文章導(dǎo)讀

當(dāng)前量產(chǎn)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的最高熱效率一般為41%～43%，未來45%熱效率的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)成為追求的目標(biāo)。預(yù)燃室射流點(diǎn)火能提高燃燒速度、抑制爆震及擴(kuò)展稀燃極限，在改善汽油機(jī)熱效率方面具有一定潛力。為了探索和研究預(yù)燃室點(diǎn)火對(duì)汽油機(jī)燃燒和排放的影響規(guī)律，針對(duì)直噴汽油單缸機(jī)，本期推文筆者設(shè)計(jì)了一款預(yù)燃室點(diǎn)火系統(tǒng)，搭載在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上，進(jìn)行了預(yù)燃室內(nèi)混合氣狀態(tài)的優(yōu)化，并針對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)火、高能點(diǎn)火和預(yù)燃室點(diǎn)火對(duì)燃燒過程的影響進(jìn)行對(duì)比分析。

1. 試驗(yàn)裝置介紹

試驗(yàn)對(duì)象為一臺(tái)匹配35 MPa高壓供油系統(tǒng)的單缸、四沖程熱力學(xué)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)了一種帶噴油器和火花塞的主動(dòng)預(yù)燃室系統(tǒng)，安裝在單缸機(jī)缸蓋上。加裝預(yù)燃室后的發(fā)動(dòng)機(jī)采用射流點(diǎn)火模式，預(yù)燃室示意如圖1所示。

圖1 主動(dòng)預(yù)燃室示意

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)布置如圖2所示。單缸熱力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要包括一臺(tái)搭載主動(dòng)預(yù)燃室的單缸熱力學(xué)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、AVL PUMA瞬態(tài)測(cè)功機(jī)、AVL 515進(jìn)氣模擬增壓系統(tǒng)、油水恒溫控制單元、噴油控制單元及時(shí)序控制單元等系統(tǒng)組件。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)布置

2. 結(jié)果與分析

預(yù)燃室采用射流火焰技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)快速火焰?zhèn)鞑?，配合稀薄燃燒能極大提升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。因而探究在稀燃條件下主動(dòng)預(yù)燃室內(nèi)的噴油控制參數(shù)對(duì)燃燒和排放的影響具有重要意義。試驗(yàn)工況：轉(zhuǎn)速為2 750 r/min、IMEP為1.05 MPa，總體過量空氣系數(shù)為1.7。

圖3為燃燒循環(huán)變動(dòng)CoV隨?pre的變化。CoV受預(yù)燃室著火穩(wěn)定性和主燃燒室燃燒穩(wěn)定性共同影響，隨著?pre的變大，CoV 先下降后上升。當(dāng)?pre小于0.6時(shí)，預(yù)燃室內(nèi)混合氣超過濃燃極限，預(yù)燃室點(diǎn)火穩(wěn)定性大幅惡化，CoV急劇上升。當(dāng)?pre為1.24 時(shí)，CoV為4.34%，超過燃燒循環(huán)變動(dòng)3%的限制，受噴油器最小穩(wěn)定噴油脈寬的限制，?pre無法進(jìn)一步擴(kuò)大。預(yù)燃室穩(wěn)定運(yùn)行的?pre范圍為0.6～1.2。

圖3 燃燒循環(huán)變動(dòng)CoV隨?pre的變化

圖4為主燃燒室和預(yù)燃室壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。火花塞在壓縮上止點(diǎn)附近跳火，點(diǎn)燃預(yù)燃室內(nèi)混合氣，預(yù)燃室內(nèi)壓力急劇上升，明顯超過主燃燒室壓力，預(yù)燃室高溫混合氣通過噴孔射入主燃燒室，點(diǎn)燃主燃燒室混合氣，之后主燃燒室壓力與預(yù)燃室壓力融合，預(yù)燃室壓力與主燃燒壓力趨勢(shì)和大小基本一致。將最大壓差Δpmax定義為主燃燒室與預(yù)燃室的最大壓差，是表征預(yù)燃室點(diǎn)火性能的重要參數(shù)。

