主動(dòng)射流點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒控制策略

王 巍，趙自慶，蔡開源，劉 奕，劉 尚，劉 偉，王 志

（清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

前言

內(nèi)燃機(jī)是交通運(yùn)輸領(lǐng)域最常用的動(dòng)力裝置，其在航空、船舶、工程機(jī)械等領(lǐng)域也有較為廣泛的應(yīng)用。根據(jù)IEA的預(yù)測(cè)［1］，到2030年，全球采用內(nèi)燃機(jī)的車輛占比仍大于85%。目前絕大部分內(nèi)燃機(jī)仍以石油作為主要能量來源，持續(xù)增長(zhǎng)的內(nèi)燃機(jī)市場(chǎng)使我國(guó)原油進(jìn)口依存度逐年提高，對(duì)國(guó)家能源安全造成了巨大威脅。在此背景下，我國(guó)承諾在2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”，持續(xù)推動(dòng)內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排將有效促進(jìn)交通領(lǐng)域提前實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。因此，內(nèi)燃機(jī)亟需進(jìn)行技術(shù)革新，使用綠色、低碳、可再生清潔燃料，結(jié)合高效燃燒技術(shù)，降低環(huán)境影響，使內(nèi)燃機(jī)換發(fā)新的生機(jī)。

天然氣（CH4）是一種低碳的替代燃料，相比于傳統(tǒng)汽油、柴油等化石燃料，天然氣成分以甲烷為主，分子中含碳量低，使用天然氣作為燃料可降低CO2排放約25%，同時(shí)天然氣燃燒產(chǎn)生的顆粒物排放低。天然氣的辛烷值高（＞120），具有良好的抗爆性能，但是難以實(shí)現(xiàn)壓燃，因而目前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用火花點(diǎn)火［2］和雙燃料預(yù)混引燃［3］這兩種燃燒模式。其中火花點(diǎn)火模式在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最為廣泛［4］。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，提高壓縮比是常用的有效手段之一，但壓縮比過高會(huì)導(dǎo)致爆震等不正常燃燒現(xiàn)象［5］，給發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性帶來威脅。采用稀燃和廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）有利于抑制爆震，同時(shí)提高循環(huán)熱效率，但在稀燃和高EGR條件下，天然氣難以點(diǎn)燃且火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷紵龕夯?］。為了提高稀燃條件下的點(diǎn)火穩(wěn)定性，需要采用高能點(diǎn)火技術(shù)，而射流點(diǎn)火是其中一種點(diǎn)火能量較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的高能點(diǎn)火技術(shù)，相比于傳統(tǒng)火花塞，射流點(diǎn)火技術(shù)可將點(diǎn)火能量提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)［7］。

射流點(diǎn)火技術(shù)分為被動(dòng)和主動(dòng)兩種，其工作模式均為火花塞先點(diǎn)燃射流室內(nèi)的混合氣，形成高溫高速的火焰射流并通過射流噴孔進(jìn)入主燃室，進(jìn)而引燃主燃室的混合氣。其區(qū)別在于被動(dòng)射流模式下射流室和主燃室的混合氣濃度相同，而主動(dòng)射流模式下可向射流室內(nèi)部獨(dú)立噴射輔助燃料，在射流室和主燃室形成濃度分布不均的分層混合氣。對(duì)于被動(dòng)射流點(diǎn)火，Shah等［8］基于天然氣單缸發(fā)動(dòng)機(jī)開展了試驗(yàn)。結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)火花塞，射流點(diǎn)火可將燃燒持續(xù)期縮短30%左右，并且拓展了發(fā)動(dòng)機(jī)的稀釋稀燃極限。Takashima等［9］在一臺(tái)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)上開展了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，點(diǎn)火位置對(duì)射流點(diǎn)火性能有較大影響，點(diǎn)火位置靠近射流噴孔時(shí)有利于拓展稀燃極限。相比于被動(dòng)射流點(diǎn)火，主動(dòng)射流點(diǎn)火具有更強(qiáng)的拓展稀燃極限的能力。Shah等［10］在一臺(tái)天然氣單缸機(jī)上開展了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，采用主動(dòng)射流點(diǎn)火后稀燃極限拓展至λ=2.9，而被動(dòng)射流點(diǎn)火的稀燃極限僅為λ=1.7。Baumgartner等［11］基于一臺(tái)天然氣單缸機(jī)研究了射流室結(jié)構(gòu)、天然氣噴射時(shí)刻和脈寬對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響。結(jié)果表明，減小射流噴孔面積有利于提高射流速度，適當(dāng)增大射流噴孔面積并將射流方向引導(dǎo)到活塞上面的擠流區(qū)域，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能。

