楊 波

（南車集團(tuán) 玉柴四川發(fā)動機(jī)股份有限公司 技術(shù)中心，四川資陽641301）

1 燃燒技術(shù)現(xiàn)狀

在4沖程柴油機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行火花塞式燃?xì)鈾C(jī)研制時，由于工作條件、燃料變化（熱值、成分、壓力等參數(shù)）、燃燒方式變化（柴油壓燃、燃?xì)恻c燃（須滿足容易著火0.8～1.2空燃比范圍（燃?xì)獬煞諧H4為主的燃?xì)猓?、燃燒速度變化（比柴油慢）、火花塞的點火能量、點火點（火花塞數(shù)量）的局限性等原因，使發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)、性能、可靠性等指標(biāo)發(fā)生重大變化，發(fā)動機(jī)具有熱負(fù)荷高、動力性、安全性低等特點，特別是缸徑200mm以上、單缸排量10L以上的發(fā)動機(jī)情況更甚，燃?xì)鈾C(jī)爆振、效率、平均有效壓力、排放與空燃比關(guān)系如圖1所示，因此進(jìn)行火花塞式燃?xì)鈾C(jī)研制時，為了實現(xiàn)排溫、排放低、熱效率高、功率高、安全性高等目的，主要是使發(fā)動機(jī)稀薄燃燒，使其空燃比達(dá)到1.6以上，其解決的關(guān)鍵技術(shù)之一是發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)創(chuàng)新提高。

圖1 空燃比關(guān)系圖

燃燒技術(shù)的解決措施主要是點火能量、燃燒進(jìn)氣均勻穩(wěn)定性提高等方面入手。點火能量提高除增加點火系統(tǒng)本身的能量外，另外就是在點火系統(tǒng)不變情況下燃燒系統(tǒng)中增加點火放大裝置，增加燃燒室著火點及著火能量，而后者是目前通用解決方法，燃?xì)膺M(jìn)氣均勻穩(wěn)定性提高主要是燃?xì)饣旌?、進(jìn)氣道、進(jìn)氣模式、氣門等與燃燒相關(guān)的系統(tǒng)的改進(jìn)，使燃燒室內(nèi)混合氣更加均勻，增大紊流、喘流。

目前4沖程火花塞式燃?xì)鈾C(jī)采用的燃燒技術(shù)主要有開式燃燒技術(shù)（單燃燒室）及預(yù)燃燃燒技術(shù)（預(yù)燃室＋主燃燒室）兩種模式，分析如下。

1.1 點火系統(tǒng)

無論是開式燃燒還是預(yù)燃燃燒的火花塞燃?xì)鈾C(jī)，目前點火系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了數(shù)字式智能化控制，控制精度高、可靠，可根據(jù)發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)情況實時控制點火提前角、點火能量等參數(shù)。

目前點火系統(tǒng)技術(shù)雖在不斷提高，但受制于火花塞本身能力大小及壽命技術(shù)的影響，仍不能完全滿足要求，因此世界內(nèi)燃機(jī)界正在開發(fā)激光點火技術(shù)，由于成本及技術(shù)沒有突破，只是理論及試驗室研究，無法商品化使用。這樣若只單純通過改進(jìn)現(xiàn)時點火系統(tǒng)來提高發(fā)動機(jī)性能、可靠性暫無法取得圓滿效果，必須通過提高其他燃燒技術(shù)來實現(xiàn)。

1.2 開式燃燒技術(shù)

開式燃燒技術(shù)就是火花塞直接點燃開式燃燒室內(nèi)混合氣的燃燒方式，機(jī)理是在發(fā)動機(jī)壓縮上止點前，控制火花塞直接點燃開式燃燒室內(nèi)混合氣進(jìn)行燃燒，見圖2，多在小缸徑、小排量發(fā)動機(jī)采用，如汽車及工程用的CAT35G系列、道以茨JTCG系列、國產(chǎn)190G系列。