圖4 主燃燒室和預(yù)燃室內(nèi)的壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

圖5示出最大壓差、最大壓差時(shí)刻、CA 50、CA 10-90 以及總指示熱效率隨著?pre的變化。圖5a為最大壓差Δpmax及最大壓差時(shí)刻的變化。隨著?pre的變大，最大壓差Δpmax先變大后變小。在?pre為0.79時(shí)，Δpmax達(dá)到最大值為1.96 MPa。隨著過量空氣系數(shù)的上升，汽油的燃燒速度先上升后下降，在略濃工況附近達(dá)到最大。預(yù)燃室內(nèi)燃燒速度越快，放熱集中度越高，導(dǎo)致最大壓差Δpmax越大，而最大壓差Δpmax隨?pre的變化規(guī)律與燃燒速度隨過量空氣系數(shù)的變化規(guī)律一致。?pre為0.79 時(shí)，預(yù)燃室內(nèi)混合氣的燃燒速度最快，導(dǎo)致最大壓差Δpmax最大。不同?pre下，最大壓差時(shí)刻出現(xiàn)為-7.2°～-6.0° CA，?pre對(duì)最大壓差時(shí)刻出現(xiàn)影響較小。

圖5 最大壓差、最大壓差時(shí)刻、CA 50、CA 10-90 以及總指示熱效率隨?pre的變化

圖5b為CA 50與CA 10-90隨?pre的變化。?pre為0.79～1.11 時(shí)，預(yù)燃室形成的高速射流火焰有利于加快主燃燒室內(nèi)混合氣的燃燒速度，減少爆震，CA 50 均可控制在8° CA ATDC附近，燃燒持續(xù)期CA 10-90基本相當(dāng)。當(dāng)?pre小于0.70 或大于1.11時(shí)，燃燒持續(xù)期CA 10-90延長(zhǎng)，燃燒重心推后。燃燒持續(xù)期受預(yù)燃室射流點(diǎn)火性能、主燃燒室湍動(dòng)能和空燃比的共同影響，雖然?pre為0.79 時(shí)，預(yù)燃室內(nèi)Δpmax最大，但主燃燒室內(nèi)的混合氣較稀(過量空氣系數(shù)為1.7)限制了燃燒速度的進(jìn)一步提高，導(dǎo)致?pre為0.79～1.11 時(shí)燃燒持續(xù)期CA 10-90基本相當(dāng)。當(dāng)?pre小于0.70或大于1.11時(shí)，預(yù)燃室點(diǎn)火性能變?nèi)?，?dǎo)致主燃燒室燃燒速度變慢，抗爆震能力減弱，燃燒相位推后。

圖5c為總指示熱效率隨?pre的變化。?pre為0.92～1.07 時(shí)，總指示熱效率為47.2%～47.3%，相差較小?？傊甘緹嵝试?pre為1.00 時(shí)達(dá)到極大值47.3% 。預(yù)燃室內(nèi)汽油質(zhì)量占總噴油量的1.5% ～4.9%，雖然?pre為0.79 時(shí)有最好的點(diǎn)火性能，但預(yù)燃室內(nèi)噴入的燃油較多，噴霧碰壁導(dǎo)致未燃損失增加；另一方面，預(yù)燃室內(nèi)的高溫、高壓混合氣通過預(yù)燃室噴孔時(shí)有較強(qiáng)的節(jié)流損失，Δpmax越大節(jié)流損失越大。此外，預(yù)燃室內(nèi)較高的燃燒溫度增加了預(yù)燃室內(nèi)的傳熱損失，最終導(dǎo)致?pre為0.79 的總指示熱效率低于?pre為1.00的。

圖6為不同?pre下主燃燒室放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。當(dāng)?pre為0.79～1.17時(shí)，放熱峰值基本相當(dāng)，隨著?pre變小，放熱相位小幅提前。在預(yù)燃室內(nèi)混合氣較濃和較稀時(shí)(?pre為0.63和1.24時(shí))，放熱峰值減小，燃燒相位推遲。這主要受預(yù)燃室點(diǎn)火能力和主燃燒室稀薄程度共同影響，不同?pre產(chǎn)生的最大壓差Δpmax存在顯著差異，Δpmax越大射流火焰貫穿距越長(zhǎng)，火焰?zhèn)鞑シ秶酱蟆?

圖6 放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

文獻(xiàn)來源

[1]占文鋒,羅亨波,陳泓,等.預(yù)燃室射流點(diǎn)火對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2022,(03):193-199.