高效汽油机均质稀薄燃烧试验研究

王志望 旷云龙 张 华 杨 林 李连豹 李双清 韦 虹 李 军 王瑞平，2

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江宁波吉利罗佑发动机有限公司）

引言

为应对日益严苛的能源危机和气候变化问题，汽车厂商需不断提升整车燃油经济性，根据国家2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》，乘用车新车平均油耗将分别达到2020年5.0 L/100 km，2025年 4.0 L/100 km，2030年 3.2 L/100 km，乘用车汽油机2020年热效率将达到40%，2025年热效率将达到44%，2030年热效率将达到48%[1]。稀释燃烧诸如冷却EGR和均质稀薄燃烧技术，是提高发动机热效率的途径之一，主要归结于泵气损失的降低、散热损失的降低和比热比的提升[2-3]。理论上，采用更高的稀释度可以获得更高的热效率，然而在实际中均质稀释燃烧通常被恶化的点火和迟缓的燃烧持续期所限制。因此，为加快燃烧过程，稀释燃烧系统需结合加速的缸内流动，诸如高滚流进气道、提升的活塞运动速度以及适配燃烧室形状等。为提高稀释混合气的燃烧，需缩短点火延迟和保证稳定的点火[4]，电晕点火技术基于瞬时等离子体或射频等离子体放电，可在燃烧室内同时产生多个放电通道，可以实现混合气的多点着火，能量集中且可直接应用于可燃混合气。因而点火效率高，点火可靠，缩短火焰传播距离，从而有效缩短燃烧滞燃期，实现快速燃烧，在适配情况下能够有效点燃均质超稀薄混合气（λ：1.8～2.0），从而实现均质超稀薄燃烧[5-6]。电晕点火系统点火体积和形状可以通过设计电极形状控制，有利于与燃烧室形状进行匹配，电晕放电点火过程是低温点火过程（～1 000℃），有利于降低电极热负荷，延长电极寿命，同时也减少了热传导损耗，提高点火效率。

本文在1台直列三缸涡轮增压直喷汽油机上，变更活塞、缸盖、凸轮轴、高效点火系统、增压器和附件，对比分析了不同过量空气系数对汽油发动机燃烧特性、油耗和排放的影响。

1 试验设备和试验计划

1.1 试验设备

通过在基础发动机上，应用高效点火系统，研究高效点火稀薄燃烧特性，以及油耗和排放情况。相比于基础发动机，变更件有：活塞、缸盖、凸轮轴、高效点火系统（如图1所示）、增压器和附件，其他零部件不变。

图1 高能点火系统原理图

如图1所示，高效点火系统由高频控制器和点火器组成，高频控制器需要单独的电源供电或者通过发动机电源供电。高频控制器有多个点火触发信号输出，内部通过CAN与ECU通讯。在试验过程中，高效点火系统通过独立的控制模块进行控制。高效点火系统的点火特性通过调节次级电压和点火持续时间控制。

在基础机型基础上，通过重新设计活塞头部形状，将压缩比提高到13。改制之后的发动机参数见下表1。

表1 发动机参数

通过缸内压力传感器和lambda仪监控缸内压力和过量空气系数，通过高效点火系统HFI控制软件独立控制高效点火系统，详细的试验设备清单见表2。

1.2 试验计划

综合应用高能点火系统、高滚流比气道、小包角进气凸轮轴和高压缩比技术，试验内容为固定工况点，从0.9到1.9变化过量空气系数，获得油耗和排放随过量空气系数变化的趋势。在试验过程中通过调节高效点火系统的次级电压和点火持续时间，且不出现漏电的情况下，保证稀薄油气混合气的点燃。试验边界条件如表3所示。

表2 试验设备

表3 试验边界控制条件

2 试验结果

2.1 Lambda变化对油耗的影响分析

发动机运行在转速为2500r/min，BMEP为0.9MPa固定工况，对过量空气系数进行扫点，由于应用了高效点火系统，过量空气系数限值提升至1.7。随着过量空气系数的提高，稀薄混合气的燃烧变得困难，燃烧开始恶化，在lambda提高至1.7以上后，COV大于5%，发动机有效燃油消耗率及COV随过量空气系数的变化趋势如图2、3所示。

从图2可以看到，过量空气系数Lambda为1.55时，发动机有效燃油消耗率最低，为207.25g/（kW·h），对比过量空气系数为1.0时降低约12%，这主要是因为随着过量空气系数的提高，缸内燃烧温度降低，高压缩比带来的缸内爆震被抑制，从而允许点火角提前，同时，降低冷却热损失和泵气损失功。

