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采用高能點(diǎn)火的均質(zhì)稀薄燃燒汽油機(jī)試驗(yàn)
2020-08-27 21:37:56· 來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)
高效汽油機(jī)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(jī)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(diǎn)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(shí)，稀薄燃燒需要更大的節(jié)氣門開度以維持新鮮空氣進(jìn)氣量，使負(fù)荷保持不降，降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)。為了評(píng)估高能點(diǎn)火對(duì)汽油機(jī)均質(zhì)稀薄燃燒過程的影響，本次推文通過一臺(tái)單缸汽油機(jī)分別研究了普通火花點(diǎn)火和高能點(diǎn)火對(duì)均質(zhì)稀薄燃燒過程的影響，分析了兩者燃油經(jīng)濟(jì)性、燃燒特性以及NOx排放特性的差異，以期為設(shè)計(jì)高效汽油機(jī)提供參考。
01、試驗(yàn)臺(tái)架與試驗(yàn)方法介紹
臺(tái)架配備了常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的測(cè)功機(jī)、油耗儀等設(shè)備外，單缸機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架還需要配備增壓、冷卻和潤(rùn)滑等設(shè)備。圖1為單缸機(jī)測(cè)試臺(tái)架原理示意，圖2為測(cè)試臺(tái)架現(xiàn)場(chǎng)。
圖1 單缸汽油機(jī)測(cè)試臺(tái)架原理示意
圖2 單缸汽油機(jī)測(cè)試臺(tái)架現(xiàn)場(chǎng)
為實(shí)現(xiàn)均質(zhì)超稀薄燃燒，引入高能點(diǎn)火系統(tǒng)；試驗(yàn)采用兩家不同公司生產(chǎn)的電暈點(diǎn)火系統(tǒng)。因而單缸機(jī)試驗(yàn)分為普通火花點(diǎn)火系統(tǒng)測(cè)試、高能點(diǎn)火系統(tǒng)A測(cè)試和高能點(diǎn)火系統(tǒng)B測(cè)試共3個(gè)階段。表1為普通火花點(diǎn)火和高能點(diǎn)火系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)。考慮到高能點(diǎn)火效率遠(yuǎn)高于普通火花點(diǎn)火，高能點(diǎn)火的有效點(diǎn)火能量將遠(yuǎn)超過普通火花點(diǎn)火。
表1 火花點(diǎn)火和電暈點(diǎn)火主要技術(shù)參數(shù)
由于單缸機(jī)摩擦損失水平高于多缸機(jī)，單缸機(jī)臺(tái)架直接測(cè)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(jī)進(jìn)行比較。因而采用能夠綜合反映發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、壓縮、膨脹和排氣4個(gè)沖程性能的平均指示壓力(IMEP)和指示燃油消耗率(ISFC)來評(píng)價(jià)單缸機(jī)性能。
02、普通火花點(diǎn)火系統(tǒng)測(cè)試
圖3示出當(dāng)n=3000r/min、IMEP=1.1MPa時(shí)，ISFC、CA10-90、CA50、COV以及NOx排放隨過量空氣系數(shù)φa的變化趨勢(shì)。隨著φa增加，ISFC呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在φa=1.44時(shí)ISFC=191.9g/(kW·h)，為最小值，相比于φa=1.0時(shí)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(huì)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(duì)應(yīng)的持續(xù)期變長(zhǎng)，且COV逐漸變強(qiáng)。因而當(dāng)φa超過1.44時(shí)，燃燒過程迅速惡化，ISFC快速上升。
圖3 普通火花點(diǎn)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(jī)的φa又同時(shí)影響兩因素；在φa從當(dāng)量空燃比逐漸增大時(shí)，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(shí)達(dá)到峰值；如果φa進(jìn)一步增大，溫度下降的效果占優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致NOx排放生成量快速減少，在φa=1.44時(shí)NOx排放約為1260×10-6。在φa=1.63時(shí)，NOx排放降低到210×10-6，但此時(shí)燃燒不穩(wěn)定，COV超過限值。
03、高能點(diǎn)火系統(tǒng)A測(cè)試