為了實(shí)現(xiàn)更好的射流燃燒效果，需要對(duì)射流燃燒的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。射流室的噴射參數(shù)對(duì)射流點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性有重要影響，而針對(duì)主動(dòng)噴射策略（尤其是噴射壓力、噴射脈寬等）對(duì)射流燃燒特性影響的系統(tǒng)研究較少，因此本文基于天然氣射流點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，研究了主動(dòng)噴射壓力和脈寬對(duì)整機(jī)燃燒特性、熱效率的影響，為主動(dòng)射流點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)研發(fā)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)臺(tái)架與研究方案

本研究在一臺(tái)射流點(diǎn)火天然氣單缸機(jī)上進(jìn)行，該單缸機(jī)由一臺(tái)1.8 L火花點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)改造而來，在進(jìn)氣道和射流室內(nèi)均安裝有天然氣噴射器，向主燃室和射流室內(nèi)獨(dú)立供應(yīng)天然氣，能夠?qū)崿F(xiàn)被動(dòng)射流點(diǎn)火和主動(dòng)射流點(diǎn)火兩種點(diǎn)火方式。發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，圖1是試驗(yàn)臺(tái)架的示意圖。圖2是發(fā)動(dòng)機(jī)射流室結(jié)構(gòu)示意圖，其中主動(dòng)射流天然氣噴射器可向射流室噴射輔助燃料（天然氣），射流室形成的火焰射流通過射流噴孔進(jìn)入主燃室。試驗(yàn)所用射流室的體積為活塞位于壓縮上止點(diǎn)時(shí)主燃室體積的2%。

圖2 射流室結(jié)構(gòu)示意圖

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

發(fā)動(dòng)機(jī)采用NI控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣壓力、燃料噴射時(shí)刻和噴射脈寬、點(diǎn)火時(shí)刻等精確測(cè)量和控制，使用Kistler 6115C型缸壓傳感器采集缸內(nèi)壓力并通過NI控制系統(tǒng)記錄、輸出數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在800 r·min-1，常規(guī)氣體排通過排放儀Horiba MEXA7200進(jìn)行采集分析。試驗(yàn)所用的主要設(shè)備如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

試驗(yàn)研究了天然氣單缸機(jī)在主動(dòng)射流點(diǎn)火條件下噴射脈寬和噴射壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響。采用進(jìn)氣道噴射天然氣，試驗(yàn)時(shí)保持進(jìn)氣道天然氣噴嘴的噴射壓力為0.8 MPa，使得進(jìn)氣道形成過量空氣系數(shù)為1.6的天然氣預(yù)混合氣。射流室內(nèi)安裝直噴噴射器，通過控制噴射器的脈寬來調(diào)節(jié)天然氣噴射量。試驗(yàn)過程中，射流室內(nèi)天然氣噴射壓力在0.5～3.0 MPa變化。進(jìn)氣道噴射器、射流室直噴噴射器均由NI控制系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)噴射時(shí)刻和脈寬。表3列出了本試驗(yàn)的工況參數(shù)。其中，天然氣進(jìn)氣道噴射脈寬保持為18 ms，天然氣進(jìn)氣道噴射流量穩(wěn)定在1.37 kg/h；天然氣射流室主動(dòng)噴射根據(jù)噴射壓力和脈寬的不同，流量范圍為0.28～1.93 g/min，占混合氣總能量的1.2%～7.8%。

表3 試驗(yàn)工況參數(shù)