图2 油耗随lambda的变化趋势

图3 COV随lambda的变化趋势

从图3可以看出，此时发动机COV较低，运行平稳；当lambda高于1.7时，此时缸内均匀混合气的形成和燃烧变得更加困难，且点火器的点火体积和形状与燃烧室形状匹配存在优化空间，漏电现象限制了高能点火器点火能量的进一步提升，燃烧速度明显降低，燃烧持续期加长，COV急剧变差。

图4表示在2 500 r/min，BMEP 0.9 MPa时，排气温度、滞燃期、CA50和燃烧持续期随过量空气系数变化的趋势。

由于较高的过量空气系数和燃烧温度的降低，燃烧相位CA50可以设定为更为理想的时刻，排气温度的降低会减少排气损失。在点燃式发动机中，滞燃期的定义是燃烧质量分数（MFB）为0%～10%所对应比变化的趋势，反映了火焰初始发展速度，在本次试验中采用了高效点火系统，稀薄的混合气仍能点燃，即使过量空气系数的提高，滞燃期会呈下降趋势，在过量空气系数大于1.65后，因为缸内燃烧不稳定（COV大于5%），滞燃期会增加。

图4 在2 500 r/min，BMEP 0.9 MPa时过量空气系数的影响

如图5所示，随着过量空气系数lambda的增加，点火提前角相对应地增加，从理论空燃比增加到过量空气系数1.55，点火角需要提前13.5°CA，当点火提前角前推，由于点火时刻缸内的温度和压力下降会造成的混合气点火恶化，增加失火的概率，出现燃烧不稳定，点火角跳动，需要牺牲燃烧相位和增加点火能量以保证点火稳定性，在过量空气系数大于1.7时，继续将点火角提前，失火严重，COV变差，此时，继续提前点火角对燃烧作用不明显。

图5 点火角随lambda的变化趋势

根据前面的数据分析得出在2 500 r/min，BMEP 0.9 MPa，过量空气系数Lambda1.55时油耗最低，故在负荷BMEP0.9 MPa，过量空气系数lambda1.55时进行转速的扫点，趋势如图6所示。在转速为2 416 r/min时发动机有效燃油消耗率最低，为203.85 g/（kW·h），热效率约为41%，指示燃油消耗率193.41 g/（kW·h），指示热效率为43.3%，不过此时由于发动机本身限制，此时的负荷为0.86 MPa，过量空气系数为1.51。

图6 在BMEP 0.9 MPa，Lambda1.55时转速的影响

2.2 过量空气系数变化对排放的影响分析

图7 NOx随lambda的变化趋势

如图7所示，随着过量空气系数的提高，NOx排放呈前期升高，在过量空气系数为1.2时，NOx排放达到极值，之后呈现下降趋势。在热效率最高点，由于稀薄混合气较低的燃烧温度使NOx大幅度降低，实测NOx为306.46×10-6，相对于理论空燃比时降低了约70%。不过距离国6b中NOx限值仍有一定差距，需进一步研究更高过量空气系数下的低NOx排放特性，以期获得不采用昂贵后处理设备的原始排放；由于不完全燃烧，碳氢排放会随着过量空气系数的提高而增加，如图8所示。

图8 碳氢随lambda的变化趋势

3 结论

1）与原机相比，发动机热效率提高，压缩比13，在 2 500 r/min，BMEP 0.9 MPa，过量空气系数1.55时，获得最低有效燃油消耗率BSFC为207.43 g/（kW·h），基于最低油耗点进行转速扫点，在转速为2 416 r/min时发动机有效燃油消耗率最低，为203.85 g/（kW·h），有效热效率约为41%，指示燃油消耗率193.41 g/（kW·h），指示热效率为 43.3%。

2）在燃油消耗量最低点，NOx排放较低，实测NOx为306.46×10-6，而由于不完全燃烧会使HC呈一定上升趋势。

3）应用高效点火系统之后，可以提高燃烧过量空气系数容许限值，可以实现过量空气系数1.6稳定燃烧；由于沿用了基础发动机基本零部件，缸径大，燃烧室高度小，限制了高效点火系统的潜力，且产品增压器容量不适配稀薄燃烧技术，为验证均质稀薄燃烧技术实现更高热效率的可行性，后续会在小缸径的热力学单缸机进行试验验证。