何海斌， 阮曉東， 吳 杰， 吳 鋒， 王 雷， 尹濟崇

(1. 浙江大學(xué)機械工程學(xué)院， 杭州 310027； 2. 寧波中策動力機電集團有限公司， 寧波 315033； 3. 杭州電子科技大學(xué)機械工程學(xué)院， 杭州 310002)

發(fā)展天然氣發(fā)動機是緩解能源危機，減輕環(huán)境污染的重要舉措[1]。目前，中外研究機構(gòu)及學(xué)者主要致力于天然氣發(fā)動機經(jīng)濟性與排放性能的提升研究[2]，其中，基于預(yù)燃室火花塞的湍流噴射點火燃燒系統(tǒng)得到了越來越多的關(guān)注。

預(yù)燃室火花塞[3]是在標(biāo)準火花塞基礎(chǔ)上集成了預(yù)燃室結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)預(yù)燃室火花點火燃燒。與標(biāo)準火花塞相比，該技術(shù)具有點火穩(wěn)定、能量大、燃燒速度快等優(yōu)點。將該技術(shù)應(yīng)用于稀薄燃燒的天然氣發(fā)動機，可實現(xiàn)高空燃比快速燃燒，有效擴展稀燃極限，提升發(fā)動機熱效率，同時降低NOx排放[4-5]。

目前，中外學(xué)者針對天然氣發(fā)動機湍流噴射點火燃燒系統(tǒng)中的預(yù)燃室火花塞技術(shù)開展了廣泛研究，Attard等[6]在0.6 L單缸發(fā)動機上的研究表明，預(yù)燃室火花點火系統(tǒng)能可靠點燃稀釋54%之后的天然氣，同時降低18%的氣耗率；Takashima等[7]通過一臺0.55 L的單缸發(fā)動機，研究了電極形狀、預(yù)燃室通道孔徑、預(yù)燃室材料、缸內(nèi)氣流等對缸內(nèi)燃燒及發(fā)動機性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)采用導(dǎo)熱性差的材料制作預(yù)燃室結(jié)構(gòu)時，可進一步擴展發(fā)動機稀燃極限；Shah等[8-10]利用發(fā)動機臺架試驗，證明了預(yù)燃室火花點火技術(shù)可有效提升發(fā)動機經(jīng)濟性與排放性，同時研究了重型天然氣發(fā)動機中預(yù)燃室體積、通道面積等對主燃燒室內(nèi)燃燒特性、排放特性的影響，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機排量對預(yù)燃室性能存在較大影響。

基于臺架試驗，現(xiàn)對一臺裝配預(yù)燃室火花塞的天然氣發(fā)動機缸內(nèi)燃燒特性、空燃比特性、點火提前角特性進行詳細研究。以期為預(yù)燃室火花塞技術(shù)的發(fā)展，以及該技術(shù)在車用天然氣發(fā)動機上的推廣應(yīng)用提供參考。

1 實驗臺架

搭建如圖1所示發(fā)動機實驗臺架。試驗過程中，通過DEWETRON公司生產(chǎn)的燃燒分析儀來采集并分析計算得到缸內(nèi)壓力、放熱率等缸內(nèi)燃燒信息，其采樣周期可達0.1 ℃A，可捕捉缸內(nèi)壓力波動的細節(jié)；通過安裝在發(fā)動機排氣管的ETAS-LA4空燃比測試儀，可實時監(jiān)測燃料燃燒的空燃比，為空燃比控制提供條件，其采樣頻率為2 Hz；利用電子控制單元ECU(electronic control unit)標(biāo)定系統(tǒng)，可實現(xiàn)點火提前角等控制參數(shù)的實時控制。

圖1 發(fā)動機臺架示意圖Fig.1 Schematic diagram of engine bench

發(fā)動機參數(shù)如表1所示，預(yù)燃室火花塞結(jié)構(gòu)如圖2所示，參數(shù)如表2所示。

表1 發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of engine

圖2 預(yù)燃室火花塞實物圖Fig.2 Structure of pre-chamber spark plug

表2 預(yù)燃室結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structure parameters of pre-chamber spark plug

2 試驗結(jié)果分析

2.1 燃燒特性比較

基于上述發(fā)動機實驗臺架，對比發(fā)動機轉(zhuǎn)速為800 r/min，節(jié)氣門開度為16.85%，點火提前角為12.75 ℃A時，采用普通火花塞與預(yù)燃室火花塞的缸內(nèi)燃燒特性，其試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 缸內(nèi)壓力與壓力升高率對比Fig.3 Comparison of in-cylinder pressure and pressure rise rate

