辅助火花点火对DME微引燃汽油稀释复合燃烧的影响

张龙龙，陈 韬，谢 辉，牛 健，赵 华



辅助火花点火对DME微引燃汽油稀释复合燃烧的影响

张龙龙，陈 韬，谢 辉，牛 健，赵 华

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

DME(dimethyl ether，二甲醚)微引燃汽油稀释复合燃烧模式，可以实现汽油机高效低温燃烧．但是在DME总热值比受限条件下，废气稀释存在极限条件，限制了经济性的进一步提升．为提高稀释燃烧经济性，采用火花点火可以提升集聚型DME微引燃相对燃烧速度，可以提高离散型DME微引燃绝对燃烧速度．研究结果表明：火花点火对两种微火源引燃都具有促进作用，在离散型微火源策略中采用火花点火对经济性提升更明显，相对于火花点火辅助集聚型微引燃可提高3.88%．

汽油机；火花点火；DME微引燃；复合燃烧；废气稀释

在汽油机上采用火花点火引燃-可控自燃(spark ignition-controlled auto-ignition，SI-CAI)的稀释低温混合燃烧技术，同时具有高热效率和低NO排放的优点．美国西南研究院[1]引入10%～20% EGR可以降低汽油机部分负荷油耗，但是继续提高EGR率会使燃烧循环波动升高．文献[2-4]对SI-CAI混合燃烧循环波动进行了研究，结果表明：SI-CAI混合燃烧的前期火焰传播与后期自燃之间存在强烈的耦合，前期火焰传播过程的波动会影响后期自燃燃烧过程．

为了解决前期火焰传播不稳定问题，Sevik等[5]通过增加点火系统的能量来提高燃烧过程初期的着火稳定性，EGR率上限最高拓展到27.1%，燃烧循环变动小于3%，指示热效率改善5.5%．Shi等[6]通过进气道喷射汽油和DME进行预混，利用DME提高整缸混合气活性，实现汽油机空气稀释低温燃烧，研究点火时刻(spark timing，ST)对燃烧调控作用．本课题组提出DME微引燃汽油稀释混合燃烧技术[7]，通过缸内直喷微量DME引燃气道喷射汽油，提高前期着火能力，实现稳定燃烧．DME为含氧燃料，十六烷值高，自燃温度低且滞燃期短，不含C—C键，燃烧过程无碳烟生成[8]，有利于火核形成和提高整缸活性.

DME喷射策略不同，对汽油机稀释混合燃烧作用不同，当DME喷射时刻靠近燃烧上止点时，缸内DME浓区形成集聚型DME微火源，可以提高稀释混合燃烧的着火能力；DME喷射时刻远离燃烧上止点时，扩散分布的DME形成离散型DME微火源，有利于火焰传播速度的提升[9]．但是，考虑到DME在实际乘车中的填充与使用情况的非便利性，设定DME在试验工况中比例不超过总热值(汽油＋DME热值)的15%，即采用缸内直喷微量的DME实现着火和燃烧控制．Fu等[10]进行了稀释条件下DME微引燃混合燃烧试验，发现直喷DME类似于多点点火，可实现稳定着火并提高火焰传播速度和汽油机热效率．虽然空气稀释具有较高的热效率，但是非当量比燃烧给排放后处理带来较大挑战，因此，废气稀释下的汽油机低温燃烧具有更好的实用价值．但是在稀释度进一步提升，DME总热值比不超过15%的条件下，DME早喷可能无法实现稳定着火，而DME晚喷可能导致周围混合气过于稀释影响火焰传播速度.

本文在内部残余废气28%、外部残余废气27%的高稀释下，DME总热值固定，保证缸内当量比燃烧便于尾气后处理，试图通过引入火花点火强化DME微引燃着火和燃烧的调控，实现部分负荷高稀释条件下汽油机混合燃烧经济性优化和排放改善．

1 试验系统

研究工作基于1台Ricardo Hydra 140型双顶置凸轮轴四冲程单缸汽油机，发动机技术参数如表1 所示．

表1 发动机参数

Tab.1 Engine specifications

图1为台架试验装置示意．试验燃料为92号汽油和二甲醚，通过进气道喷油器喷射汽油，发动机进气端侧置直喷喷油器喷DME．直喷DME在活塞顶部凹坑的引导下，可以在火花塞附近形成DME浓区．试验中混合气浓度测量根据ETAS公司LA4线性空燃比分析仪．其中，根据DME热值和汽油热值，将DME换算成等效热值的汽油量，从而对空燃比分析仪中H/C等进行标定．排放数据测量根据HORIBA公司的MEXA-7100DEGR废气分析仪．试验中缸压测量是通过Kistler公司的6225b型缸内压力传感器进行测量．

