不同压缩比对湍流射流点火发动机性能和爆震影响的试验研究
2022-05-30刘宗宽任海将卫海桥
周 磊,刘宗宽,李 潇,高 强,任海将,卫海桥
不同压缩比对湍流射流点火发动机性能和爆震影响的试验研究
周 磊1,刘宗宽1,李 潇1,高 强1,任海将2,卫海桥1
(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津 300072;2. 广西玉柴机器股份有限公司,玉林 537005)
本文基于一台四冲程单缸发动机开展了不同压缩比对湍流射流点火(TJI)汽油发动机性能和爆震特性的影响研究,试验所采用的压缩比为9、11、13和15,在每个压缩比工况下对不同过量空气系数进行研究.结果表明,高压缩比可以拓展湍流射流点火汽油发动机的稀燃极限,压缩比15工况下,可以实现=3稳定燃烧.增大压缩比并配合预燃室喷油可缩短发动机燃烧的滞燃期和燃烧持续期,进而提高射流点火发动机燃烧效率.1.4<<1.9时,随着过量空气系数增加,主燃烧室内混合气变稀,滞燃期和燃烧持续期在低压缩比工况(CR=9、11、13)呈上升趋势,此时主燃烧室混合气浓度对燃烧过程的影响占主导作用;但是随着压缩比逐渐升高至15,滞燃期和燃烧持续期的上升趋势不再明显;而当>1.9时,主燃烧室混合气过于稀薄,此时预燃室射流火焰对主燃室燃烧的影响增强.试验还发现,射流点火发动机和普通火花塞点火发动机在压力振荡方面存在较大差异,射流点火发动机的压力振荡从燃烧初期阶段开始一直持续到燃烧结束,这主要是由于高温射流对主燃室多点点火造成的压力振荡.在高压缩比和较浓混合气工况下,射流点火发动机可能还会发生早燃,因此有必要使射流点火发动机在稀燃条件下进行,以实现稳定高效燃烧.
湍流射流点火;压缩比;爆震;汽油机
发动机采用稀薄燃烧技术可以在大空燃比下实现低温燃烧,降低传热和排气损失,同时减少NO排放[1-2].然而,稀薄燃烧技术也使发动机面临燃烧不稳定和燃烧不完全等问题,故实现缸内稀薄燃油空气混合气的可靠点火和稳定燃烧是关键.湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)是一种能够实现稳定稀薄燃烧的技术[3].
湍流射流点火系统主要由火花塞、喷油器和预燃室组成.喷油器主动向预燃室喷油可形成当量比混合气,其燃烧产生的高温产物通过射流孔射入主燃室,形成热射流.相比于传统火花塞点火(spark ignition,SI)的单点点火模式,TJI可在主燃室内实现多点点火,故缸内燃烧更加稳定[4-5].
目前,对于预燃室的研究主要分为燃烧机理研究和TJI发动机应用研究.基础研究方面,Gentz等[6-7]运用快速压缩机探究了不同射流孔径(1.5mm、2.0mm和3.0mm)对射流燃烧特性的影响,发现发动机装有预燃室时燃烧持续期明显缩短,其中1.5mm直径喷孔的燃烧持续期最短.Biswas等[8-10]使用定容弹对射流火焰燃烧特性进行可视化研究,发现喷射孔径不同时,主燃室存在两种不同的着火机制,分别为火焰引燃与活性物质引燃.Tanoue等[11]和Yama-shita等[12]研究了预燃室中不同点火位置对射流点火燃烧特性的影响,结果发现当点火位置远离喷嘴出口时,未燃烧气体会先喷入主燃室,随后高温的燃烧产物才会进入主燃室引燃混合气.
发动机应用研究方面,Attard等[13-14]对TJI的稀薄燃烧性能、排放特性进行了研究,结果表明发动机的稀燃极限可以拓展至过量空气系数=2.5~2.6,并且在稀燃工况下氮氧化物排放极低[15-16],同时分析了不同负荷下射流点火发动机性能,在=1.6附近实现了42%的指示热效率[17].此外Attard等[18-19]还发现TJI发动机在稀燃工况下对于点火能量的要求不高,这是因为预燃室内有额外喷油,可以始终保持良好的点火条件,同时射流着火对火花塞位置、方向和类型不敏感.Bureshaid等[20-21]研究了预燃室喷油量、发动机转速对射流点火发动机的影响,发现增大预燃室喷油量一定程度上可以产生更强的火焰射流,提高发动机转速有利于拓展稀燃极限.