對于每循環(huán)單缸排量僅2～5L發(fā)動機(jī)，采用目前每缸單個火花塞直接點燃開式燃燒室（只有一個燃燒室）混合氣的開式燃燒技術(shù)，就能較好解決發(fā)動機(jī)燃燒點火能量，其次由于排量小，燃燒的混合氣量少、燃燒空間較小，使得發(fā)動機(jī)混合氣在較小的點火能量下基本能充分燃燒，再者燃燒系統(tǒng)簡單、成本低，維護(hù)簡便，因此據(jù)統(tǒng)計目前全球缸徑在100mm以下的火花塞燃?xì)鈾C(jī)全部采用開式燃燒技術(shù)，基本能滿足市場要求，空燃比一般在1.2～1.5之間，當(dāng)發(fā)動機(jī)缸徑及排量越小，燃燒空燃比越大，稀薄效果越好。

圖2 火花塞式燃?xì)鈾C(jī)開式燃燒技術(shù)簡圖

對于缸徑150～200mm、單缸排量5～10L的燃?xì)鈾C(jī)，用單個火花塞的開式燃燒，相對來講點火能量、點火點顯得不足，同時由于受到發(fā)動機(jī)氣缸蓋、燃燒室限制，限制了增加點火能量及點火點方案實施，因此燃燒室內(nèi)混合氣不能完全充分快速燃燒、再者濃度較濃，造成了發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷高、熱效率低，功率低，使發(fā)動機(jī)可靠性、壽命、安全性經(jīng)濟(jì)性降低、維護(hù)保養(yǎng)成本高。開式燃燒技術(shù)簡要特點見表1。

表1 開式燃燒技術(shù)特點

1.3 預(yù)燃燃燒技術(shù)

預(yù)燃燃燒技術(shù)是用預(yù)燃室作為火源放大器來引燃發(fā)動機(jī)主燃燒室內(nèi)混合氣的燃燒技術(shù)，機(jī)理是在發(fā)動機(jī)上止點前，用單個火花塞的點火能量點燃預(yù)燃室內(nèi)混合氣燃燒后，擴(kuò)大能量后多點噴入主燃室內(nèi)引燃主燃燒室內(nèi)混合氣的燃燒技術(shù)，多在大缸徑、大排量發(fā)動機(jī)上采用，顏巴赫的JGSL系列、WAUKESHA的L7044GST天然氣機(jī)、國產(chǎn)Q240ZLD、Q280ZLD系列，如圖3所示。

預(yù)燃燃燒技術(shù)實施主要基于從理論上可首先容易點燃預(yù)燃室內(nèi)混合氣，使其點火能量擴(kuò)大、引火點增加，保證主燃燒室混合氣著火可靠性及燃燒速度增加，增大完全燃燒的混合氣量，使發(fā)動機(jī)稀薄燃燒、提高發(fā)動機(jī)熱效率、可靠性及安全性，據(jù)統(tǒng)計全球缸徑200mm、單缸排量10L以上商品化的火花塞式燃?xì)鈾C(jī)100%采用了預(yù)燃技術(shù)。當(dāng)缸徑小于200mm、單缸排量小于10L的燃?xì)鈾C(jī)也有采用預(yù)燃燃燒技術(shù)，如顏巴赫的JGSL系列，而此種發(fā)動機(jī)，由于每循環(huán)本身進(jìn)入燃燒室內(nèi)的混合氣少，因此更加容易完全充分燃燒，性能更優(yōu)。預(yù)燃燃燒技術(shù)簡要特點見表2。

圖3 火花塞式燃?xì)鈾C(jī)預(yù)燃燃燒技術(shù)簡圖

表2 預(yù)燃燃燒技術(shù)特點

2 240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)預(yù)燃燃燒技術(shù)

根據(jù)目前火花塞點火能量一般承受200mm以下，要超過此值，則火花塞壽命降低及成本增加，而240系列發(fā)動機(jī)單缸每循環(huán)排量為12.44L，從發(fā)動機(jī)工作過程及燃?xì)馓匦苑治觯糁徊捎脝蝹€火花塞開式燃燒方式，240發(fā)動機(jī)要充分燃燒完每循環(huán)增壓后混合氣是不現(xiàn)實的，功率及排溫均不能達(dá)到要求，效率及可靠性低，再者根據(jù)燃?xì)馓攸c及240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)采用廢氣渦輪增壓、燃?xì)庠鰤浩髑半娍仡A(yù)混合、增壓混合氣中間冷卻、轉(zhuǎn)速1 000r／min、重疊角22TDA，壓縮比10（可調(diào)）、火花塞點火總體要求，進(jìn)行了理論分析及工作過程計算，240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)采用預(yù)燃燃燒模式。

