于排放的影響，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的提高，NOx排放呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，具體在φat=1.1 附近達(dá)到極值。當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)大于1.1 之后，NOx排放數(shù)值逐漸降低，有繼續(xù)減小的趨勢(shì)。

圖10 120 mJ NOx 排放結(jié)果

2.2.2.長(zhǎng)放電持續(xù)期高能點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果

以同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)機(jī)型，使用長(zhǎng)放電持續(xù)期的高能點(diǎn)火系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)運(yùn)行在固定轉(zhuǎn)速2 500 r/min，BMEP 為0.9 MPa，其他參數(shù)保持不變，對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)行掃點(diǎn)，掃點(diǎn)步長(zhǎng)為0.1，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)不同過(guò)量空氣系數(shù)工況下的各性能參數(shù)。同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)所測(cè)試點(diǎn)火系統(tǒng)的放電持續(xù)時(shí)間，獲得不同的點(diǎn)火能量（90 mJ，實(shí)線所示和310 mJ，虛線所示），重復(fù)上述步驟進(jìn)行試驗(yàn)，得到不同點(diǎn)火能量下，過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的影響。

如圖11 所示，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗量隨著φat的升高先降低后增加，在φat=1.505 時(shí)，是燃油消耗的極值，獲得最佳燃油消耗率209.1 g/（kW·h）。同時(shí)，對(duì)比相同過(guò)量空氣系數(shù)工況下兩種不同點(diǎn)火能量的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，點(diǎn)火能量越大越能獲得更低的燃油消耗率。

圖11 長(zhǎng)放電持續(xù)期油耗結(jié)果

從圖12 的COV 試驗(yàn)結(jié)果可以看出高能點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)于稀燃極限的拓展也是有限的，長(zhǎng)放電持續(xù)期的高能點(diǎn)火系統(tǒng)只能將稀燃極限提升至1.7 左右，點(diǎn)火能量的升高能一定程度上改善發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，但是還是不能提升過(guò)量空氣系數(shù)至1.7 以上，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，循環(huán)變動(dòng)增加。

圖12 長(zhǎng)放電持續(xù)期COV 結(jié)果

通過(guò)圖13 和圖14 的燃燒參數(shù)分析可知，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的升高，缸內(nèi)混合氣的燃燒速度明顯變慢，燃燒持續(xù)期增加，所以當(dāng)φat＞1.7 之后，COV 急劇變差，燃燒不穩(wěn)定。相比于普通高能點(diǎn)火系統(tǒng)，通過(guò)延長(zhǎng)放電持續(xù)期對(duì)點(diǎn)火能量的提高，能有效改善燃燒過(guò)程，提高燃燒速度。

通過(guò)圖15 所示的NOx排放數(shù)據(jù)分析，過(guò)量空氣系數(shù)的提高對(duì)NOx排放影響的趨勢(shì)與普通高能點(diǎn)火是吻合的，在φat為1.1 附近時(shí)，NOx排放達(dá)到極值，當(dāng)φat＞1.1，NOx排放呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在φat=1.7 左右時(shí)，實(shí)測(cè)NOx排放數(shù)值為383×10-6，仍不能滿足排放法規(guī)規(guī)定的排放限值要求。需要進(jìn)一步研究φat＞1.7時(shí)，過(guò)量空氣系數(shù)的變化對(duì)于NOx排放的改善趨勢(shì)。

圖13 長(zhǎng)放電持續(xù)期燃燒持續(xù)期

圖14 長(zhǎng)放電持續(xù)期CA50

圖15 長(zhǎng)放電持續(xù)期NOx 排放

2.2.3 電暈點(diǎn)火稀燃試驗(yàn)

以上述發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)機(jī)型，使用電暈點(diǎn)火系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)運(yùn)行在固定轉(zhuǎn)速2500 r/min，BMEP 為0.9 MPa，對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)行掃點(diǎn)，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)不同過(guò)量空氣系數(shù)狀態(tài)下的各性能參數(shù)。

圖16 所測(cè)試電暈點(diǎn)火油耗結(jié)果

如圖16 所示，過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)油耗的影響變化趨勢(shì)與長(zhǎng)放電持續(xù)期點(diǎn)火系統(tǒng)趨勢(shì)一致，在φat=1.55時(shí)，獲得最低油耗207.25 g/（kW·h），比長(zhǎng)放電持續(xù)期點(diǎn)火系統(tǒng)有更低的燃油消耗，說(shuō)明點(diǎn)火能量的繼續(xù)提高會(huì)降低油耗。

同樣，當(dāng)φat升高到1.7 左右時(shí)，COV 急劇增加，燃燒不穩(wěn)定，如圖17 和18 所示的燃燒參數(shù)，說(shuō)明在試驗(yàn)用的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)上，靠簡(jiǎn)單地提升點(diǎn)火能量，能夠?qū)崿F(xiàn)的稀燃邊界是有限的，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和點(diǎn)火系統(tǒng)的匹配進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化缸內(nèi)混合氣的形成。

圖17 所測(cè)試電暈點(diǎn)火COV 結(jié)果

圖18 所測(cè)試電暈點(diǎn)火燃燒參數(shù)

從圖19 所示的NOx排放的測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)φat＞1.7 時(shí)，繼續(xù)增大過(guò)量空氣系數(shù)，能繼續(xù)降低NOx排放。

圖19 所測(cè)電暈點(diǎn)火NOx 排放

3 結(jié)論

1）均質(zhì)稀燃是提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的關(guān)鍵技術(shù)之一，高能點(diǎn)火系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)稀燃技術(shù)的必要條件，高能點(diǎn)火系統(tǒng)能顯著提高較濃或者較稀混合氣成功點(diǎn)火的概率，改善混合氣的著火過(guò)程，提升燃燒速度。

2）長(zhǎng)放電持續(xù)期的高能點(diǎn)火系統(tǒng)與普通的高能點(diǎn)火系統(tǒng)相比較，能穩(wěn)定點(diǎn)燃更稀的缸內(nèi)混合氣，試驗(yàn)結(jié)果顯示所測(cè)長(zhǎng)放電持續(xù)期點(diǎn)火系統(tǒng)能點(diǎn)燃φat≤1.65 的稀燃混合氣。但當(dāng)φat＞1.65，實(shí)測(cè)結(jié)果COV＞3%，燃燒持續(xù)期隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加持續(xù)增加，發(fā)動(dòng)機(jī)不能成功點(diǎn)火，出現(xiàn)失火。

3）所測(cè)電暈點(diǎn)火系統(tǒng)是一種體積點(diǎn)火方式，與長(zhǎng)放電持續(xù)期的高能點(diǎn)火系統(tǒng)相比，能有效點(diǎn)燃φat＞1.65 的稀燃混合氣，進(jìn)一步拓展了稀燃的極限，但是受基礎(chǔ)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑和燃燒室高度的限制，較高的過(guò)量空氣系數(shù)φat=1.7（1.8），試驗(yàn)時(shí)循環(huán)變動(dòng)增加，燃燒不穩(wěn)定[4]。