超稀薄燃烧对汽油发动机性能影响的试验研究

王志望 张 华 胡 轲 李连豹 韦 虹 李双清 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-浙江吉利动力总成有限公司）

引言

近年来为应对能源危机和气候变化，各国发布了更严苛的油耗排放法规，促使汽车厂商开发相关技术以提升汽车发动机热效率，降低排放。提升发动机热效率的主要技术包括提高压缩比、停缸/VVL技术、阿特金森/米勒循环、冷却EGR 和低摩擦技术等。汽油机Otto 循环的热效率可以通过公式[1]进行表征，从中可以得出发动机热效率与压缩比和比热比正相关。

稀释/稀薄燃烧通过降低散热损失和泵气损失及提高比热比，从而提高发动机热效率[2]。随着稀燃程度的提高，缸内最高燃烧温度降低，可有效降低爆燃倾向，在超高压缩比下提高点火角，同时提高比热比，进而提高热效率，伴随着失火及燃烧持续期加长。为解决此问题，需设计快速燃烧系统及应用高效点火系统，如高滚流进气道、长冲程设计以及适配高效点火系统的燃烧室/活塞头部形状等。电晕点火技术作为体着火的一种高效点火方式，点火能量约为0.4～1J[3-4]，根据前期试验验证[5]，可以获得较高的过量空气系数稳定燃烧，通过适配快速燃烧系统，可以获得低于20°曲轴转角的燃烧持续期。

本文在1 台热力学单缸发动机上，采用电晕点火系统、快速燃烧系统和超高压缩比等技术，通过单缸机热力学试验，验证了超稀薄燃烧汽油机的燃烧、油耗和排放特性。

1 试验设备和试验方案

1.1 试验设备

前期已在一款量产3 缸汽油发动机上完成了稀燃摸底测试[5]，本文采用原理相似的电晕点火系统，点火系统基本原理如图1 所示，包括控制器，电晕点火器。控制器通过常规蓄电池供电，接收ECU 点火信号，经由控制器输出给发动机点火器，点火器输出能量控制通过设置控制器的输出电压和持续时间进行，电晕点火在未优化燃烧系统特定点不同电压下的稀燃极限趋势，如图2 所示。

图1 高能点火系统原理图

图2 特定点电晕点火燃烧稳定性趋势

试验发动机为一款热力学单缸机，针对燃烧系统进行了适配性设计，包括高滚流进气道，长冲程设计和超高压缩比活塞，几何压缩比16。发动机整机参数如表1 所示。

通过Kistler 预埋式缸压传感器将缸压信号检测并传递到AVL 含电荷放大器的燃烧分析仪，通过燃烧分析软件AVL Indicom 实时监测缸压、放热率、燃烧相位等参数。通过ETAS-630 监控排气管处过量空气系数，通过电晕点火系统控制软件控制点火电压和持续时间，改变点火能量，详细的试验设备清单见表2。

表2 试验设备清单

1.2 试验方案

综合应用高滚流比进气道、电晕点火、长冲程设计和超高压缩比技术，试验内容为固定工况点，从1.8 到2.6 进行过量空气系数扫点测试，获得过量空气系数与发动机燃烧、比油耗和排放的变化趋势。在台架试验过程中通过电晕控制系统控制点火能量（控制参数包括电晕起始电压和点火持续时间）以及点火提前角，确保均质超稀薄混合气的燃烧稳定，单缸机试验边界条件控制如表3 所示。

表3 试验边界控制条件

2 试验结果

2.1 过量空气系数变化对燃烧的影响分析

图3 所示为热力学单缸发动机转速2 000 r/min，平均指示压力10 MPa 时，气缸压力、瞬时放热率和燃烧相位随过量空气系数而变化的曲线。过量空气系数限值提升可以达到2.3，此时燃烧循环波动率小于3%，在许可范围内。

a）不同过量空气系数时最大爆发压力

b）不同过量空气系数时点火角

图3 不同过量空气系数燃烧特性比较

由图3a 可以得出，在保持相同IMEP 情况下，增大过量空气系数，最大爆发压力持续升高。随着过量空气系数进一步提高，因燃烧不稳定，最大爆发压力有下降的趋势。

由图3b 和图c 可以看出，随着过量空气系数的增大，点火角提前以保证稳定燃烧，得益于点火系统的点火能力及超稀燃抑制爆燃能力，燃烧重心的相位（CA50）基本维持在5°曲轴转角附近，在过量空气系数为2.25 时燃烧效率最优。这是因为随着过量空气系数的增大，稀薄燃油在气缸内的气化冷却效应，降低了超高压缩比下较高负荷爆燃倾向，使高压缩比的效果显现出来，可以改善燃油消耗量，超稀燃的绝热指数增大，进而提高发动机理论循环的热效率。当过量空气系数增大到一定值后，出现失火现象。发动机燃烧循环变动情况如图4 所示，随着过量空气系数的进一步增大，稀薄燃烧工况下的燃烧循环变动率增高，发动机燃烧稳定性变差，至2.35 以上时，燃烧循环变动大于3%，此时发动机燃烧失火严重。

图4 COV 随过量空气系数的变化趋势

2.2 过量空气系数对油耗的影响分析

热力学单缸发动机转速2 000 r/min，指示平均压力10 MPa 工况，指示燃油消耗率随过量空气系数的变化趋势如图5 所示。

图5 指示燃油消耗率

随着过量空气系数的提高，高效的点火系统确保超稀薄混合气的稳定燃烧，通过调整点火角，燃烧相位在最优位置，指示燃油消耗率下降，之后因燃烧不稳定，指示燃油消耗量上升。在2 000 r/min，IMEP10 MPa，过量空气系数为2.25 时获得最低发动机指示燃油消耗率为170.5 g/（kW·h），此时指示热效率约为49.5%（净热值42.65 MJ/kg）。

2.3 过量空气系数变化对排放的影响分析

试验过程中将过量空气系数由1.8 以步长0.5逐步提高至2.6，排气温度和NOx原始排放呈下降趋势，点火角提前造成缸内温度升高，进而使NOx排放相对于前期测试值偏高。在当前边界下，当过量空气系数＞2.3 时，NOx排放低于50×10-6，这是由于此时缸内最高燃烧温度低，进而使NOx原始排放降低，处于比较低的水平。如图6、图7 所示。

图6 排气温度随过量空气系数的变化趋势

图7 NOx 随过量空气系数的变化趋势

3 结论

1）超高压缩比与超稀薄燃烧结合，耦合电晕点火，可充分发挥高压缩比和稀燃高绝热指数的优势，有效降低发动机燃油消耗率。

2）超稀薄燃烧因缸内最高温度较低的特点，发动机可以获得较低的NOx排放，在过量空气系数＞2.3时，NOx原始排放可以降低至50×10-6以内。

3）在热力学单缸机上，应用快速燃烧系统和电晕点火技术，可以实现过量空气系数2.3 稳定燃烧，在2 000 r/min 及IMEP 10 MPa，过量空气系数2.25 时，发动机实测最低指示燃油消耗率为170.5 g/（kW·h），指示热效率约为49.5%。在达到较低指示燃油消耗的同时，发动机的NOx原始排放水平处在较低的范围内。