湍流射流点火器的设计和结构优化

廖升友

摘要：为实现湍流射流点火的稀薄燃烧，本文设计并试制了一款集成了火花塞、喷油器和预燃室的湍流射流点火器，并基于该射流点火器开展了初步发动机试验。进一步地，根据试验结果和耐久性结果对该射流点火器进行了结构优化，优化后的结构明显提高了发动机的性能，并且大大改善了喷油器因高温而损坏的情况。

Abstract： To realize the lean burn of turbulent jet ignition combustion， a turbulent jet ignitor comprising a spark plug， an injector and a pre-chamber is designed and made in this work. Furtherly， according to the test results of engine experiments and durability results， optimization of the turbulent jet ignitor is conducted， and the engine performance is greatly improved and the damage of injector by high temperature is avoided.

关键词：湍流射流点火;稀薄燃烧;射流点火器;结构优化

Key words： turbulent jet ignition;lean burn;jet ignitor;structure optimization

0  引言

湍流射流点火燃烧方式是一种利用预燃室和射流孔实现火焰加速，从而加快火焰传播速度和燃烧速率的燃烧方式。近年来，湍流射流点火由于其稀薄燃烧的潜力而受到了国际上的广泛关注[1，2]。在稀薄燃烧时，通过一个额外的小流量喷油器向预燃室内喷入一定量的燃料，保证在主燃烧室稀薄的情况下预燃室内仍然是当量燃烧。Attard等人[3，4]通过测试发现这种燃烧方式可同时获得高热效率（42%）和极低的NOx排放（低于10ppm）。

但目前国内对于湍流射流点火的稀薄燃烧研究仍然处于起步阶段，因此本文自主设计并试制了一款湍流射流点火器，并根据发动机测试结果对其结构进行了进一步优化。

1  湍流射流点火器的设计

1.1 点火器整体结构设计

湍流射流点火器设计图如图1所示，左侧是点火器两个主体零部件，右侧是该射流点火器的安装图。该射流点火器的主体包含上下两部分，上半部分主要用于安装火花塞和喷油器，实现射流点火器的点火和预燃室内供油;下半部分主要是一个空腔结构，为该点火器的预燃室，底部包含有若干射流空。射流点火器的三维结构如图2所示，安装于发动机时通过螺纹固定在缸盖上。

1.2 小流量喷油器

在射流点火器的设计中，需要同时集成火花塞与喷油器;此外，考虑到预燃室容积较小，所匹配的喷油器应该具有非常小的流量以避免预燃室内供油量过大而导致燃烧不充分或失火。因此，在设计预燃室射流点火器时应该为其定制小流量喷油器。在本文中，采用基于现有商用喷油器改造的方法获取所需喷油器。具体方法是将一个包含n个喷孔的喷油器采用激光焊接的方法将其中（n-1）个孔进行封闭，保留一个方向大致朝向火花塞的喷孔，具体如图3所示。

进一步的，完成了小流量喷油器的加工改造后，需要通过试验对其流量特性进行标定，结果如图4所示。在喷油压力20MPa和环境背压1bar的条件下，该喷油器在其最小喷油脉宽0.2ms时可达到1.2mg左右的喷油量，可以满足预燃室微量供油的需求。

2  湍流射流点火器试验测试

在完射流点火器的设计和试制之后，初次试验基于一台单缸热力学发动机开展，该射流点火器在发动机上侧置安装。试验中节气门全开，进气温度和压力分别为常温常压，冷却水温度固定在75℃，发动机转速固定在1500r/min，对不同过量空气系数（λ）的工况进行点火时刻扫描，其部分测试结果如图5和图6所示。在稀薄燃烧时，为了保证燃烧的稳定性，需要在湍流射流点火器的预燃室内通过小流量喷油器喷入适当的燃油，以稳定预燃室内的初始火焰。从测试结果来看，平均指示压力随着λ的增大而逐渐减小，这是喷油量逐渐减少造成的。燃油消耗率随着λ的增加而先降低后升高，降低是由于稀薄燃烧减少了壁面传热同时增加了缸内气体的多变指数;而燃油消耗率升高则是由于过于稀薄的情况下主燃烧室内燃烧不充分所导致的。由于预燃室射流火焰的加速和预燃室内的稳定燃烧，发动机在稀薄燃烧下的燃烧稳定性得到了保证，在λ1.8以内时循环波动都远低于5%的限值;只有当λ超过2.0时，发动机的循环波动才高于5%。此外，湍流射流点火最大的特点是大大降低了NOx的生成，从测试结果来看当λ高于1.6时，NOx的缸内生成量就已经达到接近于0的水平。