综上所述,关于压缩比大小对TJI发动机的性能、燃烧、爆震的影响研究相对缺乏,尤其是SI和TJI发动机的压力振荡对比研究.因此,本文基于一台四冲程单缸TJI发动机展开不同压缩比对发动机性能和爆震特性的研究,并对SI和TJI发动机的压力振荡进行对比,目的在于为TJI发动机的设计和应用提供参考.
1 试验设备和试验方法
1.1 试验设备
图1为本次试验装置示意图,试验采用一台水冷式四冲程单缸Ricardo E6发动机,其详细参数见表1.其他试验装置的详细介绍可参考文献[22-23].发动机缸盖上斜置安装主燃室喷油器、缸压传感器和预燃室.预燃室内安装有火花塞和电磁喷油器,其结构见图2,预燃室和主燃室通过4mm孔径射流孔连接,预燃室内腔体容积为3.6mL.主燃室喷油器为压电晶体喷油器,预燃室喷油器为小流量电磁阀喷油器,可保证在稀燃条件下预燃室内混合气接近当量比,增加火花塞点火的可靠性.
图1 单缸发动机试验平台示意
表1 试验发动机结构参数
Tab.1 Specifications of experimental apparatus
图2 主动喷油式预燃室结构
1.2 试验方法
试验选取4个压缩比9、11、13、15工况,分析TJI发动机的压力振荡特性和不同压缩比下TJI发动机性能、燃烧特性以及压力振荡现象的变化趋势.为控制单一变量,4个压缩比工况在固定过量空气系数下的预燃室喷油量保持一致,具体试验参数见表2.
表2 TJI发动机不同压缩比试验参数
Tab.2 Test parameters of TJI engine at different com-pression ratios
2 试验结果与讨论
2.1 压缩比对TJI发动机性能的影响
图3为不同压缩比下TJI发动机动力性、燃油经济性及循环波动性能指标对比.压缩比提升使发动机自燃倾向增强,故高压缩比工况下需在更高的过量空气系数下运行,不同压缩比下的过量空气系数范围在表2中给出.指示平均有效压力(IMEP)如图3(a)所示,随着压缩比的提高,发动机可输出的最高IMEP值降低,动力性略有下降.压缩比提升至15时,发动机最大IMEP降低至0.7MPa.燃油经济性如图3(b)所示,随着压缩比提升,指示燃油消耗率ISFC明显下降,并且在>2.2之后下降趋势更为明显.然而,压缩比提升至15时,与压缩比13相比,燃油消耗率无明显降低,表明压缩比对指示燃油消耗率的影响已接近饱和,故推测进一步提高压缩比燃油经济性不会明显改善.
图3 不同压缩比对TJI发动机性能的影响
指示平均有效压力的循环波动系数COVIMEP如图3(c)所示,压缩比提升,COVIMEP呈现下降趋势,且>1.8之后,下降幅度更加明显,意味着高压缩比可提高稀薄混合气的燃烧稳定性,且混合气越稀效果越强.在COVIMEP<5%的限定条件下,压缩比15条件下发动机稀燃极限可拓展至=3.0,发动机稀燃极限大幅拓宽.
图4展示了不同压缩比下TJI发动机的污染物排放与排气温度变化情况.由图4(a)和(b)可知,压缩比升高,未燃污染物一氧化碳(CO)与碳氢化合物(HC)的比排放ISCO、ISHC变化趋势相似.<2.2时,由于压缩比升高导致燃烧室容积减小,压缩上止点附近活塞表面与燃烧室顶距离过近产生缝隙,造成火焰传播受阻,增大火焰淬熄的可能,最终使未燃污染物排放稍有增加;>2.2时,低压缩比下燃烧稳定性不佳,未燃污染物排放大幅增加,而高压缩比下循环波动低,燃烧稳定性良好,其对未燃污染物的降低作用大于缝隙的淬熄作用,故未燃污染物排放又随压缩比升高而减小.
