陳 泓,李鈺懷,羅亨波,杜家坤,江梟梟,王 磊
(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院,廣州 511434)
目前,量產(chǎn)汽油機(jī)的有效熱效率通常在38.0%~41.5%之間,受油耗法規(guī)的要求,未來45%甚至更高有效熱效率的汽油機(jī)成為發(fā)展方向[1-2]。加快燃燒速度,提高等容度,同時(shí)抑制爆震是提高汽油機(jī)熱功轉(zhuǎn)化效率的有效手段,預(yù)燃室點(diǎn)火技術(shù)能提高點(diǎn)火的穩(wěn)定性,增加缸內(nèi)著火點(diǎn),是未來超高熱效率汽油發(fā)動(dòng)機(jī)最有希望采用的技術(shù)之一[3]。1918年Ricardo Dolphin開發(fā)了世界上第一款預(yù)燃室發(fā)動(dòng)機(jī),此后,預(yù)燃室技術(shù)主要在柴油機(jī)和氣體發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用[4]。近年來,隨著汽油機(jī)對(duì)熱效率和動(dòng)力性的雙重追求,乘用車汽油機(jī)預(yù)燃室的研究逐漸增多[1]。
預(yù)燃室點(diǎn)火技術(shù)通過點(diǎn)燃預(yù)燃室空腔內(nèi)的可燃混合氣,使預(yù)燃室內(nèi)高溫高壓混合氣通過小孔噴向主燃燒室,從而實(shí)現(xiàn)主燃燒室的點(diǎn)火燃燒[5-7]。預(yù)燃室主要通過以下3個(gè)方面實(shí)現(xiàn)快速而穩(wěn)定的燃燒:噴出的圓錐形高溫高壓混合氣提高了點(diǎn)火面積;經(jīng)過預(yù)燃室小孔噴出的火焰發(fā)生淬熄,產(chǎn)生的高活性燃燒中間產(chǎn)物提高燃燒速度;預(yù)燃室內(nèi)的混合氣在高速噴進(jìn)主燃燒室時(shí)提高了主燃燒室的湍動(dòng)能[8-10]。
國內(nèi)方面,文獻(xiàn)[11]中在一臺(tái)柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)了液化石油氣預(yù)燃室的開發(fā)。文獻(xiàn)[12]中在可視的快速壓縮機(jī)上進(jìn)行了被動(dòng)預(yù)燃室的研究,結(jié)果表明與傳統(tǒng)火花點(diǎn)火相比,燃燒持續(xù)期可縮短60%~70%。文獻(xiàn)[13]中基于計(jì)算流體力學(xué)程序耦合動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃室系統(tǒng),結(jié)果表明射流火焰與壁面接觸會(huì)造成燃燒效率下降,缸內(nèi)湍動(dòng)能減小。國內(nèi)對(duì)預(yù)燃室的研究主要集中在氣體發(fā)動(dòng)機(jī)、快壓機(jī)、數(shù)值模擬等方面,而預(yù)燃室在汽油機(jī)上的研究鮮有報(bào)道。國外方面,文獻(xiàn)[14]中在一臺(tái)大程徑比(1.5)、高壓縮比(16)的汽油單缸機(jī)上進(jìn)行了預(yù)燃室與燃燒系統(tǒng)匹配研究,在稀燃模式下實(shí)現(xiàn)了47.2%的有效熱效率,同時(shí)NOx排放小于50×10-6。文獻(xiàn)[15-17]中對(duì)預(yù)燃室的結(jié)構(gòu)、燃燒、排放和油耗等進(jìn)行了持續(xù)全面的研究,實(shí)現(xiàn)了41.4%的有效熱效率,稀燃極限擴(kuò)展至空燃比 2.1,燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化了10%~20%,同時(shí)取得了超低的NOx排放。文獻(xiàn)[18]中通過試驗(yàn)和模擬對(duì)預(yù)燃室結(jié)構(gòu)與預(yù)燃室內(nèi)部流場(chǎng)、活塞形狀的關(guān)系進(jìn)行了研究,結(jié)果表明斜向噴孔有利于提高點(diǎn)火的穩(wěn)定性,降低預(yù)燃室點(diǎn)火對(duì)主燃燒室的湍動(dòng)能需求。文獻(xiàn)[19-20]中在定容彈上研究了預(yù)燃室內(nèi)不同溫度、壓力、當(dāng)量比下H2、CH4等燃料的燃燒機(jī)理,為預(yù)燃室的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。