從預(yù)燃室內(nèi)混合氣的生成分析燃燒模式分為兩種，一種是預(yù)燃室內(nèi)與主燃燒室內(nèi)混和氣濃度一致的當(dāng)量式預(yù)燃燃燒模式，另一種是預(yù)燃室單獨進(jìn)濃混合氣并與主燃燒室稀的混合氣進(jìn)行二次混合后差量式預(yù)燃燃燒模式。

在確定燃燒模式后，對主燃燒室、預(yù)燃燒室及相關(guān)預(yù)燃燃燒系統(tǒng)零部件進(jìn)行多種方案設(shè)計，并對兩種模式的預(yù)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了多種組合對比試驗研究。

2.1 當(dāng)量式預(yù)燃燃燒技術(shù)

2.1.1 原理

240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)當(dāng)量式預(yù)燃燃燒機(jī)理是：在發(fā)動機(jī)壓縮上至點前點火提前角時，控制火花塞點燃預(yù)燃燒室內(nèi)與主燃燒室濃度一致的當(dāng)量混合氣后，多點噴射出火焰使主燃室內(nèi)混合氣燃燒的燃燒方式。預(yù)燃燒室內(nèi)的混和氣與主燃燒室內(nèi)混合氣當(dāng)量濃度一致，因此簡稱預(yù)燃當(dāng)量燃燒模式。

2.1.2 系統(tǒng)集成及試驗研究

（1）系統(tǒng)集成

對當(dāng)量式預(yù)燃燃燒系統(tǒng)進(jìn)行分析集成，見圖4。

圖4 240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)當(dāng)量式預(yù)燃燃燒技術(shù)簡圖

（2）試驗研究

在240單缸機(jī)、多缸機(jī)上進(jìn)行試驗研究，單缸機(jī)功率只能達(dá)到原柴油機(jī)60%左右，空燃比僅能做到1.45左右，多缸機(jī)只能達(dá)到原柴油機(jī)55%左右，空燃比僅能做到1.35左右，此時總管排溫達(dá)到限定值，采用此技術(shù)商品化的Q6240ZLD、Q12V240ZLD燃?xì)鈾C(jī)目前使用在外部氣源壓力小于30kPa、甲烷濃度小于50%的煤礦瓦斯發(fā)電機(jī)組上，其結(jié)果與試驗效果一致。見圖5。

從試驗研究及圖5曲線中可知：

Q12V240ZLD燃?xì)鈾C(jī)在1 000r／min，單缸功率85 kW左右時，排溫達(dá)到設(shè)定值650℃，此時空燃比約1.38左右。當(dāng)調(diào)稀空燃比至1.42時，發(fā)動機(jī)不能穩(wěn)定工作，有失火斷火發(fā)生，見圖10，只能將空燃比調(diào)回原值，此時若將單缸功率增至95kW左右，排溫超限至675℃左右。

240單缸燃?xì)鈾C(jī)在1 000r／min，功率105kW左右時，排溫580℃，此時空燃比約1.45左右。當(dāng)調(diào)稀空燃比至1.5時，發(fā)動機(jī)不能穩(wěn)定工作，有失火斷火發(fā)生，見圖10，只能將空燃比調(diào)回原值，此時若將功率增至110kW左右時，排溫至630℃左右，此時發(fā)動機(jī)有輕微爆震聲音。

排溫、熱耗率與空燃比關(guān)系是在發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)情況下進(jìn)行測試的。若在穩(wěn)定工況下將空燃比調(diào)稀，發(fā)動機(jī)不能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，有斷火失火發(fā)生，見圖10；而將空燃比調(diào)濃下，發(fā)動機(jī)可穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，但此時排溫、耗氣量上升較快，另外容易造成發(fā)動機(jī)排氣總管中排溫超過CH4自然著火溫度，使發(fā)動機(jī)回火的可能性增大。