2 結(jié)果分析和討論

2.1 主動(dòng)和被動(dòng)射流點(diǎn)火效果對(duì)比

圖3（a）示出了主/被動(dòng)射流模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)50個(gè)循環(huán)的缸內(nèi)壓力曲線。可以看出：主燃室稀燃工況下，采用被動(dòng)射流點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力的波動(dòng)較大，出現(xiàn)了失火的現(xiàn)象，燃燒不穩(wěn)定；采用主動(dòng)射流點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)無失火現(xiàn)象出現(xiàn)，燃燒穩(wěn)定性改善。圖3（b）示出了圖3（a）中被動(dòng)射流點(diǎn)火模式下前6個(gè)循環(huán)的缸壓曲線圖，循環(huán)出現(xiàn)的順序如圖所示：第1個(gè)循環(huán)為正常燃燒，第2個(gè)循環(huán)發(fā)生了失火（燃燒不穩(wěn)定造成），第3個(gè)循環(huán)爆發(fā)壓力最高，其原因在于上一個(gè)循環(huán)殘余的燃料（活性成分）保留到了下一個(gè)循環(huán)，使得該循環(huán)混合氣加濃，著火提前，缸壓升高。

圖3 主/被動(dòng)射流模式的缸壓曲線

圖4示出了相同負(fù)荷和點(diǎn)火時(shí)刻下，主動(dòng)和被動(dòng)射流點(diǎn)火模式的缸壓和放熱速率曲線。兩個(gè)工況的指示平均有效壓力均為0.62 MPa，點(diǎn)火時(shí)刻均為-24°CA ATDC，其中主動(dòng)射流點(diǎn)火工況的進(jìn)氣道天然氣噴射脈寬為19 ms，射流室天然氣主動(dòng)噴射時(shí)刻為-30°CA ATDC，噴射脈寬為2 ms；被動(dòng)射流點(diǎn)火工況的進(jìn)氣道天然氣噴射脈寬為19 ms，無射流室主動(dòng)噴射。

圖4 主/被動(dòng)射流點(diǎn)火模式下的缸壓和放熱率

從圖中可以看出，在相同負(fù)荷和點(diǎn)火時(shí)刻條件下，主動(dòng)射流點(diǎn)火模式的主燃室峰值壓力和峰值放熱速率更高，并且峰值壓力出現(xiàn)的時(shí)刻明顯提前，燃燒相位整體前移。這表明，相較于被動(dòng)射流點(diǎn)火，主動(dòng)射流點(diǎn)火具有更高的點(diǎn)火能量，可顯著加快燃燒速度，有利于提高燃燒等容度，進(jìn)而提高熱效率。

2.2 主動(dòng)噴射壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

圖5示出了主動(dòng)噴射脈寬為2和5 ms時(shí)不同主動(dòng)噴射壓力下的缸壓和放熱速率。

圖5 相同噴射脈寬時(shí)不同主動(dòng)噴射壓力下的燃燒特性

在噴射脈寬較低（2 ms）時(shí)，隨著主動(dòng)噴射壓力增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壓和放熱速率峰值單調(diào)升高，且燃燒相位明顯提前；由局部放大圖可知，在-20°CA ATDC附近，主燃室的放熱速率有明顯的抬升，這是射流室形成的火焰射流進(jìn)入主燃室導(dǎo)致的，放熱速率抬升的幅度取決于射流火焰能量的大小。隨著主動(dòng)噴射壓力的增大，放熱速率抬升幅度增大，表明射流火焰的能量增強(qiáng)。這是由于主動(dòng)噴射壓力增大，射流室內(nèi)混合氣濃度增大，燃燒釋放的熱量更多，產(chǎn)生能量更高的火焰射流。而在噴射脈寬較大（5 ms）時(shí)，隨著主動(dòng)噴射壓力增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壓和放熱速率峰值先升高后降低，在噴射壓力為2.0 MPa時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)燃燒相位最為靠前，燃燒速率最快。由局部放大圖可知，當(dāng)噴射壓力小于1.5 MPa時(shí)，放熱速率呈兩階段變化特征：主燃室放熱速率先小幅度抬升而后下降（射流火焰進(jìn)入主燃室），此后放熱速率繼續(xù)增大（主燃室內(nèi)混合氣被射流火焰引燃）。當(dāng)噴射壓力大于1.5 MPa時(shí)，主燃室放熱速率呈現(xiàn)單階段特征，這是由于射流火焰能量高，主燃室混合氣被迅速引燃，因此燃燒初始階段放熱速率單調(diào)增加。