图1 试验台架装置示意

图2所示为直喷DME供给系统示意，该供给系统采用氮气作为驱动源，通过改变DME瓶中氮气体积分数，从而调节DME的直喷喷射压力．试验中DME直喷压力固定在4MPa左右，DME流量测量采用Max213型高精度活塞流量计，其测量范围为0.5～1800mL/min，测量精度为±0.2%，满足试验需求．

1—氮气瓶；2—氮气减压阀；3—球阀1；4—DME气瓶；5—球阀2；6—球阀3；7—单向阀；8—DME观察室；9—球阀4；10—DME过滤器(2.5mm)；11—DME流量计；12—球阀5；13—DME直喷油轨；14—压力表(0～10MPa)；15—DME直喷喷油器；16—泄压阀；17—球阀7；18—球阀8

试验过程中采用负气门重叠角策略，进气门升程为5mm，持续期108°CA，进气门关闭时刻为180°CA ATDC；排气门升程为4.9mm，持续期107°CA，排气门开启时刻为180°CA BTDC．发动机转速维持在1500r/min，总喷油量为14.0mg/cycle，DME热值比占总喷油量热值比的14%．DME早喷时刻100°CA，晚喷时刻60°CA．调节EGR阀开度保持过量空气系数为1．

2 试验结果分析及讨论

2.1 高废气稀释下DME微引燃燃烧问题分析

DME喷射时刻靠近燃烧上止点时，会形成活塞凹坑DME浓区、外围DME稀少的集聚型分布状态，此时燃烧初期DME消耗量占比较高，高度集聚的DME发挥高能点火源作用，定义为集聚型微火源．相应的，当DME喷射时刻远离上止点时，会在燃烧室中心形成DME相对较浓，外围区域分散均匀的离散型分布状态，离散分布的DME提高了整缸混合气活性，定义为离散型微火源[9]．

图3为关闭火花点火，DME在早喷100°CA和晚喷60°CA下两种放热率特征．在早喷100°CA工况下，DME在缸内整体呈现离散型分布特征，此时较高的废气稀释导致离散型DME微火源无法自燃引发着火燃烧过程，同时DME热值比基本已经达到上限15%．在晚喷60°CA工况下，燃烧呈现3阶段放热特征，采用放热率二阶导数判断燃烧速度变化快慢，从而划分燃烧阶段[11-12]．第1阶段特征点为放热率二阶导数一个波峰位置，表征主燃烧过程进入快速放热阶段；第2阶段特征点为放热率二阶导数一个波谷位置，表征由前面快速放热到后面放热速度下降的转折点；第3阶段特征点为另一个波峰位置，表征由较慢的放热速度转入后续快速放热的转折点．其中，段为活塞凹坑中心DME集聚型分布导致的快速自燃；段为DME自燃引燃周围汽油的火焰传播；-CA90为燃烧室周围混合气的快速 燃烧．

图3 DME不同分布形态下燃烧阶段划分

集聚型DME具有较强的着火引燃能力，离散型DME可以提高整缸混合气活性，理论上同时增加集聚型和离散型DME的喷射量，可以实现前期的稳定着火和后期的快速放热．但是在废气稀释极限下，同时采用集聚型和离散型喷射策略，DME喷射量将超过总热值比15%的界限，因此，在同一个循环里不能同时使用集聚型和离散型微火源．为进一步提高放热速度，提高燃油经济性，采取火花点火辅助集聚型微引燃燃烧策略，实现双火源，提高前期相对燃烧放热速度；采取火花点火辅助离散型微引燃燃烧策略，实现前期稳定着火和快速放热．分析辅助火花点火对不同DME微火源的作用及效果．