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,本研究中針對(duì)小型渦輪增壓直噴汽油機(jī)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)行了傳統(tǒng)點(diǎn)火和預(yù)燃室點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究, 探究被動(dòng)預(yù)燃室點(diǎn)火的低速外特性和中轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性的燃燒特性、經(jīng)濟(jì)性、排放特性,為被動(dòng)預(yù)燃室產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
試驗(yàn)研究對(duì)象為一款1.5 L直列4缸廢氣渦輪增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī),功率密度91 kW/L,轉(zhuǎn)矩密度181 (N·m)/L,滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn),小型強(qiáng)化程度較高,燃燒系統(tǒng)熱負(fù)荷大。該款發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)如表1所示。為了加快缸內(nèi)油氣快速燃燒,提高燃油經(jīng)濟(jì)性并有效抑制爆震,設(shè)計(jì)了一款預(yù)燃室系統(tǒng),并將其安裝在該發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上,與燃燒系統(tǒng)匹配以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火提前角大幅度提前的射流點(diǎn)火。
加裝預(yù)燃室后的發(fā)動(dòng)機(jī)采用射流點(diǎn)火模式,燃燒系統(tǒng)示意圖如圖1所示。在進(jìn)氣行程中,燃料通過直噴進(jìn)入氣缸與空氣混合形成均質(zhì)混合氣,在壓縮過程中,預(yù)燃室內(nèi)被充入可燃混合氣,隨后火花塞跳火點(diǎn)燃預(yù)燃室混合氣,燃料燃燒使預(yù)燃室的壓力升高,裹挾活性基團(tuán)的火焰射流通過預(yù)燃室小孔噴入氣缸,在主燃室形成多個(gè)均勻分布的著火點(diǎn),極大提升了燃燒速度,改善了燃燒過程。
圖1 汽油機(jī)預(yù)燃室燃燒系統(tǒng)示意圖
圖2 預(yù)燃室示意圖
預(yù)燃室容積為1.3 mL,占主燃室余隙容積的3%,與主燃室通過4個(gè)小孔連通,4個(gè)小孔成對(duì)稱周向分布,孔徑為1.5 mm,孔面積與孔體積比為0.85 mm-1,不相鄰兩孔噴出的射流火焰夾角成140°。預(yù)燃室設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。
試驗(yàn)用臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)由FEV公司提供,采用AVL的曲軸信號(hào)解碼器和KISTLER公司的打孔式缸壓傳感器,預(yù)燃室缸壓傳感器與火花塞集成,形成汽油機(jī)預(yù)燃室燃燒過程雙缸壓采集系統(tǒng),其他的主要設(shè)備有油耗儀、試驗(yàn)環(huán)境維持系統(tǒng)、排放分析儀等。試驗(yàn)臺(tái)架布置圖如圖3所示,圖中TWC為三效催化器(three-way catalyst),EGR為廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation)。測(cè)試用主要儀器設(shè)備規(guī)格與型號(hào)見表2。
圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)布置
表2 臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)主要儀器設(shè)備規(guī)格與型號(hào)
本試驗(yàn)的主要目標(biāo)是研究汽油機(jī)集成預(yù)燃室燃燒室后改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程和排放性能的潛力,同時(shí)聚焦分析燃燒速度加快對(duì)改善有效燃油消耗率的效果。
在低速高負(fù)荷時(shí),由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低導(dǎo)致燃燒速度慢,爆震和早燃的趨勢(shì)嚴(yán)重,因此選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min、平均有效壓力(brake mean effective pressure, BMEP) 2 MPa(100%負(fù)荷率)為預(yù)燃室系統(tǒng)燃燒過程研究工況點(diǎn)。此外進(jìn)行2 000 r/min下0.5 MPa(25%負(fù)荷率)、0.8 MPa(40%負(fù)荷率)、1.2 MPa(60%負(fù)荷率)、1.6 MPa(80%負(fù)荷率)負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn),研究預(yù)燃室燃燒系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性的影響。
