低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的燃燒穩(wěn)定性是制約汽油壓燃應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一。目前可以通過增壓和加熱策略、氣門策略(氣門重疊角或排氣門二次開啟等)等技術(shù)增加缸內(nèi)熱力學(xué)氛圍，提高燃料的活性或十六烷值，從而降低燃料著火對(duì)高缸內(nèi)熱力學(xué)氛圍的需求等，均可以提高低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性。但是這些辦法也具有局限性。因此，基于重型壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)開展汽油壓燃，尤其是低負(fù)荷下火花輔助汽油壓燃的研究，對(duì)重型發(fā)動(dòng)機(jī)汽油壓燃的商用、提高汽油利用率和平衡汽、柴油供給具有重要意義。基于此，筆者通過一臺(tái)6 缸重型柴油機(jī)改裝的單缸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行火花塞位置和燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并研究了進(jìn)氣節(jié)流條件下單次噴射的噴油時(shí)刻(SOI)、點(diǎn)火時(shí)刻(ST)和噴油壓力對(duì)火花輔助汽油壓燃低負(fù)荷燃燒的影響，以期為重型發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷汽油壓燃穩(wěn)定燃燒的實(shí)現(xiàn)及控制提供參考。

01試驗(yàn)設(shè)備和方法

圖1 為試驗(yàn)臺(tái)架示意。試驗(yàn)缸由空氣壓縮機(jī)和節(jié)氣門共同控制進(jìn)氣量。研究用火花輔助汽油壓燃重型單缸機(jī)是基于四氣門、高壓共軌柴油機(jī)改造而來。其詳細(xì)的試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法介紹見參考文獻(xiàn)[1]。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架示意

02試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 噴油和點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)火花輔助汽油壓燃燃燒的影響

圖2示出點(diǎn)火時(shí)刻為-22° CA ATDC 時(shí)不同噴油時(shí)刻的缸內(nèi)壓力和放熱率。缸內(nèi)峰值壓力隨噴油時(shí)刻提前先增大后減小，峰值壓力對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角先提前后滯后。當(dāng)噴油時(shí)刻為-30° CA ATDC 時(shí)，峰值壓力最高且對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角提前最多。各噴油時(shí)刻下的放熱率曲線呈比較典型的先火焰?zhèn)鞑ズ笞匀挤艧岬膬呻A段放熱規(guī)律。

圖2 噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)壓力和放熱率的影響

2.2 噴油壓力對(duì)火花輔助汽油壓燃燃燒的影響

為了更全面地分析噴油、點(diǎn)火參數(shù)對(duì)熱效率的影響，圖3 給出了火花輔助汽油壓燃的穩(wěn)定運(yùn)行范圍和最高熱效率點(diǎn)的燃燒放熱情況。不同噴油壓力下CoVIMEP＜5%的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噴油和點(diǎn)火時(shí)刻區(qū)域以及最高熱效率點(diǎn)如圖3a 所示。每個(gè)噴油壓力有特定的適合點(diǎn)火的噴油時(shí)刻范圍，40 MPa 時(shí)為-34° ～-28° CA ATDC、60 MPa 時(shí)為-34° ～-22° CA ATDC且80 MPa 時(shí)為-34°～-20° CA ATDC；不同噴油壓力下的保證穩(wěn)定燃燒的噴油和點(diǎn)火間隔不同，40 MPa時(shí)間隔為4°～16° CA、60 MPa 時(shí)為2°～18° CA 且80 MPa 時(shí)為2°～18° CA。提高噴油壓力可以拓寬同等循環(huán)油量下穩(wěn)定運(yùn)行的噴油和點(diǎn)火時(shí)刻范圍，最高熱效率點(diǎn)基本都位于各噴油壓力下的穩(wěn)定運(yùn)行范圍邊緣，即最短滯燃期所在噴油時(shí)刻(噴油壓力為40 MPa 時(shí)為-32° CA ATDC、60 MPa 時(shí)為-30° CA ATDC 且80 MPa 時(shí)為-28° CA ATDC)對(duì)應(yīng)的最晚點(diǎn)火時(shí)刻上。

圖3b 中，火焰?zhèn)鞑シ艧犭A段的放熱率隨噴油壓力升高而升高。圖3c 給出了3 個(gè)最高熱效率點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ルA段放熱與自燃階段放熱的占比。自燃著火時(shí)刻定義為放熱率增長(zhǎng)階段的二次微分的最大值，該時(shí)刻將放熱率分為火焰?zhèn)鞑シ艧徇^程和自燃放熱過程。3 個(gè)點(diǎn)從燃燒開始時(shí)刻到自燃放熱開始時(shí)刻經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角如下：40 MPa 為16.0° CA、60 MPa 為15.0° CA 且80 MPa 為15.5° CA，從CA 10 時(shí)刻到自燃放熱開始時(shí)刻經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角都是7.0° CA，但是火焰?zhèn)鞑ミ^程放熱占比隨噴油壓力升高而增大，說明提高噴油壓力可以加快同等水平下的火焰?zhèn)鞑シ艧崴俾?。?duì)于自燃放熱過程來說，并未出現(xiàn)非常高的自燃放熱率峰值，其最大壓力升高率也較低(40 MPa 為0.20 MPa/(°) CA 、60 MPa 為0.17 MPa/(°) CA 且80 MPa 為0.20 MPa/(°) CA)。熱效率隨噴油壓力提高而增大，主要是來自加速的火焰?zhèn)鞑ルA段，增加了燃燒的等容度(圖3a)。在筆者研究的工況下，通過噴油時(shí)刻和點(diǎn)火時(shí)刻的優(yōu)化，在噴油壓力為80 MPa 下達(dá)到了最高指示熱效率(33.89%） 。

圖3 穩(wěn)定運(yùn)行范圍和最高效率點(diǎn)

04參考文獻(xiàn)

[1]李揚(yáng),鄭尊清,陳鵬,等.重型發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷火花輔助汽油壓燃試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2022,(04):289-296.