2.2 火花点火辅助DME微引燃燃烧特征分析

图4为DME喷射时刻(start of injection，SOI)60°CA下，火花点火辅助集聚型微火源混合燃烧的放热特征．图4(a)为缸压和放热率曲线；图4(b)为3阶段燃烧转折点变化趋势；图4(c)为DME自燃、火焰传播和末端混合气自燃的3个阶段燃烧放热加速度，其计算方法为求取每阶段的相位和放热率大小，以两点斜率表征该阶段的燃烧放热加速度．图4(a)中：随点火时刻提前，放热率和缸压整体向前，其中最大爆压提高0.41MPa，最大爆压对应相位提前3°CA，表明火花点火可以部分提升集聚型微引燃下燃烧过程的调控能力．当关闭点火和点火时刻在0～10°CA时，缸压和放热率无明显变化，点火时刻进一步提前，缸压和放热率发生偏移．主要是由于集聚型DME微火源类似于多点点火，其着火引燃能力强于火花点火，当点火时刻过于靠近上止点，此时缸内已经发生稳定着火燃烧，因此点火没有产生较明显影响．图4(b)中：火花点火对一阶段转折点几乎没有影响，基本维持在上止点前4.5°CA，表明燃烧过程始点由集聚型微火源起主导作用．二阶段转折点随点火时刻提前，整体相位提前约1.5°CA．在图4(c)中显示出一阶段DME自燃放热速度增加1.13倍，二阶段火焰传播速度增加1.35倍．表明由火花点火与集聚型微火源形成的双点火系统，由于火花点火能量要低于集聚型微火源的多点自燃，所以火花点火对一阶段DME自燃相对放热速度提升较少，主要对二阶段相对火焰传播速度具有较大促进作用．火花点火对一二阶段相对燃烧放热速度的量变积累，使缸内温度和压力得到进一步升高，导致后期末端混合气自燃放热速度提升1.37倍，燃烧终点提前．

图4 SOI为60°CA BTDC下火花点火对放热特征的影响

图5为DME在早喷100°CA下，火花点火辅助对离散型DME微引燃放热过程的影响．图5(a)为不同点火时刻下的缸压和放热率曲线；图5(b)为火花点火对单阶段燃烧放热加速度影响．计算依据为：选取燃烧始点和放热率极大值点，计算出斜率用于表征前期燃烧放热加速度变化．从图5(a)中可看出：由于缸内废气稀释度比较高，单纯离散型微火源无法实现稳定燃烧，此时需要将点火时刻提前至25°CA之前．随点火时刻提前，燃烧放热加速度显著增加，ST为50°CA BTDC的放热加速度是ST为25°CA BTDC的1.64倍．主要是点火时刻提前，燃烧始点提前，缸内温度和压力升高，促进了离散型DME多点自燃的快速发生，从而进一步提升缸内压力和温度，实现周围混合气快速放热.火花点火辅助离散型微引燃的燃烧放热加速度更高，相对于火花点火辅助的集聚型微引燃的一阶段DME自燃放热加速度，最大加速度可以提升1.75倍.

图5 SOI为100°CA BTDC的下火花点火对放热特征影响

图6为火花点火对集聚型和离散型DME微引燃燃烧特征参数的调控规律．对于集聚型DME微引燃，其燃烧相位随点火时刻的提前逐渐提前，且燃烧持续期缩短．从图4中可以看出，主要是火花点火提升了一、二阶段的相对燃烧放热速度，从而燃烧相位提前，末端混合气自燃速度增加，燃烧终点提前，所以持续期缩短．这表明，在高废气稀释条件下，辅助火花点火可以提升集聚型DME微引燃相对燃烧放热加速度，弥补废气稀释对火焰传播速度的抑制效果．对于离散型DME微引燃，其燃烧相位大幅度提前，持续期显著缩短，火花点火对其CA10、CA50和燃烧持续期都具有较强的近似线性调控能力．从图6中可以看出早喷DME的CA10要明显迟于晚喷DME的CA10，只有当点火时刻提前至50°CA时，才能与晚喷DME的CA10相当．主要原因是SOI为60°CA时缸内集聚型DME容易发生多点自燃，而在SOI为100°CA时，离散型DME分布无法实现稳定自燃，火花点火引燃混合气受缸内残余废气稀释影响滞燃期较长，因此其CA10要明显靠后．由于早喷DME提高了废气稀释下缸内的混合气活性，因此在火花点火实现引燃后，其火焰传播速度快，缸压和温度上升明显，导致末端混合气自燃发生时刻提前，从而CA50从12°CA提前至7°CA，燃烧持续期从19°CA缩短至14°CA．

