多次點火對汽油發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的試驗研究

葉 坦

(淮北職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系,安徽 淮北 235000)

0 引言

車用汽油發(fā)動機部分負荷工況的比油耗是影響整車循環(huán)油耗量的重要因素，分層稀薄燃燒技術(shù)是降低部分負荷燃油消耗最為有效的手段.采用無節(jié)氣門的負荷控制方法不僅在部分負荷工況有效降低泵氣損失，同時在發(fā)動機缸內(nèi)形成的稀薄混合氣有更高的比熱比，提高了發(fā)動機燃燒熱效率[1].發(fā)動機在小負荷工況的分層稀薄燃燒容易出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定，并且在某些循環(huán)存在不能成功點燃混合氣、導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)偶爾失火的現(xiàn)象.多次點火線圈能夠在一段時間內(nèi)連續(xù)充放電，實現(xiàn)火花塞多次跳火，提高點火能量，增強和改善稀薄燃燒發(fā)動機點火穩(wěn)定性， 改善排放性能.

前期試驗已明確項目采用多孔噴油器，對一次晚噴、兩次噴射比例及噴射相位等控制策略進行了試驗研究，同時對博格華納貝魯系統(tǒng)的多次點火線圈控制方法進行了試驗.本階段試驗利用某型號單缸汽油機，通過配置中高滾流氣道配合多次點火系統(tǒng)進行稀燃試驗，采集發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性進行分析評價，中高滾流氣道配合多次點火技術(shù)進行稀燃條件下噴油、點火相位掃點試驗，明確缸內(nèi)滾流及多次點火對發(fā)動機穩(wěn)定性的影響[2].

1 試驗樣機及試驗方法

試驗樣機為缸內(nèi)直噴且噴油器中置的研究用單缸汽油機，試驗臺架如圖1所示,基本參數(shù)如表1所列.試驗用噴油器為T-HDEV5-00000-1650博世電磁多孔噴油器，多次點火系統(tǒng)采用博格華納貝魯系統(tǒng)的多次點火線圈.

圖1 臺架布置示意圖

表1 單缸發(fā)動機基本參數(shù)

除了點火系統(tǒng)之外，缸內(nèi)氣流亦對燃燒造成明顯影響，缸內(nèi)氣流主要由氣道決定.本階段采用高滾流進氣道和中滾流進氣道分別進行點火策略研究試驗，氣道參數(shù)為高滾流氣道，平均滾流比為2.4216，平均流量系數(shù)為0.2661.中滾流氣道平均滾流比為2.2719，平均流量系數(shù)為0.2975.控制條件為燃油采用93#無鉛燃油；機油牌號 SJ 級以上10～40 W；冷卻液的出口溫度控制在(343±2)K/(70±2)℃；機油溫度按機油性能控制在(363±5)K/(90±5)℃之間；燃油溫度控制在(298±5)K/(25±5)℃之間；進氣溫度為(25±5)℃；排氣背壓閥全開.冷卻液的出口溫度應(yīng)控制在(361±5)K/(88±5)℃，而單缸機散熱量少，試驗負荷較低時，不能達到該出水溫度，故根據(jù)實際試驗條件，冷卻液出水溫度定為(70±2)℃.

2 試驗工況及試驗方法

2.1 試驗工況

本次試驗主要在發(fā)動機稀燃狀態(tài)下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為2 000 rmp，平均指示氣缸壓力(IMEP)在2.8 bar和5.8 bar兩種狀態(tài)且節(jié)氣門全開的情況，本次試驗工況如表2所列.

表2 多次點火策略研究試驗發(fā)動機工況點

2.2 試驗方法

分層稀燃發(fā)動機噴油控制策略側(cè)重于晚噴模式，試驗采用在一次晚噴或一早一晚兩次噴油(早噴油量占總噴油量比例為85%)的模式下，進行稀燃條件下噴油和點火時刻對發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和排放性能影響的掃點試驗，試驗參數(shù)如表 3所列.

表3 多次點火策略研究試驗噴油策略參數(shù)表

稀燃工況試驗過程固定循環(huán)噴油量(2 000 rpm、2.8 bar 工況，固定循環(huán)噴油量(9.95±0.15)mg；2 000 rpm、5.8 bar 工況，固定循環(huán)噴油量(18.9±0.2)mg和進氣壓力(節(jié)氣門全開)，通過噴油時刻和點火時刻正交掃點試驗得到發(fā)動機能夠穩(wěn)定燃燒的噴油和點火相位區(qū)域.

