王志望 張 華 胡 軻 李連豹 韋 虹 李雙清 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

近年來為應(yīng)對能源危機(jī)和氣候變化，各國發(fā)布了更嚴(yán)苛的油耗排放法規(guī)，促使汽車廠商開發(fā)相關(guān)技術(shù)以提升汽車發(fā)動機(jī)熱效率，降低排放。提升發(fā)動機(jī)熱效率的主要技術(shù)包括提高壓縮比、停缸/VVL技術(shù)、阿特金森/米勒循環(huán)、冷卻EGR 和低摩擦技術(shù)等。汽油機(jī)Otto 循環(huán)的熱效率可以通過公式[1]進(jìn)行表征，從中可以得出發(fā)動機(jī)熱效率與壓縮比和比熱比正相關(guān)。

稀釋/稀薄燃燒通過降低散熱損失和泵氣損失及提高比熱比，從而提高發(fā)動機(jī)熱效率[2]。隨著稀燃程度的提高，缸內(nèi)最高燃燒溫度降低，可有效降低爆燃傾向，在超高壓縮比下提高點(diǎn)火角，同時(shí)提高比熱比，進(jìn)而提高熱效率，伴隨著失火及燃燒持續(xù)期加長。為解決此問題，需設(shè)計(jì)快速燃燒系統(tǒng)及應(yīng)用高效點(diǎn)火系統(tǒng)，如高滾流進(jìn)氣道、長沖程設(shè)計(jì)以及適配高效點(diǎn)火系統(tǒng)的燃燒室/活塞頭部形狀等。電暈點(diǎn)火技術(shù)作為體著火的一種高效點(diǎn)火方式，點(diǎn)火能量約為0.4～1J[3-4]，根據(jù)前期試驗(yàn)驗(yàn)證[5]，可以獲得較高的過量空氣系數(shù)穩(wěn)定燃燒，通過適配快速燃燒系統(tǒng)，可以獲得低于20°曲軸轉(zhuǎn)角的燃燒持續(xù)期。

本文在1 臺熱力學(xué)單缸發(fā)動機(jī)上，采用電暈點(diǎn)火系統(tǒng)、快速燃燒系統(tǒng)和超高壓縮比等技術(shù)，通過單缸機(jī)熱力學(xué)試驗(yàn)，驗(yàn)證了超稀薄燃燒汽油機(jī)的燃燒、油耗和排放特性。

1 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

前期已在一款量產(chǎn)3 缸汽油發(fā)動機(jī)上完成了稀燃摸底測試[5]，本文采用原理相似的電暈點(diǎn)火系統(tǒng)，點(diǎn)火系統(tǒng)基本原理如圖1 所示，包括控制器，電暈點(diǎn)火器?？刂破魍ㄟ^常規(guī)蓄電池供電，接收ECU 點(diǎn)火信號，經(jīng)由控制器輸出給發(fā)動機(jī)點(diǎn)火器，點(diǎn)火器輸出能量控制通過設(shè)置控制器的輸出電壓和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行，電暈點(diǎn)火在未優(yōu)化燃燒系統(tǒng)特定點(diǎn)不同電壓下的稀燃極限趨勢，如圖2 所示。

圖1 高能點(diǎn)火系統(tǒng)原理圖

圖2 特定點(diǎn)電暈點(diǎn)火燃燒穩(wěn)定性趨勢

試驗(yàn)發(fā)動機(jī)為一款熱力學(xué)單缸機(jī)，針對燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了適配性設(shè)計(jì)，包括高滾流進(jìn)氣道，長沖程設(shè)計(jì)和超高壓縮比活塞，幾何壓縮比16。發(fā)動機(jī)整機(jī)參數(shù)如表1 所示。

通過Kistler 預(yù)埋式缸壓傳感器將缸壓信號檢測并傳遞到AVL 含電荷放大器的燃燒分析儀，通過燃燒分析軟件AVL Indicom 實(shí)時(shí)監(jiān)測缸壓、放熱率、燃燒相位等參數(shù)。通過ETAS-630 監(jiān)控排氣管處過量空氣系數(shù)，通過電暈點(diǎn)火系統(tǒng)控制軟件控制點(diǎn)火電壓和持續(xù)時(shí)間，改變點(diǎn)火能量，詳細(xì)的試驗(yàn)設(shè)備清單見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備清單

1.2 試驗(yàn)方案

綜合應(yīng)用高滾流比進(jìn)氣道、電暈點(diǎn)火、長沖程設(shè)計(jì)和超高壓縮比技術(shù)，試驗(yàn)內(nèi)容為固定工況點(diǎn)，從1.8 到2.6 進(jìn)行過量空氣系數(shù)掃點(diǎn)測試，獲得過量空氣系數(shù)與發(fā)動機(jī)燃燒、比油耗和排放的變化趨勢。在臺架試驗(yàn)過程中通過電暈控制系統(tǒng)控制點(diǎn)火能量（控制參數(shù)包括電暈起始電壓和點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間）以及點(diǎn)火提前角，確保均質(zhì)超稀薄混合氣的燃燒穩(wěn)定，單缸機(jī)試驗(yàn)邊界條件控制如表3 所示。