試驗(yàn)過程中控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)在3%以內(nèi),選取各個(gè)工況最優(yōu)點(diǎn)火角即最大轉(zhuǎn)矩的最小點(diǎn)火提前角(minimum spark advance for best torque,MBT)進(jìn)行試驗(yàn)。缸內(nèi)最大壓升率不超過0.6 MPa/(°),循環(huán)變動(dòng)率(coefficient of variation, COV)控制在3%以內(nèi)。增壓水冷中冷器后的進(jìn)氣溫度保持(35±2) ℃,冷卻水溫度保持(88±2) ℃,燃油為92號(hào)汽油,進(jìn)氣壓力為100 kPa,排放測(cè)試按照GB 17691—2005《車用點(diǎn)燃式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》進(jìn)行,有效熱效率計(jì)算時(shí)所采用的燃料熱值為42.5 MJ/kg。為了研究分析汽油機(jī)預(yù)燃室方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的影響,定義缸內(nèi)累積放熱量達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角(50% mass fraction burned, MFB50)為燃燒相位,缸內(nèi)累積放熱量從10%達(dá)到90%的曲軸轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)角(MFB10-90)為燃燒持續(xù)期;同時(shí)定義每度曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的壓力升高量為壓升率。
汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在1 500 r/min外特性工況、缸內(nèi)平均有效壓力為2 MPa時(shí),分別進(jìn)行了加裝預(yù)燃室點(diǎn)火和原機(jī)傳統(tǒng)點(diǎn)火過程的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)最高燃燒壓力測(cè)試(其中發(fā)動(dòng)機(jī)以預(yù)燃室點(diǎn)火時(shí)同時(shí)測(cè)試了預(yù)燃室壓力與主燃室壓力)、不同點(diǎn)火方式的放熱率曲線,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
圖4 低速外特性缸內(nèi)壓力和放熱率
現(xiàn)代小型渦輪增壓直噴汽油機(jī)的強(qiáng)化程度高且低速轉(zhuǎn)矩大,為了獲得極致的低速轉(zhuǎn)矩,燃燒相位通常推遲到著火上止點(diǎn)后30°曲軸轉(zhuǎn)角左右,原機(jī)傳統(tǒng)點(diǎn)火過程在該工況點(diǎn)的MFB50為上止點(diǎn)后33.2°,有效燃油消耗率為308 g/(kW·h),缸內(nèi)最大壓力升高率達(dá)到0.29 MPa/(°);而加裝預(yù)燃室后,燃燒速度得到較大提升,其MFB50提前到上止點(diǎn)后26.1°,同時(shí)有效燃油消耗率下降到284 g/(kW·h),壓力升高率增加到0.38 MPa/(°)。預(yù)燃室點(diǎn)火放熱率峰值為426 kJ/(m3·(°)),傳統(tǒng)點(diǎn)火放熱率峰值為297 kJ/(m3·(°)),預(yù)燃室點(diǎn)火的放熱率峰值變大,放熱相位明顯提前。
從圖4可分析加裝預(yù)燃室后性能的改善和變化。原機(jī)傳統(tǒng)點(diǎn)火中,受限于低速高負(fù)荷流動(dòng)弱導(dǎo)致的火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷c熱負(fù)荷重,爆震極限的燃燒相位非??亢螅c(diǎn)火提前角在上止點(diǎn)后10°附近,燃燒室內(nèi)峰值壓力出現(xiàn)在曲軸轉(zhuǎn)角36°附近,整個(gè)燃燒過程發(fā)生在較為靠后的膨脹行程,嚴(yán)重影響了低速功率的發(fā)揮與燃油經(jīng)濟(jì)性。