氮氧化物排放如图4(c)所示,不同压缩比之间未见明显差异,仅在=1、CR=11工况下略有提升.这是由于在高压缩比条件下需要燃烧更稀薄的混合气以避免爆震,因此不同压缩比之间主燃室燃烧温度差别不大,氮氧化物排放未见明显差别.排气温度如图4(d)所示,压缩比提升使发动机排气温度明显降低,说明排气热量损失减少,燃烧产生的能量中用于做功的部分增加.
图4 不同压缩比对TJI发动机污染物排放与排气温度的影响
2.2 压缩比对TJI发动机燃烧特性的影响
图5展示了不同压缩比对TJI发动机滞燃期的影响,其中滞燃期定义为火花塞点火到放热10%所经历的曲轴转角.整体来看,随着压缩比提升,TJI发动机滞燃期呈明显下降趋势,发动机着火时间缩短.这是由于压缩比提升后压缩上止点缸内温度与压力升高,有利于混合气着火燃烧.
=1.3时,预燃室喷油器开启,使预燃室内混合气处于当量比附近,燃烧强度增加,故预燃室射流增强,因此射流火焰对主燃室混合气的点火效果更佳,导致滞燃期出现低峰;>1.3时,缸内混合气变得稀薄使滞燃期略有升高,但仍相对稳定;而当>1.9时,预燃室内喷油量逐渐增加,以保持预燃室射流火焰强度.可以发现,压缩比大于11的工况,当>1.9时滞燃期随过量空气系数增加持续缩短,说明此时预燃室射流火焰在缸内着火燃烧过程中占主导作用.同时在相同过量空气系数下,随着压缩比提升,滞燃期也持续缩短.
由图6可知,随压缩比提升TJI发动机燃烧持续期呈显著下降趋势.压缩比提升使发动机压缩上止点的压力和温度升高,缸内工质更易被预燃室射流引燃,燃烧放热更加集中迅速,故主燃室燃烧速率增加,导致燃烧持续期缩短,进而使发动机燃烧的定容度增加,提高发动机热效率.
图5 不同压缩比对TJI发动机滞燃期的影响
图6 不同压缩比对TJI发动机燃烧持续期的影响
在1.4~1.9范围内变化时,主燃烧室混合气浓度对燃烧过程的影响占主导作用,故在较低圧缩比(CR=9,11,13)工况下,混合气变稀使燃烧持续期呈上升趋势,与滞燃期变化趋势相似.然而,随着压缩比逐渐提升至15,上升趋势不再明显,意味着高压缩比工况下预燃室燃烧产生的湍流火焰对主燃烧室内燃烧的促进作用更加明显.当过量空气系数>2.0时,主燃烧室混合气浓度对燃烧过程的影响减弱,此时射流火焰对燃烧的影响相对增强,故燃烧持续期逐渐下降,但随着压缩比升高,该下降趋势逐渐减弱.这说明仅依靠提高压缩比缩短燃烧持续期效果有限,需要多策略协同配合.
结合本节分析,可对指示燃油消耗率变化趋势做出解释,图3(b)中指示燃油消耗率在<2.2时,随着压缩比的提升而逐渐下降,同时未燃物比排放有增加趋势,其原因主要是压缩比提升使燃烧持续期缩短,燃烧定容度提升,压缩比提升对于热效率的正面影响大于未燃气体排放增加所带来的负面影响,故总体上压缩比提高使燃油消耗率降低,热效率增加.
2.3 压缩比对TJI发动机压力振荡特性影响分析
2.3.1 CR=9时TJI发动机压力振荡分析
TJI发动机利用预燃室射流点燃主燃室混合气.点火方式的不同导致TJI模式下的压力振荡特性不同于SI模式,且在不同的点火提前角下表现出不同的压力振荡现象.=1工况下的压力振荡特征最为明显,故本节基于该工况来分析TJI压力振荡特性.图7展现了TJI与SI发动机在=1工况下不同点火时刻的缸内压力、放热率、带通滤波曲线以及其对应的振荡频率的小波变换时频图.