表3 試驗(yàn)邊界控制條件

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 過量空氣系數(shù)變化對燃燒的影響分析

圖3 所示為熱力學(xué)單缸發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min，平均指示壓力10 MPa 時(shí)，氣缸壓力、瞬時(shí)放熱率和燃燒相位隨過量空氣系數(shù)而變化的曲線。過量空氣系數(shù)限值提升可以達(dá)到2.3，此時(shí)燃燒循環(huán)波動率小于3%，在許可范圍內(nèi)。

a）不同過量空氣系數(shù)時(shí)最大爆發(fā)壓力

b）不同過量空氣系數(shù)時(shí)點(diǎn)火角

圖3 不同過量空氣系數(shù)燃燒特性比較

由圖3a 可以得出，在保持相同IMEP 情況下，增大過量空氣系數(shù)，最大爆發(fā)壓力持續(xù)升高。隨著過量空氣系數(shù)進(jìn)一步提高，因燃燒不穩(wěn)定，最大爆發(fā)壓力有下降的趨勢。

由圖3b 和圖c 可以看出，隨著過量空氣系數(shù)的增大，點(diǎn)火角提前以保證穩(wěn)定燃燒，得益于點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火能力及超稀燃抑制爆燃能力，燃燒重心的相位（CA50）基本維持在5°曲軸轉(zhuǎn)角附近，在過量空氣系數(shù)為2.25 時(shí)燃燒效率最優(yōu)。這是因?yàn)殡S著過量空氣系數(shù)的增大，稀薄燃油在氣缸內(nèi)的氣化冷卻效應(yīng)，降低了超高壓縮比下較高負(fù)荷爆燃傾向，使高壓縮比的效果顯現(xiàn)出來，可以改善燃油消耗量，超稀燃的絕熱指數(shù)增大，進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)理論循環(huán)的熱效率。當(dāng)過量空氣系數(shù)增大到一定值后，出現(xiàn)失火現(xiàn)象。發(fā)動機(jī)燃燒循環(huán)變動情況如圖4 所示，隨著過量空氣系數(shù)的進(jìn)一步增大，稀薄燃燒工況下的燃燒循環(huán)變動率增高，發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性變差，至2.35 以上時(shí)，燃燒循環(huán)變動大于3%，此時(shí)發(fā)動機(jī)燃燒失火嚴(yán)重。

圖4 COV 隨過量空氣系數(shù)的變化趨勢

2.2 過量空氣系數(shù)對油耗的影響分析

熱力學(xué)單缸發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min，指示平均壓力10 MPa 工況，指示燃油消耗率隨過量空氣系數(shù)的變化趨勢如圖5 所示。

圖5 指示燃油消耗率

隨著過量空氣系數(shù)的提高，高效的點(diǎn)火系統(tǒng)確保超稀薄混合氣的穩(wěn)定燃燒，通過調(diào)整點(diǎn)火角，燃燒相位在最優(yōu)位置，指示燃油消耗率下降，之后因燃燒不穩(wěn)定，指示燃油消耗量上升。在2 000 r/min，IMEP10 MPa，過量空氣系數(shù)為2.25 時(shí)獲得最低發(fā)動機(jī)指示燃油消耗率為170.5 g/（kW·h），此時(shí)指示熱效率約為49.5%（凈熱值42.65 MJ/kg）。

2.3 過量空氣系數(shù)變化對排放的影響分析

試驗(yàn)過程中將過量空氣系數(shù)由1.8 以步長0.5逐步提高至2.6，排氣溫度和NOx原始排放呈下降趨勢，點(diǎn)火角提前造成缸內(nèi)溫度升高，進(jìn)而使NOx排放相對于前期測試值偏高。在當(dāng)前邊界下，當(dāng)過量空氣系數(shù)＞2.3 時(shí)，NOx排放低于50×10-6，這是由于此時(shí)缸內(nèi)最高燃燒溫度低，進(jìn)而使NOx原始排放降低，處于比較低的水平。如圖6、圖7 所示。

圖6 排氣溫度隨過量空氣系數(shù)的變化趨勢

圖7 NOx 隨過量空氣系數(shù)的變化趨勢

3 結(jié)論

1）超高壓縮比與超稀薄燃燒結(jié)合，耦合電暈點(diǎn)火，可充分發(fā)揮高壓縮比和稀燃高絕熱指數(shù)的優(yōu)勢，有效降低發(fā)動機(jī)燃油消耗率。

2）超稀薄燃燒因缸內(nèi)最高溫度較低的特點(diǎn)，發(fā)動機(jī)可以獲得較低的NOx排放，在過量空氣系數(shù)＞2.3時(shí)，NOx原始排放可以降低至50×10-6以內(nèi)。

3）在熱力學(xué)單缸機(jī)上，應(yīng)用快速燃燒系統(tǒng)和電暈點(diǎn)火技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)過量空氣系數(shù)2.3 穩(wěn)定燃燒，在2 000 r/min 及IMEP 10 MPa，過量空氣系數(shù)2.25 時(shí)，發(fā)動機(jī)實(shí)測最低指示燃油消耗率為170.5 g/（kW·h），指示熱效率約為49.5%。在達(dá)到較低指示燃油消耗的同時(shí)，發(fā)動機(jī)的NOx原始排放水平處在較低的范圍內(nèi)。