预燃室火焰射流点火对汽油机性能影响的研究

陈 泓，李钰怀，罗亨波，杜家坤，江枭枭，王 磊

(广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广州 511434)

0 概述

目前，量产汽油机的有效热效率通常在38.0%～41.5%之间，受油耗法规的要求，未来45%甚至更高有效热效率的汽油机成为发展方向[1-2]。加快燃烧速度，提高等容度，同时抑制爆震是提高汽油机热功转化效率的有效手段，预燃室点火技术能提高点火的稳定性，增加缸内着火点，是未来超高热效率汽油发动机最有希望采用的技术之一[3]。1918年Ricardo Dolphin开发了世界上第一款预燃室发动机，此后，预燃室技术主要在柴油机和气体发动机上得到应用[4]。近年来，随着汽油机对热效率和动力性的双重追求，乘用车汽油机预燃室的研究逐渐增多[1]。

预燃室点火技术通过点燃预燃室空腔内的可燃混合气，使预燃室内高温高压混合气通过小孔喷向主燃烧室，从而实现主燃烧室的点火燃烧[5-7]。预燃室主要通过以下3个方面实现快速而稳定的燃烧：喷出的圆锥形高温高压混合气提高了点火面积；经过预燃室小孔喷出的火焰发生淬熄，产生的高活性燃烧中间产物提高燃烧速度；预燃室内的混合气在高速喷进主燃烧室时提高了主燃烧室的湍动能[8-10]。

国内方面，文献[11]中在一台柴油机上实现了液化石油气预燃室的开发。文献[12]中在可视的快速压缩机上进行了被动预燃室的研究，结果表明与传统火花点火相比，燃烧持续期可缩短60%～70%。文献[13]中基于计算流体力学程序耦合动力学机理研究了双燃料发动机预燃室系统，结果表明射流火焰与壁面接触会造成燃烧效率下降，缸内湍动能减小。国内对预燃室的研究主要集中在气体发动机、快压机、数值模拟等方面，而预燃室在汽油机上的研究鲜有报道。国外方面，文献[14]中在一台大程径比(1.5)、高压缩比(16)的汽油单缸机上进行了预燃室与燃烧系统匹配研究，在稀燃模式下实现了47.2%的有效热效率，同时NOx排放小于50×10-6。文献[15-17]中对预燃室的结构、燃烧、排放和油耗等进行了持续全面的研究，实现了41.4%的有效热效率，稀燃极限扩展至空燃比 2.1，燃油经济性优化了10%～20%，同时取得了超低的NOx排放。文献[18]中通过试验和模拟对预燃室结构与预燃室内部流场、活塞形状的关系进行了研究，结果表明斜向喷孔有利于提高点火的稳定性，降低预燃室点火对主燃烧室的湍动能需求。文献[19-20]中在定容弹上研究了预燃室内不同温度、压力、当量比下H2、CH4等燃料的燃烧机理，为预燃室的设计优化提供了理论基础。

为了探索和研究预燃室点火对汽油机燃烧和排放的影响规律，本研究中针对小型涡轮增压直喷汽油机设计了一款预燃室点火系统，搭载在发动机台架上进行了传统点火和预燃室点火的发动机性能研究， 探究被动预燃室点火的低速外特性和中转速负荷特性的燃烧特性、经济性、排放特性，为被动预燃室产业化应用提供理论基础。

1 试验对象和试验体系

1.1 试验对象

试验研究对象为一款1.5 L直列4缸废气涡轮增压缸内直喷汽油机，功率密度91 kW/L，转矩密度181 (N·m)/L，满足国六排放标准，小型强化程度较高，燃烧系统热负荷大。该款发动机主要结构及技术参数如表1所示。为了加快缸内油气快速燃烧，提高燃油经济性并有效抑制爆震，设计了一款预燃室系统，并将其安装在该发动机缸盖上，与燃烧系统匹配以实现点火提前角大幅度提前的射流点火。