圖5 240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)當(dāng)量式預(yù)燃燃燒性能試驗曲線

2.1.3 技術(shù)特點

當(dāng)量式預(yù)燃燃燒關(guān)鍵技術(shù)是采用了火焰放大裝置，擴(kuò)大點火能量、多點點火來解決發(fā)動機(jī)的燃燒問題，提高效率，但預(yù)燃室內(nèi)混和氣和主燃燒室一致，需滿足點火濃度要求，因此只能加快發(fā)動機(jī)內(nèi)的混和氣燃燒速度及燃燒量，而主燃燒室內(nèi)混和氣不能稀簿，發(fā)動機(jī)沒有達(dá)到完全稀薄燃燒。240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)當(dāng)量式預(yù)燃燃燒技術(shù)簡要特點見表3。

表3 當(dāng)量式預(yù)燃燃燒技術(shù)特點

2.2 差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)

2.2.1 原理

240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)差量式預(yù)燃燃燒機(jī)理是在發(fā)動機(jī)壓縮上止點前點火提前角時，控制火花塞點燃預(yù)燃燒室內(nèi)與主燃燒室混合氣差異的濃混合氣后，多點噴射出火焰使主燃室內(nèi)稀混合氣燃燒的燃燒方式。簡稱為差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)，根據(jù)預(yù)燃室燃?xì)膺M(jìn)氣方式不同，分為被動差量式及主動差量式。

2.2.2 系統(tǒng)集成及試驗研究

（1）系統(tǒng)集成

兩種差量式預(yù)燃燃燒系統(tǒng)集成，見圖6、圖7。

（2）試驗研究

240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)被動差量式及主動差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)在240單缸機(jī)及多缸機(jī)上進(jìn)行了試驗，其中主動差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)在公司Q6240ZLD－T天然氣發(fā)電站商品化使用。單缸機(jī)功率達(dá)到原柴油機(jī)75%左右，空燃比到1.75左右；多缸機(jī)達(dá)到原柴油機(jī)65%左右，空燃比到1.6左右，此時總管排溫接近限定值。見圖7（主動差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)試驗結(jié)果）。

圖6 240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)被動差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)簡圖

圖7 240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)主動差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)簡圖

圖8 240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)主動差量式預(yù)燃燃燒性能試驗曲線

從主動差量式試驗過程中及圖8中曲線可知：Q6240ZLD燃?xì)鈾C(jī)在1 000r／min，單缸功率105kW左右時，排溫640℃接近設(shè)定值，此時空燃比約1.6左右。當(dāng)調(diào)稀空燃比至1.65時，發(fā)動機(jī)不能穩(wěn)定工作，有失火斷火發(fā)生，見圖10；只能將空燃比調(diào)回原值，此時若將單缸功率增至110kW左右時，排溫至655℃左右，發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)正常。

240單缸機(jī)在1 000r／min，功率115kW左右時，排溫550℃，此時空燃比約1.75左右。當(dāng)調(diào)稀空燃比至1.8時，發(fā)動機(jī)不能穩(wěn)定工作，有失火斷火發(fā)生，見圖10，只能將空燃比調(diào)回原值，此時若增加功率至125kW左右時，排溫至590℃左右，發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)正常。

排溫、熱耗率與空燃比關(guān)系是在發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)情況下進(jìn)行研究的。若將空燃比過度調(diào)稀，發(fā)動機(jī)一般不能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，有失火斷火發(fā)生，見圖10；而將空燃比調(diào)濃，可穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，但此時排溫、耗氣量上升較快。

被動差量式試驗時，由于單向閥故障，預(yù)燃室內(nèi)空燃比不容易控制，造成發(fā)動機(jī)在燃燒時常發(fā)生失火、斷火現(xiàn)象，使發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時間短及不能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。另外在相同工況下，空燃比均比主動差量式時濃，但比當(dāng)量式稀。