3  预燃室结构优化

3.1 原结构存在的问题

虽然在发动机初步测试中，湍流射流点火器体现出了稀薄燃烧和降低NOx的巨大潜力，但仍然存在两个明显的问题。其一是预燃室的容积过大导致预燃室内的散热损失难以忽略，因此要想进一步降低湍流射流点火方式的油耗率需要对预燃室的结构进行进一步优化，最为重要的一点是对容积的优化。其二是在目前的结构中，点火器内的小流量喷油器耐久性较差，在发动机连续运行一段时间后会出现喷油器头部烧蚀的现象，如图7所示，严重时甚至出現喷油器上的燃烧室密封环被高温破坏的情况。因此，需要对射流点火器的冷却方式进行改进，尤其是避免运行中火花塞和喷油器出现高温损坏的情况。

3.2 预燃室结构改进

针对前面提出的两方面问题，这里开展了对预燃室结构和冷却方式的优化。优化前后的预燃室结构如图8所示，改进后的结构采用了圆弧矩形的结构，大大减少了预燃室的容积。此外，改进结构1采用了原始结构的7射流孔结构，改进结构2采用了单孔方式，并保证单孔结构与7孔结构具有相同的流通面积。

考慮到改进后的预燃室为圆弧矩形截面结构，预燃室的安装方式也需要进行相应的改变，尤其是需要对预燃室部件进行定位，在安装过程中防止其转动，并且保证预燃室的长边方向与火花塞和喷油器连线保持一致。因此，在安装上改进后的结构增加了两个定位销，并采用分体式安装，将预燃室和安装螺纹分离，具体如图9所示，如此可避免安装过程中预燃室部件的转动。

此外，为了提高射流点火器的散热效果，确保在运行过程中喷油器和火花塞不会因高温而损坏，在改进后的结构中增加了冷却水道，如图10所示。进水口和出水口通过螺纹安装在点火器上，安装时需要放置橡胶垫方式冷却水渗漏;在点火器内水道的水平处与外壳交界处通过焊接进行密封。

4  改进前后性能和排放对比

经过上述结构改进后，再此基于同一台发动机和相同的试验条件进行测试，测试结果如图11所示。在测试结果中，每个λ下通过扫描点火时刻获得最佳油耗点，并将改进后稀薄燃烧结果与改进前稀薄燃烧结果进行了对比。对比改进前结构和改进结构1，可看出减少预燃室容积对于降低指示燃油消耗率和NOx排放具有明显的效果，这是由于预燃室容积减少降低了预燃室的散热损失，同时也降低了产生NOx的区域大小。对比改进结构1和改进结构2可以看出，优化射流孔结构对于减少燃油消耗率仍然有明显的效果，同时还一定程度地降低了循环波动，这是由于单孔结构在射流强度上更加剧烈，燃烧速率更快，尤其是对于本试验中这种射流孔斜置安装的形式。

5  结论

本文成功设计并制作了一款湍流射流点火器，根据初步的发动机试验结果对该射流点火器进行了预燃室结构优化和冷却方式优化;经测试，优化后的湍流射流点火器在稀薄燃烧工况具有更好的经济型和更低的氮氧排放，同时小流量喷油器在工作中被高温损坏的问题也得到了很好地解决。

参考文献：

[1]Bunce M， Blaxill H， Kulatilaka W， Jiang N. The Effects of Turbulent Jet Characteristics on Engine Performance Using a Pre-Chamber Combustor. SAE International， 2014.

[2]Validi A， Schock H， Jaberi F. Turbulent jet ignition assisted combustion in a rapid compression machine. Combustion and Flame. 2017， 186：65-82.

[3]Attard WP， Parsons P. A Normally Aspirated Spark Initiated Combustion System Capable of High Load， High Efficiency and Near Zero NOx Emissions in a Modern Vehicle Powertrain. SAE International， 2010.

[4]Attard WP， Fraser N， Parsons P， Toulson E. A Turbulent Jet Ignition Pre-Chamber Combustion System for Large Fuel Economy Improvements in a Modern Vehicle Powertrain. SAE International; 2010.