當(dāng)主動(dòng)噴射壓力或主動(dòng)噴射脈寬較低時(shí)，增加噴射壓力和噴射脈寬均可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值燃燒壓力和峰值放熱速率，這是由于增大噴射壓力或脈寬，噴入射流室的天然氣量增多，在射流室內(nèi)形成更富集的天然氣混合氣，使得燃燒相位提前，主燃室混合氣燃燒速度提高，燃燒等容度提高，進(jìn)而循環(huán)熱效率增加。當(dāng)射流室內(nèi)混合氣被火花塞點(diǎn)燃后，富集的混合氣燃燒釋放更多的熱量，燃燒壓力更高，射流室和主燃室之間產(chǎn)生更高的壓差，進(jìn)而產(chǎn)生速度更高、溫度更高、貫穿距離更長(zhǎng)的火焰射流，這樣可以產(chǎn)生更多的著火點(diǎn)位，并且更高的射流溫度更容易引燃主燃室的稀混合氣，因此提高了主燃室混合氣的燃燒速度。當(dāng)噴射壓力或噴射脈寬繼續(xù)增大時(shí)，射流室的天然氣噴射量進(jìn)一步增大，在射流室內(nèi)形成了過濃的混合氣，混合氣過濃不利于射流室內(nèi)火焰的傳播，進(jìn)而導(dǎo)致火焰射流的速度和貫穿距離降低，射流點(diǎn)火的效果減弱，因此主燃室混合氣的燃燒速度和峰值放熱速率降低，混合氣燃燒速度降低。

圖6和圖7分別示出了主動(dòng)噴射壓力和噴射脈寬對(duì)燃燒相位CA50和燃燒持續(xù)期的影響。本文中燃燒持續(xù)期定義為從燃燒放熱達(dá)到整體放熱量的10%到90%所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角。

圖6 不同主動(dòng)噴射壓力和脈寬下的燃燒相位

圖7 不同主動(dòng)噴射壓力和脈寬下的燃燒持續(xù)期

由圖6可知：在2～4 ms脈寬范圍內(nèi)，相同噴射脈寬下，CA50隨著主動(dòng)噴射壓力的增大而逐漸提前，相同噴射壓力下，CA50隨著噴射脈寬的增大而逐漸提前；當(dāng)噴射脈寬為1或5 ms時(shí)，高噴射壓力才會(huì)出現(xiàn)燃燒遲滯現(xiàn)象。以上結(jié)果與前述缸壓、放熱速率的分析一致。

由圖7可知，隨著噴射壓力和噴射脈寬增大，整體燃燒持續(xù)期的變化趨勢(shì)和燃燒相位的變化趨勢(shì)不盡相同。只有在最低的噴射壓力（0.5 MPa）時(shí)，噴射脈寬增大使燃燒持續(xù)期有所降低。在其他噴射壓力下，隨著噴射脈寬的增大，燃燒持續(xù)期均增大，這與燃燒相位的提前趨勢(shì)恰好相反，主要由于長(zhǎng)噴射脈寬使射流室中天然氣增多，較濃混合氣燃燒雖然可以產(chǎn)生較高的射流點(diǎn)火能量，進(jìn)而提高燃燒速度，燃燒質(zhì)心前移，但是由于射流室內(nèi)部的混合氣過濃，導(dǎo)致無法完全燃燒，射流室和主燃室的換氣不充分，導(dǎo)致射流室內(nèi)部殘余天然氣需要更長(zhǎng)時(shí)間才能燃燒充分，整體的燃燒持續(xù)期增加。

圖8示出了不同主動(dòng)噴射壓力和噴射脈寬下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的循環(huán)波動(dòng)率。可以明顯看出，當(dāng)噴射壓力為0.5 MPa，噴射脈寬為1 ms時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)波動(dòng)率達(dá)到了4.2%，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的穩(wěn)定性較差。這主要由于射流室內(nèi)天然氣較少，在主燃室稀薄燃燒的環(huán)境下，點(diǎn)火能量不足，循環(huán)波動(dòng)增加。隨著噴射壓力和脈寬的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)波動(dòng)率穩(wěn)定在1%左右，燃燒穩(wěn)定性提高，且在穩(wěn)定燃燒條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)波動(dòng)率受主動(dòng)噴射脈寬和噴射壓力的影響較小。