图6 火花点火对不同DME喷射时刻下的燃烧相位和持续期影响

由于火花点火对集聚型和离散型DME微引燃都具有近似线性调控作用，因此，对试验数据进行线性拟合，计算点火时刻对燃烧参数调控的斜率大小，计算结果如图6标注所示．在离散型DME微引燃下，火花点火对CA10、CA50和燃烧持续期的调控能力分别是晚喷工况的6.3倍、3.8倍和3.4倍左右．随喷射时刻推迟DME由离散型分布向集聚型分布转变，火花点火对DME微引燃燃烧过程的调控能力和重要性由强变弱．

图7为火花点火对燃烧效率、热功转换效率、换气效率和指示热效率的影响规律．不同DME喷射时刻下，缸内背压和DME扩散时长不同，从而决定DME在缸内不同的分布、分层状态．通过比较火花点火辅助对DME微引燃效率的影响，可以更加明确点火对DME微引燃混合燃烧的促进效果，从而决定在高废气稀释部分负荷下选取何种着火策略．

由图7可知：

(1) 在晚喷SOI为60°CA时，DME在缸内呈现集聚型分布状态，集聚型微火源可以实现稳定燃烧，但是燃烧室周围混合气在高废气稀释下活性低，导致燃烧不完全，因此其燃烧效率基本不随点火时刻改变而改变．但是由于点火时刻可以提高一阶段DME自燃放热速度和二阶段火焰传播速度，使得燃烧持续期缩短，燃烧等容度提高，从而提高热功转换效率和指示热效率．在ST为40°CA时，有最高指示热效率为35.03%，相比无火花辅助的34.02%，热效率提升1.01%，提升率2.97%．当点火时刻过于提前至50°CA，可能导致压缩负功增加，从而热功转换效率开始降低，指示热效率也随之降低．

(2) DME喷射时刻提前至100°CA BTDC，DME在缸内为离散型分布形态．由于缺乏DME浓区，缸内的热氛围无法实现DME的稳定自燃，当点火时刻提前至25°CA BTDC时，可以实现较为稳定的MFI燃烧．由于离散型DME分布改善了高废气稀释下汽油机的整缸活性，从而降低了不完全燃烧现象，其燃烧效率要高于SOI为60°CA工况．同时，随点火时刻的提前，放热速度增加，燃烧持续期变短，缸内温度升高，利于混合气的燃烧和氧化，从而燃烧效率进一步提高．离散型DME微引燃的换气效率高于集聚型DME微引燃换气效率，主要是此时热功转换效率较高，膨胀冲程缸压曲线下降较快，泵气损失降低，因此换气效率高出1%左右．但是，过早的点火时刻导致压缩冲程中缸压升高，从而压缩负功增加，热工转换效率降低，指示热效率下降．在ST为35°CA时存在最佳的点火时刻，指示热效率达到36.39%，相对于火花点火辅助集聚型DME微引燃提高3.88%，相对于无火花辅助集聚型DME微引燃热效率，可以提高6.93%．

图7 火花点火对DME微引燃效率的影响

综上可知：集聚型DME微引燃可以实现稳定着火燃烧，但由于高废气稀释导致后期放热速度较慢，影响热效率，通过辅助火花点火可以促进相对燃烧放热速度的提升，从而达到进一步优化燃烧热效率的目的．离散型DME微引燃无法实现稳定压燃着火，此时火花点火对于稳定燃烧至关重要，并且火花点火辅助离散型DME微引燃前期放热加速度要高于集聚型DME微引燃，因此其热效率更高．

2.3 火花点火辅助DME微引燃排放特性分析

图8为火花点火对DME微引燃混合燃烧HC排放的影响．首先随DME喷射时刻的提前，HC排放逐渐降低，主要原因是在内外部残余废气稀释作用下，燃烧室周围混合气活性和温度低，难以完全燃烧，喷射时刻提前可使DME在缸内混合越均匀，提高了燃烧室周围稀释混合气的活性，燃烧过程更加完全，HC排放降低．随点火时刻逐渐提前，两种喷射时刻下的HC排放也均降低．对于早喷SOI为100°CA时，点火时刻提前，燃烧始点提前，放热速度加快，缸内温度和压力上升明显，燃烧持续期变短，自燃比例增加，燃烧温度较高，从而使混合燃烧完全，燃烧效率也越高，HC排放也就越低．对于晚喷SOI为60°CA工况，从图4和图7中可以看出，火花点火可以提高废气稀释下的相对燃烧放热加速度，使得燃烧持续期缩短，自燃比例增加，改善了燃烧过程，从而HC排放降低．