首先,分析图7(a)发现,TJI发动机压力振荡的起始时间早于SI发动机,起始于燃烧前期,自放热率曲线突增后开始产生.相比之下,SI发动机压力振荡仅出现在燃烧末期,起始于最大爆发压力附近,而后逐渐衰减.其次,研究表明,SI发动机的压力振荡主要由末端混合气自燃导致,与TJI发动机爆震产生的原因存在差异.TJI发动机的压力振荡类型有两种情况:一种是无末端自燃情况下产生的压力振荡,主要由射流火焰传播导致,且持续时间较长,至燃烧结束才逐渐减弱,由于与SI发动机爆震现象不同,故可称其为压力振荡;另一种是射流火焰前锋的压缩作用诱发末端混合气自燃而导致的爆震,与SI发动机爆震原因相似,点火提前角增大会增强射流与火焰前锋面对末端混合气的压缩作用,达到一定温度和压力后末端混合气发生自燃,进而产生爆震,如图7(a)中点火提前角为16°CA BTDC的工况所示,同时,爆震后压力振荡幅值有所增加,但起源于燃烧初期的压力振荡依然存在.
为了进一步分析振荡特性,图7中绘制了带通缸压曲线的小波变换时频图.从SI发动机压力振荡时频图中可以清晰地辨别出其各阶特征信号,不同阶次的特征信号分别对应不同的振荡模式.TJI发动机时频图中同样可以较为清晰地辨别出不同阶次特征信号,但特别之处在于其时频图呈倒“V”字形.这是由于TJI发动机压力振荡起始于缸压和缸内温度均较低的时刻,压力波传播速度低,故压力振荡频率也较低.随着燃烧反应继续进行,缸压与温度都逐步上升,导致振荡频率逐渐上升,约在最大缸压附近达到最高频率.此外,末端自燃的发生与否不会明显影响TJI发动机振荡频率和时频图的形状,但振荡幅值会提升.
爆震因子MAPO表示带通缸压绝对值的最大值,可反映压力振荡强度的大小.TJI与SI发动机压力振荡的成因不同导致爆震因子的分布情况不同.根据先前研究[24-28],可定义0.1MPa为SI发动机
图7 TJI与SI发动机在不同点火时刻下的压力振荡特性
的爆震因子临界值.因此图8中标注22°CA BTDC为SI发动机的爆震临界点.如图8所示,临界点之前,点火提前角增加,该工况压力振荡幅值无明显增加;而在爆震临界点基础上继续增大点火提前角,SI发动机爆震因子均值迅速上升,分散度大幅增加,其分布相比TJI发动机更加分散且具有随机性.
图8 SI发动机在不同点火时刻工况下的爆震因子分布
图9中,随着点火提前角增大,TJI发动机爆震因子均值线性增加,且分布轨迹向增大方向移动.本文分析认为,这是由于TJI发动机在未发生末端自燃前便存在压力振荡.在点火提前角增大的初期,该压力振荡的幅值逐步增加,而继续增大点火提前角,末端混合气自燃会使爆震因子幅值进一步提升.因此,TJI爆震因子平均值随点火提前角增大变化较为平缓,基本呈线性增加.此外,由于TJI发动机燃烧速率快,可在末端混合气发生自燃之前尽量多且稳定地燃烧缸内混合气,末端混合气自燃的量少且放热率峰值降低.因此TJI发动机在发生末端自燃后爆震因子依然相对集中且不易出现极大幅值的压力振荡.
图9 TJI发动机在不同点火时刻下的爆震因子分布
2.3.2 不同压缩比下压力振荡分析
图10为TJI发动机在不同压缩比下最佳扭矩工况点的200个循环的爆震因子均值.压缩比提升会增大TJI发动机的爆震因子幅值,但不同混合气浓度下爆震因子幅值升高的原因不同.SI发动机中一般以爆震因子0.1MPa作为爆震临界点的判断指标,因此本文也以0.1MPa作为限值来区分高低幅值压力振荡.根据自燃的发生与否,将高幅值压力振荡区域分为a和b两部分.其中a区域为发生末端自燃区域,b区域为未发生末端自燃区域.二者爆震因子幅值升高的原因有所不同,下面将分别对其成因进行 讨论.