加装预燃室后的发动机采用射流点火模式，燃烧系统示意图如图1所示。在进气行程中，燃料通过直喷进入气缸与空气混合形成均质混合气，在压缩过程中，预燃室内被充入可燃混合气，随后火花塞跳火点燃预燃室混合气，燃料燃烧使预燃室的压力升高，裹挟活性基团的火焰射流通过预燃室小孔喷入气缸，在主燃室形成多个均匀分布的着火点，极大提升了燃烧速度，改善了燃烧过程。

图1 汽油机预燃室燃烧系统示意图

图2 预燃室示意图

预燃室容积为1.3 mL，占主燃室余隙容积的3%，与主燃室通过4个小孔连通，4个小孔成对称周向分布，孔径为1.5 mm，孔面积与孔体积比为0.85 mm-1，不相邻两孔喷出的射流火焰夹角成140°。预燃室设计示意图如图2所示。

1.2 试验体系

试验用台架测控系统由FEV公司提供，采用AVL的曲轴信号解码器和KISTLER公司的打孔式缸压传感器，预燃室缸压传感器与火花塞集成，形成汽油机预燃室燃烧过程双缸压采集系统,其他的主要设备有油耗仪、试验环境维持系统、排放分析仪等。试验台架布置图如图3所示，图中TWC为三效催化器(three-way catalyst),EGR为废气再循环(exhaust gas recirculation)。测试用主要仪器设备规格与型号见表2。

图3 发动机台架测试系统布置

表2 台架测控系统主要仪器设备规格与型号

本试验的主要目标是研究汽油机集成预燃室燃烧室后改善发动机燃烧过程和排放性能的潜力，同时聚焦分析燃烧速度加快对改善有效燃油消耗率的效果。

在低速高负荷时，由于发动机转速低导致燃烧速度慢，爆震和早燃的趋势严重，因此选取发动机转速1 500 r/min、平均有效压力(brake mean effective pressure， BMEP) 2 MPa(100%负荷率)为预燃室系统燃烧过程研究工况点。此外进行2 000 r/min下0.5 MPa(25%负荷率)、0.8 MPa(40%负荷率)、1.2 MPa(60%负荷率)、1.6 MPa(80%负荷率)负荷特性对比试验，研究预燃室燃烧系统对发动机燃烧特性、经济性和排放特性的影响。

试验过程中控制发动机燃烧循环变动在3%以内，选取各个工况最优点火角即最大转矩的最小点火提前角(minimum spark advance for best torque,MBT)进行试验。缸内最大压升率不超过0.6 MPa/(°)，循环变动率(coefficient of variation, COV)控制在3%以内。增压水冷中冷器后的进气温度保持(35±2) ℃，冷却水温度保持(88±2) ℃，燃油为92号汽油，进气压力为100 kPa，排放测试按照GB 17691—2005《车用点燃式汽油发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》进行，有效热效率计算时所采用的燃料热值为42.5 MJ/kg。为了研究分析汽油机预燃室方案对发动机燃烧过程的影响，定义缸内累积放热量达到50%时所对应的曲轴转角(50% mass fraction burned， MFB50)为燃烧相位，缸内累积放热量从10%达到90%的曲轴转过的转角(MFB10-90)为燃烧持续期；同时定义每度曲轴转角对应的压力升高量为压升率。

2 试验结果与分析

2.1 低速外特性预燃室发动机燃烧过程

汽油机运转在1 500 r/min外特性工况、缸内平均有效压力为2 MPa时，分别进行了加装预燃室点火和原机传统点火过程的发动机缸内最高燃烧压力测试(其中发动机以预燃室点火时同时测试了预燃室压力与主燃室压力)、不同点火方式的放热率曲线，试验结果如图4所示。