預(yù)燃室燃燒則可以采用接近上止點(diǎn)的點(diǎn)火提前角,跳火后預(yù)燃室的混合氣著火,壓力快速升高,預(yù)燃室壓力進(jìn)程出現(xiàn)第二個(gè)峰值(第一個(gè)壓力峰值出現(xiàn)在壓縮上止點(diǎn));而由于活塞的快速下行,主燃室壓力略微下降;隨著預(yù)燃室混合氣燃燒帶來的壓力升高,大量的活性反應(yīng)基團(tuán)通過預(yù)燃室上的小孔噴出,形成射流火焰,在主燃室內(nèi)沿周向均勻分布的4個(gè)點(diǎn)位形成著火點(diǎn),使主燃室內(nèi)的混合氣從燃燒室邊緣向中心迅速燃燒,缸內(nèi)最高燃燒壓力快速升高,峰值燃燒壓力相比原機(jī)增加,此時(shí)預(yù)燃室與主燃室的壓力基本達(dá)到平衡,出現(xiàn)了第三個(gè)壓力峰值。由此可見,預(yù)燃室加速的燃燒過程改善了爆震極限,同時(shí)高等容度的燃燒改善了燃油經(jīng)濟(jì)性,為低速轉(zhuǎn)矩的增加提供了潛力。
2.2.1 預(yù)燃室對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響
在2 000 r/min下,汽油機(jī)運(yùn)行在0.5 MPa、0.8 MPa、1.2 MPa、1.6 MPa負(fù)荷時(shí),分別進(jìn)行了傳統(tǒng)點(diǎn)火和預(yù)燃室點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒特性、經(jīng)濟(jì)性對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果如圖5~圖 7所示。
圖5 傳統(tǒng)點(diǎn)火與預(yù)燃室點(diǎn)火經(jīng)濟(jì)性對(duì)比
圖6 傳統(tǒng)點(diǎn)火與預(yù)燃室點(diǎn)火燃燒特性對(duì)比
圖7 傳統(tǒng)點(diǎn)火與預(yù)燃室點(diǎn)火循環(huán)變動(dòng)特性對(duì)比
從圖5可知,汽油機(jī)0.5 MPa、0.8 MPa低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),預(yù)燃室點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率略有上升,當(dāng)負(fù)荷大于0.8 MPa時(shí),預(yù)燃室點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性改善明顯,有效燃油消耗率最高下降約7 g/(kW·h)。傳統(tǒng)點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)在2 000 r/min的負(fù)荷特性最優(yōu)油耗點(diǎn)負(fù)荷為0.8 MPa,有效熱效率為36.9%,而加裝預(yù)燃室后最優(yōu)油耗點(diǎn)負(fù)荷遷移到1.2 MPa,此時(shí)預(yù)燃室汽油機(jī)的有效熱效率達(dá)到37.5%,這表明預(yù)燃室點(diǎn)火有利于發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷燃油經(jīng)濟(jì)性的改善。從圖6和圖7可以看出,預(yù)燃室點(diǎn)火在整個(gè)試驗(yàn)的負(fù)荷范圍內(nèi)有效改善了汽油機(jī)的燃燒循環(huán)變動(dòng),并縮短了燃燒持續(xù)期;低負(fù)荷時(shí)燃燒相位基本沒有變化,高負(fù)荷時(shí)燃燒相位有較大幅度的提前。
預(yù)燃室燃燒不同于傳統(tǒng)點(diǎn)火的火焰?zhèn)鞑ミ^程決定了其獨(dú)特的燃燒特性和經(jīng)濟(jì)性變化規(guī)律。低負(fù)荷時(shí)整個(gè)燃燒室的熱負(fù)荷很低,用傳統(tǒng)點(diǎn)火就可以將燃燒相位控制在理想的上止點(diǎn)后8°附近,使熱功轉(zhuǎn)化過程最優(yōu)。0.5 MPa、0.8 MPa負(fù)荷下,預(yù)燃室點(diǎn)火雖然縮短了燃燒持續(xù)期,但是燃燒重心已經(jīng)達(dá)到上止點(diǎn)后8°的極限,無法改善燃燒相位,而預(yù)燃室點(diǎn)火的多點(diǎn)火焰?zhèn)鞑ツJ礁纳屏巳紵h(huán)變動(dòng)。此外中低負(fù)荷工況爆震趨勢(shì)小,預(yù)燃室抑制爆震的能力未能體現(xiàn)。然而在燃燒相位沒有改善的狀態(tài)下,預(yù)燃室點(diǎn)火增大了整個(gè)燃燒室的面容比,傳熱損失增加,導(dǎo)致低負(fù)荷時(shí)預(yù)燃室點(diǎn)火的比油耗相比傳統(tǒng)點(diǎn)火略有上升。高負(fù)荷時(shí),預(yù)燃室點(diǎn)火的比油耗、燃燒相位、燃燒持續(xù)期和循環(huán)變動(dòng)均獲得了明顯的改善。這主要是由于預(yù)燃室預(yù)先著火后,噴出的射流在主燃室邊緣形成多個(gè)著火點(diǎn),大大加速了火焰?zhèn)鞑ニ俣?,燃燒迅速完成,燃燒等容度得到提升,雖然壓升率的增加導(dǎo)致摩擦功有一定程度的上升,但此時(shí)燃燒相位的改善起主導(dǎo)作用,最終使預(yù)燃室點(diǎn)火的比油耗下降。此外,對(duì)于小型增壓強(qiáng)化汽油機(jī),在 2 000 r/min 負(fù)荷特性下,最低油耗的負(fù)荷受爆震限制較大,預(yù)燃室點(diǎn)火可以大大增強(qiáng)燃燒系統(tǒng)的抗爆性,因此最高熱效率負(fù)荷向高負(fù)荷方向移動(dòng)。