图10 不同压缩比对TJI发动机爆震因子的影响
1)高压缩比末端自燃工况压力振荡分析
压缩比提升会增大末端混合气自燃概率,图10中a区域内的混合气浓度相对较高,故压缩比提升更易发生末端自燃.图11中绘制了TJI发动机在压缩比9、11,=1,点火时刻均为2 °CA BTDC工况下的200个工作循环的CA10散点图.本文以CA10作为发动机着火时刻来判断是否发生了早燃.
如图11所示,压缩比由9提升至11时,CA10相位整体前移,甚至存在CA10相位早于点火时刻的循环,意味着发动机发生早燃.经统计,图11中早燃循环为25个,占采集循环的12.5%.本文分析这是由于发动机压缩比提升,导致放热率峰值大幅增加所致,预燃室热量无法及时散出产生局部热点进而导致发动机早燃.喷嘴处是预燃室热量最集中的部位,且不易布置冷却水道.为减小早燃循环的发生概率需要降低混合气浓度.
图11 压缩比提升对TJI发动机当量混合气工况着火时刻的影响(l=1)
图12展示了压缩比9、11,=1工况下爆震因子幅值与IMEP的关系.由图12可知,压缩比11工况下,由于绝大多数工况点的爆震因子幅值均超过0.2MPa,因此IMEP随爆震因子的增大总体上呈下降趋势.IMEP较高的点基本都分布在爆震因子在0~0.3MPa的区域内,这表明压力振荡过大会损害发动机做功.尤其是当爆震因子超过1.0MPa时,IMEP迅速下降到0.91MPa.同时,产生高压力振荡幅值的循环中早燃循环占绝大多数.爆震因子超过1.0MPa的循环也为早燃循环,并且早燃循环的IMEP值均较低.与之相比,压缩比9条件下,爆震因子不仅幅值小,而且更加密集且全部集中在0.2MPa以内,IMEP随爆震因子的增加基本呈上升趋势,最大IMEP分布在爆震因子0.1MPa左右.这表明TJI发动机中轻微爆震有利于做功行程,而较为剧烈的爆震或者早燃不利于发动机做功,且易损害发动机零 部件.
2)高压缩比无末端自燃工况压力振荡分析
过量空气系数增加,末端自燃发生的概率逐渐减小,直至无末端自燃发生.然而,试验发现,未发生末端自燃工况的爆震因子幅值仍可达较高水平,如图10中b区域所示.因此,为探究该区域工况压力振荡较高的原因,本文选取不同压缩比下=1.5的最佳扭矩工况点,并选择能代表该工况平均爆震因子水平的循环进行分析.图13中展示了该循环缸内压力、放热率、压力升高率以及带通缸压的变化趋势.
为更清晰地分析燃烧过程,本文定义了射流放热率峰值与射流压升率峰值两个参数.预燃室射流喷入主燃室会引发多点快速燃烧,导致放热率骤增,而后由于火焰传播速度慢放热率下降,燃烧继续进行,如燃烧后期发生末端自燃则会在燃烧后期又产生一个放热率尖峰.为区分射流与末端自燃产生的放热率尖峰,定义燃烧初期的放热率曲线尖峰为射流放热率峰值.压升率与放热率密切相关,因此压力升高率曲线亦有尖峰,将燃烧初期的压升率曲线尖峰定义为射流压升率峰值,如图13所示.由缸内压力曲线可知,压力振荡峰值均分布在燃烧前期,对应射流放热率峰值附近.同时,压缩比升高,仅对应射流放热率峰值部分的压力振荡幅值逐渐升高,其他时刻的压力振荡幅值增加不明显,因此推断该压力振荡与射流放热率峰值有关,总体上随射流放热率峰值增大而呈上升趋势.
