汽油发动机低温燃烧技术研究进展

宫艳峰 钱丁超

（中国第一汽车集团有限公司 研发总院，长春 130013）

主题词：汽油机 低温燃烧 直喷喷雾 CFD仿真 火花助燃压燃

1 前言

汽油低温燃烧可以降低发动机的传热损失，提高燃烧的定容度，实现与柴油机类似甚至更高的热效率，同时会获得非常低的NOx和PM排放[1-2]。汽油低温燃烧是通过控制汽油与空气混合气的温度与压力实现多点同时着火，与传统汽油机的火焰传播过程相比，燃烧速度快，时间损失少。低温燃烧的难点是着火时刻的准确控制。目前，内燃机工作者一直在进行着低温燃烧的理论与实验研究。

由美国能源部汽车技术办公室提供支持，圣地亚国家实验室联合通用、康明斯、劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）、纽约州立大学石溪分校等多个伙伴进行了汽油低温燃烧技术的研究。涉及的内容包括汽油的喷雾分析、低温燃烧的数值模拟以及单缸机实验研究，还对创新型的点火技术进行了理论和试验研究。

这一系列汽油低温燃烧研究旨在通过热力学和光学发动机实验，实现对汽油低温燃烧机理充分的理解与建模，为工业界提供开发汽油低温燃烧发动机所需要的理论指导，在理论的指导下，重点解决汽油低温快速燃烧的瞬态控制问题，揭示燃料对自燃点火和燃烧过程的化学动力学反应过程影响的基本原理，以及实现火花辅助的低温燃烧和低温燃烧冷起动技术改善。

2 低温燃烧的喷雾研究

无论对点燃式或压燃式燃烧，燃油的喷雾特性都直接影响了发动机的燃烧过程和排放特性，并最终影响发动机的热效率。大规模量产的缸内直喷汽油机的喷油压力从最初的15 MPa，逐步发展到今天的35 MPa，而且有进一步提高的趋势。未来，50 MPa甚至100 MPa喷油压力的喷油器可能会在汽油机上得到应用。这为汽油低温燃烧的着火控制和排放物控制也会有很大好处。

为充分理解汽油直喷的特点，改善CFD计算模型，圣地亚国家实验室对汽油的喷雾进行了实验研究。实验采用的定容弹温度调节范围是300～1 300 K，最大承受压力35 MPa，通过EGR（废气再循环）可以实现O2浓度在0～21%的范围内的调节[3]。

采用高波束扫描消光成像诊断的方法，利用CMOS传感器拍摄油束中的C70富勒烯示踪粒子可以分析汽油的喷雾特性，确定燃油喷射的质量。利用燃油喷雾的对称性，通过层析图像倒置，能够反映出准稳态混合气沿中心面的质量分布。

目前，比较一致的观点是，化学当量比下汽油燃烧的碳烟形成主要是由于活塞或燃烧室表面的扩散燃烧、油膜蒸发时在附近形成的油窝以及缺氧条件下的燃油热解。圣地亚国家实验室利用漫反射消光成像后进行的碳烟排放积分处理显示，即使在高富氧区，汽油喷射热解条件下仍有碳烟生成。1 600 K时，喷油持续时间350 μs、汽油比例0.04时可以测试到碳烟排放。

在化学当量比下，汽油直喷过程会因为燃油撞壁导致的燃料热解形成碳烟。火焰经过油膜后的几毫秒，油膜会产生碳烟并从壁面脱离。可以选择两次喷射的方法来避免燃油的撞壁，因为第二次喷油相当于重置了燃油喷射的喷雾角度，通过降低贯穿喷雾距离来降低燃油撞壁，第二次喷油对混合也非常有好处。

图1所示是不同喷油持续时间的燃油角度变化历程以及两次喷油后的喷雾角度变化。从图1（a）中可以明显的看到，随着喷油持续时间的延长，虽然油束角度有一定向中心收缩的趋势，但是远端的油束仍然没有蒸发，这就很容易造成燃油的湿壁。图1（b）所示是喷雾油束角度随时间的变化情况，通过燃油的第二次喷射，油束的角度虽然有一定的向外调整，但是蒸发加快，贯穿距离变小，这就有效避免了燃油撞壁以及碳烟的形成。

图1 喷雾层析处理效果[3]

在多次喷油的情况下，喷雾中心区域的气流速度有明显降低，如图2所示。这会有利于阻止油束向中心区域塌陷，从而提高燃油与空气的混合质量。在单次喷油与两次喷油的试验对比中，也很容易得出这样的结论：两次喷油可有效降低燃油的喷射速度，不同油束间的速度分布更加均匀，这些都能提高燃油与空气的混合，从而为汽油的低温燃烧提供更好的混合气。这些细致的喷雾测试过程能够为研究低温燃烧的数值模拟和系统设计提供准确的参考。

图2 不同喷油条件下轴向燃油速度对比[3]