2.2.3 技術(shù)特點

無論被動差量式或主動差量式，其燃燒模式是一致的，采用了火焰放大裝置，擴(kuò)大點火能量，多點噴射點燃主燃燒室內(nèi)稀混和氣，由于預(yù)燃室內(nèi)混和氣和主燃燒室濃度不一致，可實現(xiàn)預(yù)燃室內(nèi)混和氣為容易點火的濃度、主燃燒室內(nèi)混和氣稀薄要求，因此一方面保證了預(yù)燃室內(nèi)可靠著火、能量加大，另一方面又能保證主燃燒室內(nèi)稀混合氣快速充分燃燒，解決發(fā)動機(jī)的燃燒問題，使發(fā)動機(jī)稀簿燃燒，其差別主要是被動差量式是通過缸內(nèi)燃?xì)鈮毫ψ兓箚蜗蜷y動作打開預(yù)燃室進(jìn)氣通道，使?jié)饣旌蠚庵苯舆M(jìn)入預(yù)燃室內(nèi)，其供氣被動隨機(jī)、無法控制預(yù)燃室內(nèi)空燃比，同時單向閥具有結(jié)構(gòu)不可靠、卡死、燒結(jié)等缺陷；而主動差量式則是通過發(fā)動機(jī)進(jìn)氣凸輪控制搖臂動作帶動預(yù)燃室進(jìn)氣柱塞運動來控制預(yù)燃進(jìn)氣道的開啟，其運動原理與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門運動原理一致，用調(diào)整搖臂與柱塞之間a尺寸就可調(diào)整柱塞開啟時刻和范圍，同時燃?xì)夤苈分腥細(xì)饬康目刂剖歉鶕?jù)檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、壓差信號（主燃室稀混合氣與預(yù)燃室進(jìn)氣管路燃?xì)鈮毫Σ睿?，通過控制頻率閥開度實現(xiàn)的。因此主動差量式則解決了被動式不足，實現(xiàn)了預(yù)燃室內(nèi)空燃比實時準(zhǔn)確控制，使燃燒技術(shù)更加完善可靠，達(dá)到了發(fā)動機(jī)主燃燒室內(nèi)混合氣稀薄及快速充分完全燃燒，降低發(fā)動機(jī)排溫、排放，增大安全性、提高熱效率目的。240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)簡要特點見表4。

表4 差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)特點

2.3 點火提前角、最高爆壓及失火狀態(tài)試驗

預(yù)燃燃燒技術(shù)進(jìn)行試驗時，無論采用何種預(yù)燃燃燒模式，對不同點火提前角情況下，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了最高爆壓點測試試驗，見圖8。另外在不同試驗過程中，對其發(fā)動機(jī)進(jìn)行了缸壓監(jiān)測，檢測了發(fā)動機(jī)正常工作狀態(tài)和失火斷火狀態(tài)下的缸壓變化情況，見圖10。

圖9 240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)點火角度與最高爆壓點曲軸角曲線圖

圖10 240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)爆壓及失火狀態(tài)曲線

隨著點火提前角變化，最高爆壓點角度有明顯變化，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)點火提前角越小、啟動越好，點火提前角越大，啟動越困難，另外點火提前角增大后，空燃比及排溫變化均不大，空燃比略有稀薄，排溫略有降低。

當(dāng)量式燃燒模式時，功率低，差量式預(yù)燃方式，功率高，這從缸壓測試驗證了此點，見圖10。

無論何種模式燃燒，當(dāng)發(fā)動機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)時，發(fā)動機(jī)每個循環(huán)均點火燃燒，缸壓變化不大；當(dāng)發(fā)動機(jī)不能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，發(fā)動機(jī)缸壓變化較大，即斷火或失火發(fā)生，此時發(fā)動機(jī)聲音發(fā)生明顯變化，如圖10。

2.4 240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)預(yù)燃燃燒系統(tǒng)設(shè)計及試驗