图13 压缩比提升对稀燃工况的压力振荡的影响(MBT点火时刻,l=1.5)
上述压力振荡与柴油机压升率过高导致燃烧粗暴的现象相似,二者均为多点点火,且振荡均开始于燃烧初期.柴油机燃烧粗暴是由于短时间内着火的混合气过多导致,而从射流燃烧放热率曲线来看,在射流喷出后放热率突增也代表快速燃烧.TJI发动机压缩比提升会增大射流放热率峰值导致压力升高率更高,进而产生压力振荡,同时压升率增大会促进振荡幅值增加.
为阐述这种关联关系,图14绘制了对应工况200个循环的爆震因子与射流放热率峰值和射流压升率峰值的对应关系散点图.首先,观察到射流放热率峰值与射流压升率峰值有明显的正比关系,表明放热率升高会导致压升率升高.此外,由图14可知,随着射流放热率峰值提升,爆震因子幅值也基本呈上升趋势,射流压升率与爆震因子的趋势亦如此.其他因素也会影响爆震因子幅值,故图中散点存在一定的分散度.TJI发动机压缩比提升后,被射流同时引燃的工质的量增加,故压力升高率增加,进而导致压力振荡幅值增加.因此在实际应用过程中,TJI发动机应在保证射流稳定引燃主燃室混合气及保持合理燃烧持续期的前提下,尽量减小射流放热率峰值.
图14 稀燃工况不同压缩比射流放热率峰值、射流压升率峰值与MAPO关系(l=1.5)
同时,试验过程中发现,预燃室喷油量增大也会导致射流放热率峰值增大,造成压力振荡幅值增大,故对TJI发动机而言,预燃室喷油量是极其关键的参数.喷油量过少,稀燃工况下燃烧稳定性不足;喷油量过多,则压力振荡幅值增高,同时预燃室中气体能量会被喷孔耗散,做功能力不强.因此,为保证发动机经济性,应在满足燃烧稳定性前提下尽量减少预燃室喷油量.
3 结 论
本文基于一台可调压缩比单缸发动机,针对不同压缩比下湍流射流发动机的性能、燃烧特性和压力振荡特性进行分析,试验得出以下结论.
(1) 压缩比升高会提升发动机压缩上止点的缸内热力学条件,促进缸内混合气快速燃烧,增强燃烧稳定性,TJI发动机的稀燃极限可拓展至=3.
(2) 稀燃工况下,预燃室主动喷油可缩短滞燃期和燃烧持续期,提升燃烧定容度,进而提高热效率.
(3) TJI和SI发动机压力振荡存在明显差异.增大点火提前角可导致SI发动机爆震,压力振荡多发生在燃烧末期;TJI发动机的压力振荡产生于燃烧初期,且持续时间较长,其主要与射流发展以及多点点火有关.
(4) 压缩比提升更容易诱发末端混合气自燃,严重情况下会诱发早燃.强烈末端自燃及早燃会导致发动机动力性能下降,因此压缩比提升后TJI发动机应向稀燃方向拓展.稀燃工况下压缩比提升后即使未发生末端自燃,爆震因子依然会达到较高水平.
[1] 王 莉,刘鲁源,刘德新,等. 基于控制的稀薄燃烧汽油机进气模型[J].天津大学学报,2005,38(3):201-205.
Wang Li,Liu Luyuan,Liu Dexin,et al. Control-based inlake airflow dynamic model of lean burn gasoline engine[J]. Journal of TianJin University,2005,38(3):201-205(in Chinese).
[2] 王天友,刘书亮,关乃佳. 控制稀燃汽油机NO排放实验[J]. 天津大学学报,2005,38(2):129-132.
Wang Tianyou,Liu Shuliang,Guan Naijia. Experiment on reduction of NOemission in a lean-burn gasoline engine[J]. Journal of TianJin University,2005,38(2):129-132(in Chinese).
[3] Alvarez C E C,Couto G E,Roso V R,et al. A review of prechamber ignition systems as lean combustion technology for SI engines[J]. Applied Thermal Engineering,2018,128:107-120.