3 低温燃烧的CFD分析

三维数值模拟技术在发动机燃烧系统开发过程中发挥着重要的作用。三维模拟能够准确的预测燃烧室内燃油的喷雾、混合过程，以及混合气的燃烧与有害气体的生成过程。点燃式汽油机更多关注气缸内的滚流比和湍动能等气流运动特性，这将直接决定燃烧室内火核的形成和火焰传播特征。而低温燃烧则更多关注混合气的分布与温度的变化历程，因为温度的变化对混合气的化学动力学过程影响很大，并最终决定低温燃烧的特征。

在发动机不同的运行条件下，通过精确控制燃油的分层分布，实现化学动力学控制的稀释混合气压燃是实现低温燃烧的重要技术手段之一。在发动机的小负荷工况，当发动机的平均指示压力（IMEP）低于1 MPa时，采用汽油低温燃烧模式来提高发动机的热效率，当发动机的IMEP升高到2 MPa时，发动机仍然能实现低温燃烧，此时气缸内燃烧的最大爆发压力可以达到15 MPa。

圣地亚国家实验室希望通过缸内过程的CFD模拟分析来支持进一步的发动机台架实验，利用CHEMKIN计算软件分析低温燃烧的化学过程中空燃比和辛烷值敏感性，最终开发出新的燃烧过程控制技术。目前，圣地亚国家实验室与LLNL完成了不确定性量化分析（UQ），即对不确定性边界条件进行建模分析；与纽约州立大学石溪分校启动CFD联合建模；与LLNL合作改进动力学模型和汽油替代品计算参数[4]。

该研究是通过数值模拟计算与发动机实验结果的对比，实现对计算模型的优化完善。汽油低温燃烧单缸机是利用康明斯B系列中型柴油机改制的，发动机气缸直径是102 mm，冲程是120 mm，排量是0.98 L，压缩比是14:1，供油系统采用汽油缸内直喷的形式，可实现火花助燃，单缸发动机的各项运转参数可实现独立控制。

利用CONVERGE三维模拟软件进行大涡计算，实现对低温燃烧过程的精确模拟。模拟的缸内压力与最大爆发压力结果如图3所示，5个循环过程中仅有一个超出了实验测得的区域。

图3 大涡模拟缸内压力与实验测试结果的对比[4]

对低温汽油燃烧而言，理解热分层的机理非常重要，因为强化热分层可以扩展发动机的负荷范围。热分层主要是由大涡湍流导致的，在压缩冲程的早期，大涡湍流就与传热作用共同引起了热分层。温度在燃烧室内的分层分布，有利于自燃燃烧速度的控制。热分层研究的重点是利用CFD分析强化热分层的方法，大涡流动对传热损失的影响以及如何利用喷油策略改善燃油分层分布。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室开发了能够准确预测低温燃烧过程的热力学计算模型，并利用E10（含10%体积比的乙醇汽油）对模型的计算准确性进行了评估。这个新的模型和燃料参数能够准确的计算50%放热率的位置和发动机的瞬时放热率[4]。

利用CHEMKIN的详细反应机理，研究人员也研究了当量比敏感性、中间阶段反应放热率以及这些过程对辛烷值的敏感性，研究了EGR与缸内压力等参数对当量比敏感度的影响。如图4所示，缸内压力或氧含量越高，当量比敏感度越高。揭示出同时提高E10乙醇汽油当量比敏感性和辛烷值敏感性的潜力，同时指出，2-丁醇是具有高潜力替代性的燃料。图5所示为配置的高辛烷值高当量比敏感度混合燃料的敏感度特性，混合燃料含17.5%的己烷、22.5%的2-甲基已烷、30%的对二甲苯和30%的2-丁醇。该燃料的辛烷值可以达到98.7。

图4 缸内压力与氧含量对当量比敏感度的影响[5]

图5 燃料当量比敏感度特性[4]

低温燃烧的控制是最具挑战的。该项目同时利用点火能量和添加剂来实现低温燃烧工况的瞬态转换。目前使用的添加剂是硝酸2-乙基己酯（EHN），也可以使用二叔丁基过氧化物（DTBP），而且NOx不会增加。预计在轻型车上每7 000英里添加几个加仑，因为在大负荷的情况下需求量更少，所以中型和重型上的使用会更少。项目也开发了适用于添加剂的喷油系统，但是仍需对其进行深入的开发。

使用常规E10与进气压力在0.1 MPa的情况下，需要加热到150℃才能实现压燃。使用添加剂后则不需要进气加热或热的残余废气加热。通过调整EHN的比例可以非常容易实现50%放热位置的调整。较低的进气温度还可以增加进气量，获得更高的平均指示压力（IMEP）。因为混合气更稀，所以燃烧过程的比热比增加，传热降低，发动机的热效率提高1.6%，如图6所示。使用EHN后，NOx排放略有提高，如果使用DTBP，发动机的NOx排放会大幅降低。不同的添加剂混合燃油喷射（AMFI）系统同样可以实现对增压发动机CA50的良好控制。