图8 火花点火对HC排放的影响

图9为火花点火对DME微引燃混合燃烧CO排放的影响．对于离散型DME微引燃，火花点火对燃烧过程调控起主导作用，随点火时刻提前，CA50提前，燃烧持续期缩短，燃烧温度升高，CO被部分氧化，从图7中燃烧效率显著提升也证实了这点，所以随点火时刻提前CO排放降低．对于集聚型DME微引燃，点火时刻的提前，CO的排放略有增加．主要是燃烧后温度降低，CO氧化能力下降，从图10的NO可以看出，集聚型微火源NO排放比较少，也间接表明了缸内燃烧温度低，从而CO氧化能力下降．

图9 火花点火对CO排放的影响

图10为火花点火对DME微引燃NO排放的影响，从图中可以看出，NO排放整体处于较低的水平．对于离散型DME微引燃，随点火时刻的提前，燃烧相位提前，燃烧持续期显著缩短，因此最高燃烧温度逐渐升高，NO排放逐渐增加．对于晚喷SOI为60°CA来说，其燃烧持续期要明显长于早喷工况，并且采用较高的外部残余废气稀释，因此其最高燃烧温度较低，NO排放几乎维持在0.16g/(kW·h)．

综上所述，采用火花点火辅助离散型微火源的引燃方式，可以显著降低部分负荷下HC和CO排放，从而提高热效率，且NO排放也处于极低的水平．

图10 火花点火对NOx排放的影响

3 结 论

在DME总热值比受限条件下，微引燃汽油复合燃烧中仍存在废气极限，从而限制了经济性的进一步提升．因此，本文基于1台高压缩比单缸热力学发动机，研究了综合使用火花点火结合DME微引燃策略对混合燃烧的影响，得到结论如下：

(1) 集聚型微火源可以实现稳定着火燃烧，具有较好的燃烧稳定性，放热呈现3阶段特征．但是高废气稀释导致混合燃烧前期火焰传播速度下降，限制了经济性的进一步提升，采用火花点火使得微引燃第1阶段放热速度提高1.13倍，第2阶段火焰传播速度提高1.35倍，经济性相对于无点火集聚型DME微引燃提升2.97%．

(2) 在相同边界条件下，由于废气稀释的影响离散型微火源无法稳定着火，此时采用火花点火可以实现稳定着火和快速燃烧，燃烧呈现单峰放热特征．离散型DME分布提高了缸内燃料活性，使得其放热加速度相对于集聚型微引燃前期放热加速度提高 1.75倍．

(3) 集聚型DME微引燃策略辅助火花点火可以优化HC排放，但是CO排放增加3.07g/ (kW·h)；离散型DME微引燃策略辅助火花点火，HC和CO排放均降低，NO上升0.11g/(kW·h)．

(4) 在两种DME微引燃策略下采用火花点火相对于无火花辅助均可以提高经济性，火花点火辅助离散型DME微引燃策略在ST为35°CA BTDC时获得最高经济性，相对于无火花辅助集聚型DME微引燃热效率提高6.93%．

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Effect of Assisted Spark Ignition on DME Micro-Flame Ignited Gasoline Diluted Hybrid Combustion

Zhang Longlong，Chen Tao，Xie Hui，Niu Jian，Zhao Hua

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The dimethyl ether(DME)micro-flame ignited gasoline diluted hybrid combustion mode can realize the high efficiency and low temperature combustion of a gasoline engine．However，under the condition of limited total calorific value of DME，the exhaust gas dilution has a limit，which restrains the further improvement of economical efficiency．To enhance the economical efficiency of diluted combustion，spark ignition can be used to improve the relative combustion speed of the congregate DME micro-flame ignition and the absolute combustion speed of the discrete DME micro-flame ignition．Research results show that spark ignition can promote both kinds of micro-flame ignition. Under the discrete micro-flame ignition strategy，spark ignition can lead to a more obvious improvement of economical efficiency，which is 3.88% higher than that under the assisted congregate micro-flame ignition strategy．

gasoline engine；spark ignition；dimethyl ether(DME)micro-flame ignition；hybrid combustion；exhaust gas dilution

TK411

A

1006-8740(2019)03-0229-08

2018-09-05.

重点研发计划资助项目(2017YFB0103402).

张龙龙（1992—  ），男，硕士，zhanglonglong@tju.edu.cn.

陈 韬，男，博士，讲师，tao.chen@tju.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201809003