[4] Pitt P,Ridley J,Clemilnts R M. An ignition system for ultra lean mixtures[J]. Combustion Science and Technology,1983,35(5/6):277-285.
[5] Tian J,Cui Z,Ren Z,et al. Experimental study on jet ignition and combustion processes of natural gas[J]. Fuel,2020,262:116467.
[6] Gentz G R,Toulson E. Experimental studies of a liquid propane auxiliary fueled turbulent jet igniter in a rapid compression machine[J]. SAE International Journal of Engines,2016,9(2):777-785.
[7] Gentz G,Thelen B,Gholamisheeri M,et al. A study of the influence of orifice diameter on a turbulent jet ignition system through combustion visualization and performance characterization in a rapid compression machine[J]. Applied Thermal Engineering,2015,81:399-411.
[8] Biswas S,Qiao L. Prechamber hot jet ignition of ultra-lean H2/air mixtures:Effect of supersonic jets and combustion instability[J]. SAE International Journal of Engines,2016,9(3):1584-1592.
[9] Biswas S,Tanvir S,Wang H,et al. On ignition mechanisms of premixed CH4/air and H2/air using a hot turbulent jet generated by pre-chamber combustion[J]. Applied Thermal Engineering,2016,106:925-937.
[10] Biswas S,Qiao L. Ignition of ultra-lean premixed H2/air using multiple hot turbulent jets generated by pre-chamber combustion[J]. Applied Thermal Engineering,2018,132:102-114.
[11] Tanoue K,Kimura T,Jimoto T,et al. Study of prechamber combustion characteristics in a rapid compression and expansion machine[J]. Applied Thermal Engineering,2017,115:64-71.
[12] Yamashita R,Waku S,Mori D,et al. Effect of fuel property on the ignition and combustion characteristics of prechamber ignition[J]. Journal of Thermal Science and Technology,2021,16(2):JTST0014.
[13] Attard W P,Parsons P. A normally aspirated spark initiated combustion system capable of high load high efficiency and near zero NOemission in a modern vehicle powertrain[J]. SAE International Journal of Engines,2010,3(2):269-287.
[14] Attard W P,Fraser N,Parsons P. A turbulent jet ignition pre-chamber combustion system for large fuel economy improvements in a modern vehcle powertrain [J]. SAE International Journal of Engines,2010,3(2):20-37.
[15] Toulson E,Watson H C,Attard W P. Gas Assisted Jet Ignition of Ultra-Lean LPG in a Spark Ignition Engine[M]. Detroit,USA:SAE International,2009.
[16] 王 莉,刘德新,王天友,等. 稀燃汽油机NO排放控制的实验研究[J]. 天津大学学报,2003,36(4):456-459.
Wang Li,Liu Dexin,Wang Tianyou,et al. Study on NOreduction in lean burn gasoline engine[J]. Journal of Tianjin University,2003,36(4):456-459(in Chinese).
[17] Attard W P,Parsons P. A Normally Aspirated Spark Initiated Combustion System Capable of High Load,High Efficiency and Near Zero NOEmissions in a Modern Vehicle Powertrain[M]. Detroit,USA:SAE International,2010.
[18] Attard W P,Kohn J,Parsons P. Ignition Energy Development for a Spark Initiated Combustion System Capable of High Load,High Efficiency and Near Zero NOEmissions[M]. Detroit,USA:SAE Interna-tional,2010.
[19] Attard W P,Parsons P. Flame Kernel Development for a Spark Initiated Pre-Chamber Combustion System Capable of High Load,High Efficiency and Near Zero NOEmissions[M]. Detroit,USA:SAE Interna-tional,2010.
[20] Bureshaid K,Shimura R,Feng D,et al. Experimental studies of the effect of ethanol auxiliary fueled turbulent jet ignition in an optical engine[J]. SAE International Journal of Engines,2019,12(4):10. 4271/03-12-04-0026.
[21] Bureshaid K I,Feng D,Bunce M,et al. Experimental studies of gasoline auxiliary fueled turbulent jet igniter at different speeds in single cylinder engine[C]//SAE Technical Paper Series. Detroit,USA,2019.