無論采用當(dāng)量式或差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)的240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)，由于都是在原柴油機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行研制的，當(dāng)燃燒模式確定后，而與之相關(guān)的主燃燒室、預(yù)燃室結(jié)構(gòu)，燃?xì)膺M(jìn)氣方式、內(nèi)部混合氣的二次混合等，對發(fā)動機(jī)能否可靠點燃預(yù)燃室內(nèi)混合氣及多點噴射出強(qiáng)力火焰使主燃室內(nèi)混合氣火焰快速傳播、充分燃燒起到關(guān)鍵作用，同時預(yù)燃室內(nèi)空燃比控制及火焰噴射、缸內(nèi)燃?xì)饩鶆蛉紵?、活塞頂冷卻、發(fā)動機(jī)掃氣等這些都取決于燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

與燃燒相關(guān)的缸頭結(jié)構(gòu)，缸徑、沖程、轉(zhuǎn)速等參數(shù)基本確定后，無論采用何種燃燒模式，對預(yù)燃室、主燃室的形狀、結(jié)構(gòu) 、火花塞安裝位置、預(yù)燃室燃?xì)夤┙o、預(yù)－主燃燒室容積比等，制定了多種方案，進(jìn)行試驗對比。

2.4.1 主燃燒室及壓縮比

根據(jù)燃?xì)馓攸c及燃燒理論分析，240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)主燃燒室一是采用原柴油機(jī)“ω”活塞頂、一是新設(shè)計的淺“盆”型活塞頂，同時形狀設(shè)計考慮了混合氣渦流、紊流流動并兼顧進(jìn)排氣門位置、配氣相位的匹配等，既使發(fā)動機(jī)在壓縮過程中主燃燒室內(nèi)混合氣容易進(jìn)入預(yù)燃燒室內(nèi)，又能在發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣過程中把預(yù)燃燒室內(nèi)的廢氣吸出，還要有利于對活塞頂?shù)膾邭饫鋮s等，同時經(jīng)受2 000℃高溫、15MPa壓力沖擊，保證快速的火焰?zhèn)鞑ズ透變?nèi)溫度較均勻。

在單缸機(jī)上進(jìn)行了8.5、9、10、11壓縮比和活塞頂集成組合對比試驗，最后選擇了壓縮比從8.5～10.5可調(diào)整淺“盆”型活塞頂。

采用原柴油機(jī)“ω”活塞頂、壓縮比11，采用當(dāng)量式預(yù)燃燃燒技術(shù)時，發(fā)動機(jī)1 000r／min，單缸功率僅能升至90kW，空燃比1.3左右，排溫超過600℃；當(dāng)采用差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)時，功率可升至110kW，空燃比1.5左右，排溫超過580℃。此時，發(fā)動機(jī)有爆震聲音發(fā)生，排溫較高，聲音明顯高過淺＂盆＂型、壓縮比10狀態(tài)，同時發(fā)動機(jī)工作粗爆，功率不升反降，在拆解后觀察活塞頂，預(yù)燃室6個噴孔對應(yīng)位置有明顯燒結(jié)痕跡。

用淺＂盆＂型活塞頂，從8.5～10.5調(diào)整壓縮比，在單缸機(jī)上進(jìn)行試驗。當(dāng)壓縮比8.5時，無論采用何種燃燒模式，啟動困難，同時功率不容易提升，只能做到80 kW。當(dāng)壓縮比10時，采用當(dāng)量式預(yù)燃燃燒技術(shù)，在發(fā)動機(jī)1 000r／min，單缸功率可升至100kW，此時空燃比1.5左右，排溫580℃；當(dāng)采用差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)，在發(fā)動機(jī)1 000r／min，功率升至120kW，空燃比1.7左右，排溫550℃。

用此壓縮比及活塞頂在多缸機(jī)上試驗及裝機(jī)使用，當(dāng)采用當(dāng)量式預(yù)燃燃燒技術(shù)，發(fā)動機(jī)1 000r／min，單缸功率升至95kW，此時空燃比1.4左右，排溫655℃；當(dāng)采用差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)時，功率可升至110kW，空燃比1.6左右，排溫640℃。

