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高燃燒效率——先進(jìn)預(yù)燃室點(diǎn)火技術(shù)解析

2020-05-13 23:28:12·  來(lái)源：汽車與新動(dòng)力  
　
目前，傳統(tǒng)的汽油機(jī)仍有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。研究人員可通過(guò)采用較高的壓力來(lái)改善汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放，而針對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)的改進(jìn)主要通過(guò)減小火花塞尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于
目前，傳統(tǒng)的汽油機(jī)仍有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。研究人員可通過(guò)采用較高的壓力來(lái)改善汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放，而針對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)的改進(jìn)主要通過(guò)減小火花塞尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。
 
 
 
                
 
對(duì)于傳統(tǒng)汽油機(jī)而言，預(yù)燃室具有更高的技術(shù)潛力，其目前已應(yīng)用于1級(jí)方程式賽車（Formula 1）等車型中。預(yù)燃室是在汽油機(jī)燃燒室內(nèi)部的1個(gè)小型燃燒室，可通過(guò)安裝1個(gè)傳統(tǒng)火花塞而實(shí)現(xiàn)。天納克（Tenneco）歐洲的工程經(jīng)理AlessandroPino對(duì)此解釋到，預(yù)燃室可通過(guò)小孔連接主燃燒室，可燃混合氣則在進(jìn)氣行程中進(jìn)入預(yù)燃室，并由火花塞點(diǎn)燃。混合氣點(diǎn)燃后形成的火焰鋒面從預(yù)燃室表面的小孔流出，并點(diǎn)燃主燃室中的可燃混合氣。燃燒室內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)火位置可使混合氣更快且更充分地進(jìn)行燃燒。研究人員可對(duì)汽油機(jī)的運(yùn)行特性圖進(jìn)行調(diào)整，以改善燃油經(jīng)濟(jì)性和功率。
           
2種布置型式
 
預(yù)燃室通常有2種設(shè)計(jì)型式。主動(dòng)型是在預(yù)燃室中采用1個(gè)額外的燃油或燃?xì)鈬娚淦?，從而?duì)可燃混合氣進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。被動(dòng)型則通過(guò)預(yù)燃室與主燃室之間的壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體交換。
馬勒公司的動(dòng)力總成部對(duì)汽油機(jī)預(yù)燃室技術(shù)有多年的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，旗下的研究人員目前正在從事馬勒射流點(diǎn)火（MJI）系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。從20世紀(jì)60年代末開(kāi)始，針對(duì)預(yù)燃室點(diǎn)火過(guò)程已開(kāi)展了一系列優(yōu)化，但研究人員則將更多精力集中于改善燃油經(jīng)濟(jì)性和排放過(guò)程，并通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)程序以分析更寬工況范圍內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性。到目前為止，汽油機(jī)預(yù)燃室技術(shù)已取得了一系列進(jìn)展。
馬勒總工程師Mike Bassett對(duì)此解釋到，馬勒方面的研發(fā)重點(diǎn)是使汽油機(jī)在過(guò)量空氣系數(shù)λ=1的狀態(tài)下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著實(shí)際駕駛排放（RDE）法規(guī)的引進(jìn)，盡管參與測(cè)試的某款汽油機(jī)依然有待優(yōu)化，但在寬廣的運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍下同樣能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。
 
MJI技術(shù)可使汽油機(jī)在λ=2的條件下同樣實(shí)現(xiàn)理想的燃燒效果，同時(shí)也改善了燃油經(jīng)濟(jì)性和排放過(guò)程。但當(dāng)λ值越接近2，可燃混合氣被點(diǎn)燃的難度也會(huì)相應(yīng)更高。
          
技術(shù)應(yīng)用
 
研究人員針對(duì)預(yù)燃室技術(shù)提供了相應(yīng)的優(yōu)化方案。以馬勒方面的研究成果為例，其已開(kāi)發(fā)出了主動(dòng)型和被動(dòng)型MJI系統(tǒng)。在主動(dòng)型MJI系統(tǒng)中，可通過(guò)噴油器以提高預(yù)燃室中的可燃混合氣濃度，點(diǎn)火后形成的熱自由基（hot radicals）在傳入主燃燒室后會(huì)形成多個(gè)著火點(diǎn)，從而可在λ=2的稀薄混合氣中產(chǎn)生強(qiáng)烈的燃燒過(guò)程。
該系統(tǒng)可有效減少平均有效燃油耗（BSFC）約15%或更多，但技術(shù)挑戰(zhàn)也悄然而至。預(yù)燃室專用的噴油器需要進(jìn)行專門開(kāi)發(fā)，并與后處理系統(tǒng)相匹配。因此，研究人員目前正在對(duì)被動(dòng)型MJI系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。但在該系統(tǒng)中，主燃燒室中的可燃混合氣會(huì)受到廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)的影響，從而減小了其著火范圍。
Basstt提到，在理論空燃比下進(jìn)行的點(diǎn)火能減少燃燒過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，由此能相應(yīng)提高EGR率。而通過(guò)EGR也能相應(yīng)優(yōu)化汽油機(jī)的抗爆燃性，使整機(jī)壓縮比可相應(yīng)增大，同時(shí)BSFC也減少了約10%。
馬自達(dá)為Skyactiv-X型發(fā)動(dòng)機(jī)配備了不同的點(diǎn)火方式。同時(shí)，該機(jī)型也被稱為世界上第1款投入量產(chǎn)的壓燃式汽油機(jī)，該系統(tǒng)內(nèi)混合氣的λ值約為2～3，并可實(shí)現(xiàn)類似于柴油機(jī)的壓燃點(diǎn)火方式。
 