[22] Hua J,Zhou L,Gao Q,et al. Effects on Cycle-to-Cycle Variations and Knocking Combustion of Turbulent Jet Ignition(TJI)with a Small Volume Pre-Chamber[M]. Detroit,USA:SAE International,2020.
[23] Hua J,Zhou L,Gao Q,et al. Influence of pre-chamber structure and injection parameters on engine performance and combustion characteristics in a turbulent jet ignition(TJI)engine[J]. Fuel,2021,283:119236.
[24] Wei H,Hua J,Pan M,et al. Experimental investigation on knocking combustion characteristics of gasoline compression ignition engine[J]. Energy,2018,143:624-633.
[25] Zhou L,Dong K,Hua J,et al. Effects of applying EGR with split injection strategy on combustion performance and knock resistance in a spark assisted compression ignition (SACI) engine[J]. Applied Ther-mal Engineering,2018,145:98-109.
[26] Zhou L,Hua J,Wei H,et al. Knock characteristics and combustion regime diagrams of multiple combustion modes based on experimental investigations[J]. Applied Energy,2018,229:31-41.
[27] Zhou L,Kang R,Wei H,et al. Experimental analysis of super-knock occurrence based on a spark ignition engine with high compression ratio[J]. Energy,2018,165:68-75.
[28] Kang R,Zhou L,Hua J,et al. Experimental investigation on combustion characteristics in dual-fuel dual-injection engine[J]. Energy Conversion and Management,2019,181:15-25.
Experimental Study of the Effects of Different Compression Ratios on the Performance and Knock Characteristics of Turbulent Jet Ignition Engine
Zhou Lei1,Liu Zongkuan1,Li Xiao1,Gao Qiang1,Ren Haijiang2,Wei Haiqiao1
(1. State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2. Guangxi Yuchai Machinery Company Limited,Yulin 537005,China)
In this paper,the effects of different compression ratios(CRs)on the performance and knock characteristics of a turbulent jet ignition(TJI)gasoline engine are studied using a four-stroke single-cylinder engine. The compression ratios 9,11,13,and 15 were investigated in this paper. Further,different excess air coefficients were studied under each compression ratio. The results showed that a high compression ratio could extend the lean burn limit of the TJI gasoline engine. At a CR of 15,stable combustion could be achieved with an excess air coefficient of=3. By increasing the compression ratio and cooperating with the pre-chamber fuel injection,the ignition delay time and combustion duration of the engine can be reduced,thereby improving the combustion efficiency of the TJI engine. At the range of 1.4<<1.9,the fuel mixture in the main combustion chamber became leaner with increasing,and the ignition delay and combustion duration showed an upward trend at low CR conditions(CR=9,11,and 13). At this time,the effect of the mixture concentration in the main combustion chamber on the combustion process is dominant. However,as the compression ratio increases to 15,the rising trend of ignition delay and combustion duration disappears. At>1.9,the mixture in the main combustion chamber is too lean,and the influence of jet flame in the pre-chamber on the combustion of the main combustion chamber is enhanced. Moreover,it was also found that pressure oscillation differs significantly between the TJI engine and traditional spark plug ignition engines. The pressure oscillation of the TJI engine starts from the initial stage of the combustion and continues until the end of the combustion,which is primarily due to the multipoint ignition in the main combustion chamber caused by the high-temperature jet ignition. The TJI engine may also have pre-ignition in the case of a high compression ratio and mixture concentration. Thus,the TJI engine should operate under lean-burn conditions to achieve stable and efficient combustion.
turbulent jet ignition;compression ratio;knock;gasoline engine
10.11784/tdxbz202108034
TK421
A
0493-2137(2022)08-0876-10
2021-08-15;
2021-10-04.
周 磊(1982— ),男,博士,副教授,lei.zhou@tju.edu.cn.Email:m_bigm@tju.edu.cn
卫海桥,weihaiqiao@tju.edu.cn.
国家自然科学基金资助项目(91741119).
the National Natural Science Foundation of China(No. 91741119).
(责任编辑:金顺爱)