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采用高能點火的均質(zhì)稀薄燃燒汽油機試驗

2020-08-27 21:37:56·  來源：內(nèi)燃機學(xué)報  
　
高效汽油機技術(shù)可以有效降低汽車燃油消耗和有害排放，是滿足未來油耗和排放法規(guī)的主流技術(shù)路線之一。稀薄燃燒可以提高缸內(nèi)混合氣的比熱比，降低缸內(nèi)燃燒溫度，從
高效汽油機技術(shù)可以有效降低汽車燃油消耗和有害排放，是滿足未來油耗和排放法規(guī)的主流技術(shù)路線之一。稀薄燃燒可以提高缸內(nèi)混合氣的比熱比，降低缸內(nèi)燃燒溫度，從而降低傳熱損失；更低的燃燒溫度有利于抑制爆震，可通過提前點火角以優(yōu)化燃燒相位或采用更高的壓縮比；在中、低負(fù)荷工況時，稀薄燃燒需要更大的節(jié)氣門開度以維持新鮮空氣進氣量，使負(fù)荷保持不降，降低發(fā)動機的泵氣損失功。稀薄燃燒被認(rèn)為是一種能夠有效提高汽油機燃油經(jīng)濟性的技術(shù)。為了評估高能點火對汽油機均質(zhì)稀薄燃燒過程的影響，本次推文通過一臺單缸汽油機分別研究了普通火花點火和高能點火對均質(zhì)稀薄燃燒過程的影響，分析了兩者燃油經(jīng)濟性、燃燒特性以及NOx排放特性的差異，以期為設(shè)計高效汽油機提供參考。
 
01、試驗臺架與試驗方法介紹
臺架配備了常規(guī)發(fā)動機試驗臺架的測功機、油耗儀等設(shè)備外，單缸機試驗臺架還需要配備增壓、冷卻和潤滑等設(shè)備。圖1為單缸機測試臺架原理示意，圖2為測試臺架現(xiàn)場。
 
圖1 單缸汽油機測試臺架原理示意
 
圖2 單缸汽油機測試臺架現(xiàn)場
為實現(xiàn)均質(zhì)超稀薄燃燒，引入高能點火系統(tǒng)；試驗采用兩家不同公司生產(chǎn)的電暈點火系統(tǒng)。因而單缸機試驗分為普通火花點火系統(tǒng)測試、高能點火系統(tǒng)A測試和高能點火系統(tǒng)B測試共3個階段。表1為普通火花點火和高能點火系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)?？紤]到高能點火效率遠(yuǎn)高于普通火花點火，高能點火的有效點火能量將遠(yuǎn)超過普通火花點火。
表1 火花點火和電暈點火主要技術(shù)參數(shù)
 
由于單缸機摩擦損失水平高于多缸機，單缸機臺架直接測得的平均有效壓力(BMEP)和有效燃油消耗率(BSFC)并不能直接與多缸機進行比較。因而采用能夠綜合反映發(fā)動機進氣、壓縮、膨脹和排氣4個沖程性能的平均指示壓力(IMEP)和指示燃油消耗率(ISFC)來評價單缸機性能。
 
02、普通火花點火系統(tǒng)測試
圖3示出當(dāng)n=3000r/min、IMEP=1.1MPa時，ISFC、CA10-90、CA50、COV以及NOx排放隨過量空氣系數(shù)φa的變化趨勢。隨著φa增加，ISFC呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在φa=1.44時ISFC=191.9g/(kW·h)，為最小值，相比于φa=1.0時ISFC=206.5g/(kW·h)，燃油消耗率降幅約為7.1%。產(chǎn)生變化的主要原因是：隨著φa增加，缸內(nèi)混合氣中N2和O2等雙原子分子占比增大，混合氣比熱容比逐漸增大，有利于提高熱效率，ISFC逐漸降低；但是φa增加會一定程度降低缸內(nèi)單位質(zhì)量混合氣所含的能量，使燃燒速度下降，表現(xiàn)為CA 10-90對應(yīng)的持續(xù)期變長，且COV逐漸變強。因而當(dāng)φa超過1.44時，燃燒過程迅速惡化，ISFC快速上升。
 
 
圖3 普通火花點火下參數(shù)隨過量空氣系數(shù)的變化
隨著φa升高，NOx排放先升高隨后快速降低。產(chǎn)生變化的主要原因是：NOx的生成量主要取決于燃燒溫度和燃燒產(chǎn)物中的氧濃度，而汽油機的φa又同時影響兩因素；在φa從當(dāng)量空燃比逐漸增大時，氧分壓增大的效果抵消了燃燒溫度下降的效果而有剩余，使NOx排放在φa=1.15時達到峰值；如果φa進一步增大，溫度下降的效果占優(yōu)勢，導(dǎo)致NOx排放生成量快速減少，在φa=1.44時NOx排放約為1260×10-6。在φa=1.63時，NOx排放降低到210×10-6，但此時燃燒不穩(wěn)定，COV超過限值。
 