图4 低速外特性缸内压力和放热率

现代小型涡轮增压直喷汽油机的强化程度高且低速转矩大，为了获得极致的低速转矩，燃烧相位通常推迟到着火上止点后30°曲轴转角左右，原机传统点火过程在该工况点的MFB50为上止点后33.2°，有效燃油消耗率为308 g/(kW·h)，缸内最大压力升高率达到0.29 MPa/(°)；而加装预燃室后，燃烧速度得到较大提升，其MFB50提前到上止点后26.1°，同时有效燃油消耗率下降到284 g/(kW·h)，压力升高率增加到0.38 MPa/(°)。预燃室点火放热率峰值为426 kJ/(m3·(°))，传统点火放热率峰值为297 kJ/(m3·(°))，预燃室点火的放热率峰值变大，放热相位明显提前。

从图4可分析加装预燃室后性能的改善和变化。原机传统点火中，受限于低速高负荷流动弱导致的火焰传播速度慢与热负荷重，爆震极限的燃烧相位非常靠后，点火提前角在上止点后10°附近，燃烧室内峰值压力出现在曲轴转角36°附近，整个燃烧过程发生在较为靠后的膨胀行程，严重影响了低速功率的发挥与燃油经济性。预燃室燃烧则可以采用接近上止点的点火提前角，跳火后预燃室的混合气着火，压力快速升高，预燃室压力进程出现第二个峰值(第一个压力峰值出现在压缩上止点)；而由于活塞的快速下行，主燃室压力略微下降；随着预燃室混合气燃烧带来的压力升高，大量的活性反应基团通过预燃室上的小孔喷出，形成射流火焰，在主燃室内沿周向均匀分布的4个点位形成着火点，使主燃室内的混合气从燃烧室边缘向中心迅速燃烧，缸内最高燃烧压力快速升高，峰值燃烧压力相比原机增加，此时预燃室与主燃室的压力基本达到平衡，出现了第三个压力峰值。由此可见，预燃室加速的燃烧过程改善了爆震极限，同时高等容度的燃烧改善了燃油经济性，为低速转矩的增加提供了潜力。

2.2 预燃室对汽油机部分负荷性能的影响

2.2.1 预燃室对经济性的影响

在2 000 r/min下，汽油机运行在0.5 MPa、0.8 MPa、1.2 MPa、1.6 MPa负荷时，分别进行了传统点火和预燃室点火的发动机缸内燃烧特性、经济性对比试验，结果如图5～图 7所示。

图5 传统点火与预燃室点火经济性对比

图6 传统点火与预燃室点火燃烧特性对比

图7 传统点火与预燃室点火循环变动特性对比

从图5可知，汽油机0.5 MPa、0.8 MPa低负荷运行时，预燃室点火的发动机有效燃油消耗率略有上升，当负荷大于0.8 MPa时，预燃室点火的发动机经济性改善明显，有效燃油消耗率最高下降约7 g/(kW·h)。传统点火发动机在2 000 r/min的负荷特性最优油耗点负荷为0.8 MPa，有效热效率为36.9%，而加装预燃室后最优油耗点负荷迁移到1.2 MPa，此时预燃室汽油机的有效热效率达到37.5%，这表明预燃室点火有利于发动机高负荷燃油经济性的改善。从图6和图7可以看出，预燃室点火在整个试验的负荷范围内有效改善了汽油机的燃烧循环变动，并缩短了燃烧持续期；低负荷时燃烧相位基本没有变化，高负荷时燃烧相位有较大幅度的提前。