圖4 缸內(nèi)放熱率與放熱量對比Fig.4 Comparison of heat release rate and heat release

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，采用預(yù)燃室火花塞之后，發(fā)動機缸內(nèi)最大壓力從3.374 MPa提高為3.792 MPa，提高了12.4%，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角從12.44 ℃A提早為10.39 ℃A；缸內(nèi)最大壓力升高率從0.133 MPa/ ℃A提高為0.173 MPa/ ℃A，提高了30%，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角從3.96 ℃A提早為1.73 ℃A。此外，發(fā)動機功率從40.9 kW提高到43.7 kW，提高了6.8%。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，采用預(yù)燃室火花塞之后，發(fā)動機缸內(nèi)最大缸內(nèi)速率從36.84 kJ/(m3· ℃A)提高到44.84 kJ/(m3· ℃A)，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角從6 ℃A提早到了4 ℃A；缸內(nèi)放熱量從854.6 kJ/m3提高到881.97 kJ/m3，提高了3.2%。此外，燃燒率為10%、50%與90%時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均有所提前，缸內(nèi)燃燒速率明顯增加。

2.2 空燃比特性

為研究空燃比對預(yù)燃室火花塞燃燒特性的影響，對發(fā)動機轉(zhuǎn)速800 r/min，節(jié)氣門開度16.85%，點火提前角12.75 ℃A的工況下，空燃比分別為1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25的燃燒特性進行了對比試驗，試驗結(jié)果如圖5～圖10所示。

圖5 動力性能對比Fig.5 Comparison of power performance

圖7 經(jīng)濟性能對比Fig.7 Comparison of economic performance

圖8 不同燃燒率對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角對比Fig.8 Comparison of crankshaft angles for different combustion rates

圖9 缸內(nèi)燃燒特性對比Fig.9 Comparison of in-cylinder combustion characteristics

圖10 NOx排放量對比Fig.10 Comparison of NOx emission

圖5為不同空燃比下，預(yù)燃室火花塞與普通火花塞動力性能對比。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機動力性能隨空燃比的增加而減小，當(dāng)空燃比為1.00～1.15時，預(yù)燃室火花塞的動力性均優(yōu)于普通火花塞，但當(dāng)空燃比提高到1.20時，兩者動力性相差不大，而當(dāng)空燃比繼續(xù)增大到1.25時，預(yù)燃室火花塞動力性急劇下降，此時，發(fā)動機出現(xiàn)明顯的失火現(xiàn)象，說明預(yù)燃室火花塞稀燃特性較普通火花塞有所下降。

圖6為不同空燃比下，預(yù)燃室火花塞與普通火花塞的缸內(nèi)最大壓力及對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的對比。從圖6中可以進一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空燃比為1.15時，雖然預(yù)燃室火花塞缸內(nèi)最大壓力仍大于普通火花塞，但最大壓力點對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角大于普通火花塞，說明此時預(yù)燃室火花塞缸內(nèi)燃燒速度有所減緩，燃燒出現(xiàn)失火征兆。當(dāng)空燃比為1.20時，預(yù)燃室火花塞缸內(nèi)最大壓力小于普通火花塞，說明燃燒進一步惡化，失火趨勢加大。上述試驗結(jié)果說明預(yù)燃室火花塞稀燃特性較普通火花塞有所下降。

圖7為不同空燃比下，預(yù)燃室火花塞與普通火花塞的經(jīng)濟性能的對比。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，兩種火花塞的燃氣消耗率隨著空燃比的增加，均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且當(dāng)空燃比為1.05時，其經(jīng)濟性能最佳。此外，當(dāng)空燃比為1.00～1.20時，預(yù)燃室火花塞經(jīng)濟性能均優(yōu)于普通火花塞。但當(dāng)空燃比增大為1.25時，由于預(yù)燃室火花塞缸內(nèi)失火，燃氣消耗率陡然增加為1 002.6 g/kW·h。

圖8為不同空燃比下，預(yù)燃室火花塞與普通火花塞缸內(nèi)燃燒率對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的對比。從圖8可以明顯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空燃比增大為1.20時，預(yù)燃室火花塞缸內(nèi)燃燒速率明顯減緩。

為進一步說明預(yù)燃室火花塞缸內(nèi)失火現(xiàn)象，本文詳細對比了空燃比為1.15及1.20時，發(fā)動機缸內(nèi)的燃燒壓力與放熱速率，如圖9所示。從圖9(a)可以看到，空燃比上升到1.20后，預(yù)燃室火花塞缸內(nèi)壓力小于普通火花塞，同時，從圖9(b)可以看到，預(yù)燃室火花塞放熱速率明顯小于普通火花塞。

圖10為不同空燃比下，預(yù)燃室火花塞與普通火花塞NOx排放量的對比。從圖上可以發(fā)現(xiàn)，兩種火花塞下，NOx排放量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且在空燃比為1.05附近時達到最大值。但預(yù)燃室火花塞的NOx排放量明顯高于普通火花塞，這是由于更快的燃燒速度提升了缸內(nèi)的燃燒溫度，為NOx的生成提供了有利環(huán)境。

綜上所示，相較于普通火花塞，預(yù)燃室火花塞可以有效提高缸內(nèi)燃燒壓力與燃燒速率，增強發(fā)動機動力性能，但由于缸內(nèi)燃燒溫度上升，導(dǎo)致NOx排放量有所增加。此外，采用預(yù)燃室火花塞會導(dǎo)致其稀燃性能有所下降，當(dāng)空燃比大于1.15時，缸內(nèi)出現(xiàn)失火現(xiàn)象。