2.4.2 預(yù)燃燒室

預(yù)燃室起到點火能量放大器的作用，要求用小的點火能量能容易點燃其混合氣，因此與主燃燒室的匹配、大小、形狀、噴孔顯得尤其重要，而這些主要取決于主燃室、發(fā)動機(jī)缸蓋、及擴(kuò)大的點火能量和多點噴射出強(qiáng)力火焰的要求，同時需兼顧在發(fā)動機(jī)壓縮過程中使主燃燒室內(nèi)混合氣容易進(jìn)入預(yù)燃燒室內(nèi)，在發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣過程中容易把預(yù)燃燒室內(nèi)的廢氣排出，及采用差量式燃燒模式時，有利于預(yù)燃室內(nèi)混合氣的二次混合。

據(jù)此，240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)預(yù)燃室設(shè)計為上大下小葫蘆形，外形尺寸和240柴油機(jī)噴油器基本一致，噴孔位置圍繞預(yù)燃室中心，外圍為冷卻水腔（有利于降低熱負(fù)荷），并且均勻分布，噴孔數(shù)量、大小、角度可改變，安裝在氣缸蓋原安裝噴油器的位置，即主燃室中間，見圖4、圖6、圖7。

在研究過程中，進(jìn)行了多種容積比，多種噴孔大小、數(shù)量、噴射角的對比試驗，最后確定了采用當(dāng)量式或差量式燃燒模式的預(yù)燃燒室結(jié)構(gòu)。

（1）預(yù)燃室容積

采用壓縮比10、淺“盆”型活塞頂，在單缸機(jī)上進(jìn)行了多種預(yù)燃室容積試驗，當(dāng)容積在≤3%（占主燃室容積）時，無論采用何種燃燒模式，啟動困難，同時容易失火，見圖10，轉(zhuǎn)速功率無法提升，最后試驗出了較佳結(jié)果容積比。

（2）預(yù)燃室噴孔

采用壓縮比10、淺“盆”型活塞頂，在單缸機(jī)上進(jìn)行了多種預(yù)燃室噴孔大小、數(shù)量、噴射角度試驗。在發(fā)動機(jī)其他參數(shù)調(diào)整相同情況下，進(jìn)行了多種試驗組合，結(jié)果是有些容易發(fā)生失火，見圖10，有些則轉(zhuǎn)速功率無法提升、啟動困難、或排溫較高，見圖5、圖8、圖10，經(jīng)過試驗最后確定了較佳的噴孔、達(dá)到了目的。

2.4.3 火花塞及預(yù)燃室座

火花塞安裝在預(yù)燃室座上，采用一個火花塞的當(dāng)量式預(yù)燃燃燒模式時，則布置在預(yù)燃室中間位置；采用兩個火花塞，則并列安裝，盡量處在中間位置；采用差量式預(yù)燃燃燒模式時，火花塞布置在靠向預(yù)燃室中間偏離預(yù)燃進(jìn)氣口位置，處在混合氣容易著火的地方。見圖4、圖6、圖7。

預(yù)燃室座主要起到安裝預(yù)燃室、火花塞、進(jìn)氣柱塞的作用。采用當(dāng)量式預(yù)燃燃燒模式時，上面僅安裝火花塞；當(dāng)采用差量式預(yù)燃燃燒模式時，不僅需安裝預(yù)燃室、火花塞，還需安裝進(jìn)氣柱塞，及預(yù)燃室進(jìn)氣道，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，同時需兼顧進(jìn)氣口位置、角度、大小，以便濃燃?xì)庠陬A(yù)燃室內(nèi)容易均勻混合。見圖4、圖6、圖7。

2.4.4 預(yù)燃燒室燃?xì)夤┙o

采用當(dāng)量式預(yù)燃燃燒模式時，預(yù)燃燒室內(nèi)混合氣是從主燃燒室內(nèi)壓入的，濃度與主燃燒室內(nèi)一致，需滿足容易著火要求，進(jìn)氣方式簡單，見圖4。

采用差量式預(yù)燃燃燒模式時，一方面預(yù)燃燒室內(nèi)單獨供給濃燃?xì)?，另外一方面，在發(fā)動機(jī)壓縮過程中，主燃室內(nèi)一部分混和氣壓入到預(yù)燃燒室內(nèi)，且兩路氣源在預(yù)燃室內(nèi)進(jìn)行二次混和。