圖8 不同噴射壓力和脈寬下的循環(huán)波動(dòng)率

圖9和圖10分別對(duì)比了不同主動(dòng)噴射壓力和脈寬下平均指示壓力（IMEP）和指示熱效率的變化。

試驗(yàn)中，每個(gè)工況點(diǎn)的進(jìn)氣道噴射的天然氣的量是相同的，同時(shí)點(diǎn)火時(shí)刻也保持相同。隨著主動(dòng)噴射壓力和脈寬的增大，每循環(huán)進(jìn)入燃燒室的天然氣總量增加，但由圖9可知，在噴射壓力達(dá)到1.5 MPa后，隨著噴射脈寬的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的IMEP降低。由圖10可知，只有在噴射脈寬較低（1 ms）時(shí)，主動(dòng)噴射壓力對(duì)指示熱效率影響較小。隨著噴射脈寬的增大，不同噴射壓力下的指示熱效率的差異逐漸增大，且指示熱效率隨著主動(dòng)噴射壓力的增大而降低。綜合來看，在較低的噴射壓力下，即噴射壓力為0.5和1.0 MPa時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率最高，且指示熱效率隨噴射脈寬的增大變化小。隨著噴射壓力進(jìn)一步增大，指示熱效率降低，且相同噴射壓力下，噴射脈寬越大，指示熱效率越低。這主要由兩方面原因?qū)е拢海?）隨著主動(dòng)噴射壓力和噴射脈寬增大，發(fā)動(dòng)機(jī)峰值放熱速率增大，且燃燒質(zhì)心提前，在保持點(diǎn)火提前角不變的前提下，CA50將過于提前，未處于最優(yōu)燃燒相位，這是導(dǎo)致指示熱效率降低的主要原因；（2）由于主動(dòng)噴射壓力和噴射脈寬增大，射流室內(nèi)形成過濃的混合氣，導(dǎo)致燃燒不完全不充分，噴射壓力和脈寬過高時(shí)，過濃的混合氣還會(huì)阻礙火焰射流的產(chǎn)生，這將進(jìn)一步降低循環(huán)熱效率。

圖9 主動(dòng)噴射脈寬和噴射壓力對(duì)IMEP的影響

圖10 主動(dòng)噴射脈寬和噴射壓力對(duì)指示熱效率的影響

3 結(jié)論

本文在一臺(tái)天然氣射流點(diǎn)火單缸機(jī)上研究了主動(dòng)射流點(diǎn)火模式下，主動(dòng)射流氣體噴射壓力和噴射脈寬對(duì)射流燃燒特性和熱效率的影響，主要得出以下結(jié)論：

（1）相比于被動(dòng)射流點(diǎn)火，在相同的負(fù)荷和點(diǎn)火時(shí)刻條件下，主動(dòng)射流點(diǎn)火模式著火相位提前，峰值燃燒壓力和峰值放熱速率均明顯提高，燃燒初期速度加快。

（2）主動(dòng)噴射壓力和噴射脈寬低時(shí)，循環(huán)波動(dòng)大，此時(shí)增加主動(dòng)噴射壓力和噴射脈寬可以提高燃燒穩(wěn)定性。在穩(wěn)定燃燒條件下（循環(huán)波動(dòng)率小于1.5%），繼續(xù)增加主動(dòng)噴射壓力和脈寬對(duì)循環(huán)波動(dòng)影響較小。

（3）增大主動(dòng)噴射壓力和噴射脈寬可提高峰值燃燒壓力和峰值放熱速率，使初始階段燃燒速度加快，但會(huì)導(dǎo)致整體燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)。

（4）在保證燃燒穩(wěn)定性的前提下，固定點(diǎn)火提前角，采用較低的主動(dòng)噴射壓力和脈寬，使得射流室內(nèi)混合氣能充分燃燒，并能產(chǎn)生較高能量的火焰射流，此時(shí)指示熱效率高。樣機(jī)優(yōu)化的噴射策略為：主動(dòng)噴射壓力0.5 MPa，主動(dòng)噴射脈寬2～5 ms時(shí)，指示熱效率提高2.8%。