3 試驗結(jié)果分析

考慮到除點火系統(tǒng)之外，缸內(nèi)氣流運動亦對燃燒產(chǎn)生影響[3].故本階段分別在高滾流氣道和中滾流氣道上進行多次點火和單次點火對比試驗，試驗選取低負荷 2 000 rpm、2.8 bar 工況和中負荷 2 000 rpm、5.8 bar 工況，研究多次點火技術(shù)對分層稀薄燃燒發(fā)動機在燃燒穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和排放性能方面的影響如圖2所示.

圖2顯示在分層稀薄燃燒模式下，在中、高滾流兩種氣道下分別進行單次點火和多次點火的噴油點火掃點試驗的燃燒循環(huán)變動情況.其中虛線區(qū)域為單次點火的穩(wěn)定燃燒噴油點火相位區(qū)域.對比圖2中(a)和(b)可以看出，在2 000 rpm、2.8 bar低負荷工況，在單次點火模式下，過高的滾流使穩(wěn)定燃燒的噴油點火區(qū)間略微縮小，這主要是因為對于噴霧引導(dǎo)型分層稀薄燃燒，噴霧對燃燒起著決定性作用，過高的滾流對噴霧形態(tài)產(chǎn)生影響進而影響火花塞附近混合氣濃度，造成燃燒不穩(wěn)定及偶爾失火，穩(wěn)定燃燒的噴油點火區(qū)間變小[4].

在中滾流氣道上，多次點火技術(shù)相比單次點火沒有明顯改善燃燒穩(wěn)定性.然而，在高滾流氣道上多次點火技術(shù)卻能夠極大地拓展穩(wěn)定燃燒的噴油點火區(qū)間(圖2(b))且靠近上止點，其噴油和點火時刻由50°CA_BTDC 和 30°CA_BTDC拓展到41°CA_BTDC和 23° CA_BTDC，也就是說，多次點火技術(shù)配合高滾流可以極大改善發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性，這主要因為多次點火線圈能夠在一段時間內(nèi)連續(xù)充放電，產(chǎn)生多個火花，高滾流將火花吹散進入混合氣中，形成多個著火點，提高點火能量的同時提高稀薄燃燒穩(wěn)定性，因而獲得更大的穩(wěn)定燃燒的噴油點火區(qū)間范圍[5].這樣能夠得到更好的燃燒相位，從而使得油耗和排放得到改善.

對比圖2中(c)和(d)可以看出，在中等負荷2 000 rpm、5.8 bar 工況，在單次點火模式下，高滾流比可以將穩(wěn)定燃燒的噴油點火區(qū)間由35° CA_BTDC和25° CA_BTDC 拓展到26° CA_BTDC 和15° CA_BTDC，主要是因為在該工況下，循環(huán)噴油量增加，比較強的氣流運動可以改善霧化，使得燃燒穩(wěn)定性增強.在該工況下，不管是中滾流氣道還是高滾流氣道， 多次點火技術(shù)對燃燒循環(huán)變動均沒有明顯影響[6].

(a)2 000 rpm、2.8 bar中滾流氣道單次和多次點火 (b)2 000 rpm、2.8 bar高滾流氣道單次和多次點火

4 結(jié)束語

單次點火和多次點火燃燒穩(wěn)定性試驗結(jié)論：在2 000 rpm、2.8 bar工況，多次點火技術(shù)結(jié)合比較高的滾流能夠充分發(fā)揮多次點火技術(shù)優(yōu)勢，提高燃燒穩(wěn)定性；在2 000 rpm、5.8 bar工況下，多次點火相比單次點火在燃燒穩(wěn)定性方面沒有優(yōu)勢.多次點火技術(shù)能夠改善發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和排放性能，由于缸內(nèi)滾流的影響， 多次點火技術(shù)配合不同的滾流比氣道有比較大的差異[7].多次點火技術(shù)能夠提高稀燃發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性，但需要結(jié)合高滾流比的氣流運動才能夠充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，即多次點火技術(shù)需要配合高滾流比氣道.