2.2.2 預(yù)燃室對(duì)NOx排放特性的影響
由前面的分析可知,預(yù)燃室點(diǎn)火燃燒速度大幅度提升,引起最高燃燒壓力和溫度增加,試驗(yàn)對(duì)比研究了預(yù)燃室點(diǎn)火相比傳統(tǒng)點(diǎn)火在2 000 r/min負(fù)荷特性時(shí)的NOx排放變化規(guī)律,如圖8所示。
圖8 傳統(tǒng)點(diǎn)火與預(yù)燃室點(diǎn)火的NOx排放對(duì)比
由圖8可知,低負(fù)荷(0.5 MPa、0.8 MPa)運(yùn)行時(shí),相比于傳統(tǒng)點(diǎn)火,預(yù)燃室點(diǎn)火的NOx排放略有上升,而高負(fù)荷時(shí)預(yù)燃室點(diǎn)火的NOx排放量大幅上升,最高上升幅度約15%。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)NOx生成的條件是高溫、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間,改變?nèi)我粭l件將直接影響NOx的生成量。相比于傳統(tǒng)點(diǎn)火,預(yù)燃室點(diǎn)火在低負(fù)荷時(shí)縮短了燃燒持續(xù)期,略微增加了缸內(nèi)NOx的生成量;高負(fù)荷(1.2 MPa和1.6 MPa)時(shí),由于預(yù)燃室點(diǎn)火大大提升了缸內(nèi)壓力升高率,燃燒等容度提高,使最高燃燒溫度上升,因此NOx排放有較大幅度上升。
2.2.3 預(yù)燃室對(duì)HC排放特性的影響
采用與發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放對(duì)比研究時(shí)相同的負(fù)荷運(yùn)行特性,進(jìn)行不同負(fù)荷HC的排放特性測(cè)試,結(jié)果如圖9所示。
圖9 傳統(tǒng)點(diǎn)火與預(yù)燃室點(diǎn)火的HC排放對(duì)比
圖9表明在試驗(yàn)的負(fù)荷范圍內(nèi),預(yù)燃室點(diǎn)火的HC排放低于傳統(tǒng)點(diǎn)火,最高下降幅度約36%。汽油機(jī)形成HC排放主要有3個(gè)要素:狹縫效應(yīng)、燃燒不完全性和后期氧化過程。采用預(yù)燃室點(diǎn)火技術(shù)時(shí),燃燒持續(xù)期縮短,火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?,燃燒溫度更高,燃燒更加完全,促使HC排放下降。
2.2.4 預(yù)燃室對(duì)CO排放特性的影響
預(yù)燃室對(duì)CO排放特性的影響見圖10 。CO生成量與缸內(nèi)過量空氣系數(shù)強(qiáng)相關(guān),在試驗(yàn)工況范圍內(nèi),無論是預(yù)燃室點(diǎn)火還是傳統(tǒng)點(diǎn)火,混合氣濃度均為化學(xué)計(jì)量空燃比,因此CO排放無明顯的差異。預(yù)燃室點(diǎn)火的CO排放在中高負(fù)荷略微降低的原因可能是整個(gè)燃燒過程的加速改善了CO的氧化環(huán)境。
圖10 傳統(tǒng)點(diǎn)火與預(yù)燃室點(diǎn)火的CO排放對(duì)比
(1) 在1 500 r/min低速外特性工況下,相比傳統(tǒng)點(diǎn)火方式,采用預(yù)燃室點(diǎn)火技術(shù)后燃燒相位提前7.1°曲軸轉(zhuǎn)角,有效燃油消耗率下降24 g/(kW·h),缸內(nèi)最大壓力升高率增大0.09 MPa/(°)。
(2) 在2 000 r/min負(fù)荷特性工況下,相比傳統(tǒng)點(diǎn)火方式,采用預(yù)燃室點(diǎn)火技術(shù)后燃燒持續(xù)期均縮短,燃燒循環(huán)變動(dòng)獲得改善;低負(fù)荷時(shí)燃燒相位不變且比油耗略微上升,高負(fù)荷時(shí)燃燒相位提前較多且比油耗最多下降7 g/(kW·h)。
(3) 對(duì)于NOx、HC、CO排放,由于預(yù)燃室點(diǎn)火燃燒等容度提升的原因,相較于傳統(tǒng)點(diǎn)火,NOx排放最多升高約15%,HC排放最多下降約36%,CO排放量變化規(guī)律不明顯。