图6 添加剂对热效率的影响[4]

4 低温燃烧火花助燃技术

均质压燃（HCCI）是实现低温燃烧最常用的方式，气缸内的温度和混合气的浓度是控制低温燃烧的两个重要参数。与火花点火可以准确控制点火时刻不同，低温燃烧的燃烧过程难度非常大，燃烧相位和燃烧稳定性都是控制的难点问题。所以，到目前为止，还没有开发出能够实现全工况范围内稳定燃烧的低温燃烧系统。鉴于此，工程师们提出了火花助燃的概念，在一定的条件下，通过火花塞的点火，实现对低温燃烧的辅助，这样对扩大低温燃烧的工作范围将会有非常大的帮助。

目前，火花塞助燃压燃（Spark Assisted Compression Ignition，SACI）这一概念被认为是传统点燃式预混燃烧与汽油压燃之间重要的过渡阶段技术，这也是今后一段时间燃烧领域关注的重点。圣地亚国家实验室对不同的点火助燃系统也进行了基础性的计算分析和实验研究。包括瞬时离子放电特性的定量分析、臭氧加速燃烧、湍流喷射点火技术[6]。

圣地亚国家实验室将一台康明斯B系列六缸柴油机进行改装，加装点火系统，只使用其中一缸进行单缸机试验，发动机气缸直径是102 mm，冲程是120 mm，单缸排量是0.98 L，压缩比是16:1，火花塞点火能量为93 mJ[7]。在使用火花塞助燃时，理想的火花塞安装位置应该为气缸中心，这样可以尽可能增大有效火焰面，减少壁面淬熄带来的传热损失。但由于试验单缸机保留了缸盖中心的GDI喷嘴，安装火花塞时又需避开冷却水套和油道，最终将火花塞安装在一侧进气门和排气门之间、距离气缸中心42 mm处。试验时发动机压缩比为16，进气压力为0.1 MPa，燃空当量比为0.42。低温燃烧时进气温度降低会使得燃料自燃倾向降低，采用火花塞辅助点火后就可以通过增大点火提前角来增加火焰传播时间，从而通过火焰前锋来补偿一部分热量，促进剩余大部分燃料压燃。进气温度降低越多，火焰传播速度越低，点火时刻的提前幅度也越大。如图7（a）所示，进气温度越低点火时刻越早，保留到压燃阶段的工质数量也越少，因此缸内压力峰值与放热率峰值越小，但进气温度100°C时例外，这可能是由于该点火时刻下CA50时刻略有提前。

图7 压燃和火花辅助点火的缸压与放热率对比[7]

在离子放电特性分析中，通过实验手段测试出了放电电压与能量变化之间的定量关系，并建立了阴阳极间放电形态与氧浓度的计算模型，如图8所示，计算获得的放电带状结构和氧浓度分布的实验结果高度吻合，从而为瞬时离子发动机系统的结构优化提供了方便。

图8 离子放电模拟结果[6]

在一台单缸机上研究了在进气中引入臭氧对SACI模式下发动机性能和排放特性的影响，研究表明添加臭氧可以在不大量加热进气或分层燃烧的前提下提高燃烧稳定性，从而拓宽SACI模式的使用范围[8]。此外，对臭氧加速燃烧的机理进行研究，主要是确定不同的臭氧浓度下燃烧速度的变化，建立能够更加准确预测燃油与空气混合气体的化学动力学过程。

湍流喷射点火的概念是通过在预燃室内点燃可燃混合气，高温高压的气体通过连接预燃室与主燃烧室的小孔喷入主燃烧室，进而实现多点同时燃烧。

5 结束语

汽油低温燃烧技术是未来内燃机实现高效清洁燃烧的有效技术途径之一。本文介绍了汽油低温燃烧领域的最新研究成果，研究内容包括喷雾特性、CFD仿真分析、单缸机实验与火花助燃技术等，这些研究成果为汽油低温燃烧发动机的产品开发提供了理论指导。随着相关研究的深入，汽油低温燃烧相位控制、燃烧稳定性等问题将有希望逐步得到解决，从而在较大工况范围内实现高效清洁燃烧，促进低温燃烧技术在内燃机产品上推广应用。本文的重点结论如下：

（1）燃油多次喷射能够有效避免燃油撞壁现象的发生，降低碳烟的形成，多次喷射也更容易实现更加均匀的速度分布，对低温燃烧混合气的形成更加有利；

（2）数值模拟是低温燃烧系统设计重要的辅助工具，目前开发的低温燃烧模型已经能够准确的预测低温燃烧过程和缸内压力的变化。利用数值模拟技术也能够模拟出各种添加剂对低温燃烧的改善效果；

（3）火花助燃是有效控制低温燃烧过程的技术手段之一，带有火花塞的低温燃烧系统是未来发展的重要趋势。