03、高能點火系統(tǒng)A測試
 
將單缸機的點火系統(tǒng)從普通火花點火系統(tǒng)替換為高能點火系統(tǒng)A，其余硬件配置保持不變。圖4示出n=3000r/min、IMEP=1.1MPa時ISFC、CA 10-90、CA 50、COV、NOx排放以及Texh隨過量空氣系數(shù)φa的變化。隨著φa增加，ISFC呈先減小后增大的趨勢，并在φa=1.65時獲得最小值184.0g/(kW·h)。相比于普通火花點火系統(tǒng)，高能點火系統(tǒng)A能夠?qū)⒆罴?phi;a從1.45提升至1.65，ISFC從191.9g/(kW·h)降低至184.0g/(kW·h)，降幅達到4.1%。產(chǎn)生這種變化的主要原因是：相比于普通火花點火系統(tǒng)，高能點火系統(tǒng)A點火能量高，能夠快速點燃混合氣并提高燃燒速度，具體表現(xiàn)為在相同φa(φa=1.65)時，高能點火系統(tǒng)A能夠使CA10-90、CA50減小，且COV保持在2%左右。
采用高能點火系統(tǒng)A時，隨著φa增大，NOx排放的變化呈先增大后減小趨勢。該變化趨勢和采用火花點火時一致，但采用高能點火系統(tǒng)A時，由于高能點火系統(tǒng)A能夠在φa=1.72時依然保持穩(wěn)定燃燒，NOx排放可以降低為647×10-6。相比于采用普通火花點火且φa=1.44的工況，采用高能點火系統(tǒng)A時NOx排放降低48.7%。但是在相同的φa水平(φa=1.44)時，高能點火系統(tǒng)A對應(yīng)的NOx排放卻高于普通火花點火?？赡茉蚴歉吣茳c火系統(tǒng)A縮短了燃燒持續(xù)期，使缸內(nèi)放熱相對集中且靠前，最高燃燒溫度較高。這也導(dǎo)致了在相同的φa水平時，高能點火系統(tǒng)A對應(yīng)的排氣歧管溫度Texh低于普通火花點火(圖4f)。
作者同時將單缸機的點火系統(tǒng)從高能點火系統(tǒng)A替換為高能點火系統(tǒng)B，其余硬件配置保持不變，具體試驗數(shù)據(jù)及分析參見原文。
 
 
 
 
 
 
圖4 高能點火A參數(shù)隨過量空氣系數(shù)的變化
 
04、不同試驗結(jié)果對比
圖5為不同點火系統(tǒng)方案所能達到的最優(yōu)ISFC和NOx排放。高能點火系統(tǒng)B能夠最大程度提高點火能量，實現(xiàn)φa=1.94的均質(zhì)超稀薄燃燒，ISFC最低可達180.7g/(kW·h)，其對應(yīng)的指示熱效率為48.2%。同時，高能點火系統(tǒng)B在φa=1.94時NOx排放為360×10-6，而將φa拓展到2.00時，NOx排放則將進一步降低至188×10-6，但受限于燃燒過程惡化，此時發(fā)動機ISFC將增加至185.3 g/(kW·h)。
 
圖5 不同方案對應(yīng)的最優(yōu)ISFC和NOx排放
 
 
結(jié)論
 
(1)相比于普通火花點火，高能點火系統(tǒng)能夠有效拓寬汽油機均質(zhì)稀薄燃燒的空燃比極限。
(2) 采用高能點火系統(tǒng)A可以實現(xiàn) φ a=1.65的均質(zhì)稀薄燃燒。
(3) 采用點火能量更高的高能點火系統(tǒng)B可以實現(xiàn) φ a=1.94 的均質(zhì)超稀薄燃燒，ISFC最低為180.7 g/(kW·h)，其對應(yīng)的指示熱效率為48.2%。
(4) 將 φ a提升至2.00時，缸內(nèi)燃燒溫度大幅下降， NO x原始排放將降至188×10-6；但受限于燃燒過程惡化，此時ISFC將增加至185.3g/(kW·h)。
 
文獻來源及推薦閱讀
[1]蔡文遠(yuǎn),徐煥祥,馬帥營,王一戎.采用高能點火的均質(zhì)稀薄燃燒汽油機試驗[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2020,38(04):298-303
 
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