主動差量式預(yù)燃燃燒模式的預(yù)燃室供燃?xì)鉃橹鲃舆M(jìn)氣方式。進(jìn)氣柱塞結(jié)構(gòu)近似發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門，是通過發(fā)動機(jī)進(jìn)氣凸輪搖臂帶動運動，其行程和凸輪行程一致，動作可靠，調(diào)整搖臂與柱塞之間的間隙可調(diào)整開啟時刻和范圍，進(jìn)氣柱塞運動長短、開度決定了進(jìn)氣量大小和防止燃?xì)獾勾?，同時燃?xì)夤苈分腥細(xì)饬康拇笮】刂剖歉鶕?jù)控制器獲取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、壓差信號后，通過控制頻率閥開度、前后壓差實現(xiàn)的。見圖6。

3 結(jié)束語

資陽公司在240系列柴油機(jī)基礎(chǔ)上，研制的火花塞式燃?xì)鈾C(jī)燃燒技術(shù)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，掌握了火花塞式燃?xì)鈾C(jī)燃燒技術(shù)。

采用當(dāng)量式預(yù)燃燃燒技術(shù)的240燃?xì)鈾C(jī)，單缸功率80～100kW時，只能達(dá)到原柴油機(jī)50%左右，空燃比一般調(diào)整在1.3～1.4之間，發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，總管排溫≤650℃，見圖5。

首次在國內(nèi)采用主動差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)，240單缸燃?xì)鈾C(jī)功率達(dá)到120kW、排溫≤550℃、空燃比1.75、效率38%狀態(tài)，Q6240ZLD燃?xì)鈾C(jī)達(dá)到了功率660kW、排溫≤640℃、空燃比1.6、效率34%狀態(tài)，見圖8。

240火花塞式燃?xì)鈾C(jī)采用當(dāng)量式預(yù)燃燃燒技術(shù)及差量式預(yù)燃燃燒技術(shù)，發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)不一，差量式明顯好于當(dāng)量式。當(dāng)量式預(yù)燃燃燒技術(shù)雖采用了放大的火焰裝置，解決了一定的點火能量、點火點，使混合氣完全燃燒量有一定程度增大、燃燒時間有一定程度縮短，但未根本解決混合氣濃度問題，使發(fā)動機(jī)不能完全稀薄燃燒，介于濃和稀之間，不能完全解決發(fā)動機(jī)受熱零部件熱負(fù)荷高、缸溫、排溫高、熱效率低等問題，但其燃燒系統(tǒng)簡單、成本低，適用于低壓力、低濃度燃?xì)庥脩?；而主動差量式燃燒技術(shù)則解決了預(yù)燃室內(nèi)的空燃比控制，主燃室混合氣濃度、點火點、點火能量等燃燒問題，解決了發(fā)動機(jī)失火、混合氣充分快速燃燒、熱負(fù)荷、安全性等問題，使其空燃比1.6～2稀薄燃燒要求，從而使燃?xì)鈾C(jī)工作柔和、不容易產(chǎn)生爆震，提高了發(fā)動機(jī)熱效率、可靠性及降低排放，使發(fā)動機(jī)運用更加安全，但結(jié)構(gòu)、控制復(fù)雜，同時對燃?xì)庖筝^高。

雖采用預(yù)燃燃燒技術(shù)，但仍需完善，特別是預(yù)燃室結(jié)構(gòu)、火花塞數(shù)量、點火能量、預(yù)燃室內(nèi)燃?xì)饪刂?、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)、配氣相位等研究。

大缸徑、大排量燃?xì)鈾C(jī)燃燒技術(shù)發(fā)展趨勢是采用微量柴油引燃技術(shù)、燃?xì)舛帱c噴射預(yù)燃、激光點火技術(shù)及幾種集成組合。

［1］大連機(jī)車車輛廠.東風(fēng)4機(jī)車－240／275系列柴油機(jī)原理、結(jié)構(gòu)、維修及故障處理［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，1992.

［2］周龍保，等.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

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