目前，均質(zhì)壓燃（HCCI）技術(shù)已受到了廣大汽車制造商的關(guān)注，并據(jù)此開(kāi)展了相關(guān)研究，但早期的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在壓燃模式下會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)測(cè)的結(jié)果和不穩(wěn)定的燃燒過(guò)程。馬自達(dá)火花控制壓燃（SPCCI）系統(tǒng)可與傳統(tǒng)汽油機(jī)一樣使用傳統(tǒng)的點(diǎn)燃方式。該系統(tǒng)可使氣缸中充滿稀薄的可燃混合氣，并使混合氣在火花塞附近形成1個(gè)加濃區(qū)。通過(guò)火花塞點(diǎn)燃加濃混合氣，形成的火焰鋒面進(jìn)一步引燃剩余的未燃混合氣。
SPCCI模式僅會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工況下運(yùn)作。當(dāng)駕駛員需要更強(qiáng)的動(dòng)力性能時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)調(diào)整混合氣濃度，并切換到理論空燃比的運(yùn)轉(zhuǎn)工況下。SPCCI模式可使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，其在80%的工況范圍內(nèi)都可投入應(yīng)用，并使整機(jī)油耗改善達(dá)20%，同時(shí)顯著降低了CO2 和NO x 的排放量。
根據(jù)英國(guó)巴斯大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)與能源系統(tǒng)教授Jamie Turner博士的觀點(diǎn)，HCCI技術(shù)能為發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)潛在的優(yōu)勢(shì)，以此可有效改善整機(jī)油耗，并相應(yīng)降低NOx排放。
馬勒方面已對(duì)MJI技術(shù)進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)發(fā)，但目前仍未完全掌握該項(xiàng)技術(shù)。Turner認(rèn)為在4行程發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)有著較高難度。
         
適應(yīng)性探究
 
HCCI和預(yù)燃室技術(shù)仍有進(jìn)一步優(yōu)化的潛力。Tenneco動(dòng)力總成的Alessandro Pino對(duì)此解釋到，后者面臨的主要挑戰(zhàn)是需要研究人員提供更有效的參數(shù)設(shè)置，例如預(yù)燃室中噴嘴的位置、數(shù)量和尺寸對(duì)其布設(shè)高度較為敏感。通過(guò)調(diào)整上述元件，研究人員就能改變預(yù)燃室的工作狀態(tài)。
技術(shù)挑戰(zhàn)隨之而來(lái)，研究人員需要開(kāi)發(fā)1種有效的運(yùn)行方式，使發(fā)動(dòng)機(jī)可在所有工況和燃油策略下均實(shí)現(xiàn)合理運(yùn)行。難點(diǎn)在于，某一種設(shè)計(jì)方案可在某一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中充分發(fā)揮作用，但在其他機(jī)型中卻可能無(wú)法投入使用。盡管如此，預(yù)燃室依然有著較好的技術(shù)應(yīng)用潛力。
到目前為止，繼續(xù)保留火花塞對(duì)點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)依然有著重要意義，而未來(lái)汽油機(jī)應(yīng)用過(guò)程中所面臨的差異將是其選用的燃料。未來(lái)，汽油機(jī)很可能燃用碳中性（carbon neutral）的生物燃油或合成燃油（e-fuel）。就火花塞本身而言，其能為后續(xù)缸內(nèi)燃燒過(guò)程提供1個(gè)高能點(diǎn)火源。如果能在更低的成本下選配出具有更高點(diǎn)火能量的火花塞，該類產(chǎn)品將會(huì)很快得到應(yīng)用。
 
         
電氣化過(guò)程
 
Mike Bassett提到，對(duì)于傳統(tǒng)乘用車和高性能發(fā)動(dòng)機(jī)而言，普通混合動(dòng)力和插電式混合動(dòng)力將是未來(lái)數(shù)年內(nèi)汽車領(lǐng)域的重要技術(shù)發(fā)展方向。不僅如此，電氣化也能推動(dòng)新一代內(nèi)燃機(jī)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。預(yù)燃室所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)是需要設(shè)計(jì)出某個(gè)系統(tǒng)，使車用發(fā)動(dòng)機(jī)在寬廣的工況區(qū)域內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。而配備有雙離合變速箱或增程器的混合動(dòng)力系統(tǒng)，僅會(huì)在一些特定的工況下進(jìn)行運(yùn)作。
作者： ANDREW CHARMAN
整理：王少輝 
編輯：伍賽特
 
 
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