2.3 點火提前角特性

為研究點火提前角對預(yù)燃室火花塞燃燒特性的影響，對發(fā)動機轉(zhuǎn)速800 r/min、節(jié)氣門開度16.85%、空燃比1.07的工況下，點火提前角分別為2.75、4.75、6.75、8.75、10.75、12.75、14.75、16.75 ℃A的缸內(nèi)燃燒特性進行了對比試驗。

圖11為不同點火提前角下，預(yù)燃室火花塞與普通火花塞的動力性能的對比。從圖11可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)燃室火花塞的動力性能均大于普通火花塞，且兩者動力性能隨著點火提前角的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。其中，普通火花塞在點火提前角為10.75 ℃A時達到最大值，功率為42.4 kW，而預(yù)燃室火花塞在點火提前角為8.75 ℃A時達到最大值，功率為44.2 kW，提升了4.2%。上述試驗結(jié)果表明，采用預(yù)燃室火花塞，可有效提升發(fā)動機動力性能，且最佳點火提前角有所減小。

圖11 動力性能對比Fig.11 Comparison of power performance

圖12為不同點火提前角下，預(yù)燃室火花塞與普通火花塞的缸內(nèi)最大壓力及對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的對比。從圖上可以明顯發(fā)現(xiàn)，預(yù)燃室火花塞缸內(nèi)最大壓力均大于普通火花塞，且兩者最大缸內(nèi)壓力均隨著點火提前角的增大而增大。此外，預(yù)燃室火花塞缸內(nèi)最大壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均小于普通火花塞，且兩者最大缸內(nèi)壓力對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角均隨著點火提前角的增大而減小。

圖12 缸內(nèi)最大壓力及對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角對比Fig.12 Comparison of the maximum pressure and the corresponding crankshaft angle

圖13為不同點火提前角下，預(yù)燃室火花塞與普通火花塞的經(jīng)濟性能的對比。從圖13中可以發(fā)現(xiàn)，兩種火花塞的燃氣消耗率隨著點火提前角的增加，均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，其中，普通火花塞在點火提前角為10.75 ℃A時經(jīng)濟性能達到最佳，其燃氣消耗率為195.63 g/(kW·h)，而預(yù)燃室火花塞在點火提前角為8.75 ℃A時達到最佳，燃氣消耗率為183.18 g/(kW·h)，經(jīng)濟性提升了6.4%。

圖13 經(jīng)濟性能對比Fig.13 Comparison of economic performance

圖14為不同點火提前角下，預(yù)燃室火花塞與普通火花塞缸內(nèi)燃燒率對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的對比。從圖14可以明顯發(fā)現(xiàn)，預(yù)燃室火花塞缸內(nèi)燃燒速率明顯大于普通火花塞。

圖14 不同燃燒率對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角對比Fig.14 Comparison of crankshaft angles for different combustion rates

為進一步說明點火提前角對缸內(nèi)燃燒特性的影響，詳細對比了點火提前角為8.75、12.75、16.75 ℃A時，發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力與放熱速率，如圖15和圖16所示。從圖15可以看到，隨著點火提前角增大，缸內(nèi)壓力曲線整體向左移動，且最大壓力值顯著增加。從圖16可以看到，隨著點火提前角增大，放熱曲線亦呈現(xiàn)整體向左移動趨勢，但最大放熱速率變化并不明顯。

圖15 缸內(nèi)壓力對比Fig.15 Comparison of in-cylinder pressure

圖16 放熱速率對比Fig.16 Comparison of heat release rate

圖17為不同點火提前角下，預(yù)燃室火花塞與普通火花塞NOx排放量的對比。從圖17可以發(fā)現(xiàn)，隨著點火提前角的增大，缸內(nèi)燃燒溫度不斷上升，導(dǎo)致NOx排放量逐漸升高。此外，由于預(yù)燃室火花塞具有更快的燃燒速度、更高的燃燒溫度，因此，其NOx排放量明顯高于普通火花塞。

圖17 NOx排放量對比Fig.17 Comparison of NOx emission

綜上所示，相較于普通火花塞，預(yù)燃室火花塞可以有效提高缸內(nèi)燃燒壓力與燃燒速率，增強發(fā)動機動力性能，且其最佳點火提前角有所減小。

3 結(jié)論

(1)相較于普通火花塞，預(yù)燃室火花塞可以有效提高缸內(nèi)燃燒壓力與燃燒速率，增強發(fā)動機動力性能，但同時會增大缸內(nèi)壓力升高率，導(dǎo)致工作粗暴。

(2)預(yù)燃室火花塞在提高缸內(nèi)燃燒壓力與燃燒速率的同時，會導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度上升，為NOx的生成提供有利條件，從而導(dǎo)致NOx排放量升高。

(3)由于預(yù)燃室內(nèi)燃燒產(chǎn)物的積累，對可燃混合氣形成稀釋作用，抑制點火，因此，其稀燃特性有所下降，當(dāng)提高空燃比時，更容易出現(xiàn)失火現(xiàn)象。

(4)相較于普通火花塞，預(yù)燃室火花塞經(jīng)濟性能更加優(yōu)越，且最佳點火提前角有所減小。