预燃室燃烧不同于传统点火的火焰传播过程决定了其独特的燃烧特性和经济性变化规律。低负荷时整个燃烧室的热负荷很低，用传统点火就可以将燃烧相位控制在理想的上止点后8°附近，使热功转化过程最优。0.5 MPa、0.8 MPa负荷下，预燃室点火虽然缩短了燃烧持续期，但是燃烧重心已经达到上止点后8°的极限，无法改善燃烧相位，而预燃室点火的多点火焰传播模式改善了燃烧循环变动。此外中低负荷工况爆震趋势小，预燃室抑制爆震的能力未能体现。然而在燃烧相位没有改善的状态下，预燃室点火增大了整个燃烧室的面容比，传热损失增加，导致低负荷时预燃室点火的比油耗相比传统点火略有上升。高负荷时，预燃室点火的比油耗、燃烧相位、燃烧持续期和循环变动均获得了明显的改善。这主要是由于预燃室预先着火后，喷出的射流在主燃室边缘形成多个着火点，大大加速了火焰传播速度，燃烧迅速完成，燃烧等容度得到提升，虽然压升率的增加导致摩擦功有一定程度的上升，但此时燃烧相位的改善起主导作用，最终使预燃室点火的比油耗下降。此外，对于小型增压强化汽油机，在 2 000 r/min 负荷特性下，最低油耗的负荷受爆震限制较大，预燃室点火可以大大增强燃烧系统的抗爆性，因此最高热效率负荷向高负荷方向移动。

2.2.2 预燃室对NOx排放特性的影响

由前面的分析可知，预燃室点火燃烧速度大幅度提升，引起最高燃烧压力和温度增加，试验对比研究了预燃室点火相比传统点火在2 000 r/min负荷特性时的NOx排放变化规律，如图8所示。

图8 传统点火与预燃室点火的NOx排放对比

由图8可知，低负荷(0.5 MPa、0.8 MPa)运行时，相比于传统点火，预燃室点火的NOx排放略有上升，而高负荷时预燃室点火的NOx排放量大幅上升，最高上升幅度约15%。汽油发动机NOx生成的条件是高温、富氧和高温持续时间，改变任一条件将直接影响NOx的生成量。相比于传统点火，预燃室点火在低负荷时缩短了燃烧持续期，略微增加了缸内NOx的生成量；高负荷(1.2 MPa和1.6 MPa)时，由于预燃室点火大大提升了缸内压力升高率，燃烧等容度提高，使最高燃烧温度上升，因此NOx排放有较大幅度上升。

2.2.3 预燃室对HC排放特性的影响

采用与发动机NOx排放对比研究时相同的负荷运行特性，进行不同负荷HC的排放特性测试，结果如图9所示。

图9 传统点火与预燃室点火的HC排放对比

图9表明在试验的负荷范围内，预燃室点火的HC排放低于传统点火，最高下降幅度约36%。汽油机形成HC排放主要有3个要素：狭缝效应、燃烧不完全性和后期氧化过程。采用预燃室点火技术时，燃烧持续期缩短，火焰传播速度加快，燃烧温度更高，燃烧更加完全，促使HC排放下降。

2.2.4 预燃室对CO排放特性的影响

预燃室对CO排放特性的影响见图10 。CO生成量与缸内过量空气系数强相关，在试验工况范围内，无论是预燃室点火还是传统点火，混合气浓度均为化学计量空燃比，因此CO排放无明显的差异。预燃室点火的CO排放在中高负荷略微降低的原因可能是整个燃烧过程的加速改善了CO的氧化环境。

图10 传统点火与预燃室点火的CO排放对比

3 结论

(1) 在1 500 r/min低速外特性工况下，相比传统点火方式，采用预燃室点火技术后燃烧相位提前7.1°曲轴转角，有效燃油消耗率下降24 g/(kW·h)，缸内最大压力升高率增大0.09 MPa/(°)。

(2) 在2 000 r/min负荷特性工况下，相比传统点火方式，采用预燃室点火技术后燃烧持续期均缩短，燃烧循环变动获得改善；低负荷时燃烧相位不变且比油耗略微上升，高负荷时燃烧相位提前较多且比油耗最多下降7 g/(kW·h)。

(3) 对于NOx、HC、CO排放，由于预燃室点火燃烧等容度提升的原因，相较于传统点火，NOx排放最多升高约15%，HC排放最多下降约36%，CO排放量变化规律不明显。