將單缸機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)從普通火花點(diǎn)火系統(tǒng)替換為高能點(diǎn)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(shí)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(shì)，并在φa=1.65時(shí)獲得最小值184.0g/(kW·h)。相比于普通火花點(diǎn)火系統(tǒng)，高能點(diǎn)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(dá)到4.1%。產(chǎn)生這種變化的主要原因是：相比于普通火花點(diǎn)火系統(tǒng)，高能點(diǎn)火系統(tǒng)A點(diǎn)火能量高，能夠快速點(diǎn)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(shí)，高能點(diǎn)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(diǎn)火系統(tǒng)A時(shí)，隨著φa增大，NOx排放的變化呈先增大后減小趨勢(shì)。該變化趨勢(shì)和采用火花點(diǎn)火時(shí)一致，但采用高能點(diǎn)火系統(tǒng)A時(shí)，由于高能點(diǎn)火系統(tǒng)A能夠在φa=1.72時(shí)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(diǎn)火且φa=1.44的工況，采用高能點(diǎn)火系統(tǒng)A時(shí)NOx排放降低48.7%。但是在相同的φa水平(φa=1.44)時(shí)，高能點(diǎn)火系統(tǒng)A對(duì)應(yīng)的NOx排放卻高于普通火花點(diǎn)火?？赡茉蚴歉吣茳c(diǎn)火系統(tǒng)A縮短了燃燒持續(xù)期，使缸內(nèi)放熱相對(duì)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(shí)，高能點(diǎn)火系統(tǒng)A對(duì)應(yīng)的排氣歧管溫度Texh低于普通火花點(diǎn)火(圖4f)。
作者同時(shí)將單缸機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)從高能點(diǎn)火系統(tǒng)A替換為高能點(diǎn)火系統(tǒng)B，其余硬件配置保持不變，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析參見原文。
圖4 高能點(diǎn)火A參數(shù)隨過量空氣系數(shù)的變化
04、不同試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
圖5為不同點(diǎn)火系統(tǒng)方案所能達(dá)到的最優(yōu)ISFC和NOx排放。高能點(diǎn)火系統(tǒng)B能夠最大程度提高點(diǎn)火能量，實(shí)現(xiàn)φa=1.94的均質(zhì)超稀薄燃燒，ISFC最低可達(dá)180.7g/(kW·h)，其對(duì)應(yīng)的指示熱效率為48.2%。同時(shí)，高能點(diǎn)火系統(tǒng)B在φa=1.94時(shí)NOx排放為360×10-6，而將φa拓展到2.00時(shí)，NOx排放則將進(jìn)一步降低至188×10-6，但受限于燃燒過程惡化，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)ISFC將增加至185.3 g/(kW·h)。
圖5 不同方案對(duì)應(yīng)的最優(yōu)ISFC和NOx排放
結(jié)論
(1)相比于普通火花點(diǎn)火，高能點(diǎn)火系統(tǒng)能夠有效拓寬汽油機(jī)均質(zhì)稀薄燃燒的空燃比極限。
(2) 采用高能點(diǎn)火系統(tǒng)A可以實(shí)現(xiàn) φ a=1.65的均質(zhì)稀薄燃燒。
(3) 采用點(diǎn)火能量更高的高能點(diǎn)火系統(tǒng)B可以實(shí)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(duì)應(yīng)的指示熱效率為48.2%。
(4) 將 φ a提升至2.00時(shí)，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(shí)ISFC將增加至185.3g/(kW·h)。
文獻(xiàn)來源及推薦閱讀
[1]蔡文遠(yuǎn),徐煥祥,馬帥營(yíng),王一戎.采用高能點(diǎn)火的均質(zhì)稀薄燃燒汽油機(jī)試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2020,38(04):298-303
《內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》是由中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)主辦的國(guó)家級(jí)高級(jí)學(xué)術(shù)刊物，是國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)與研究生教育中文重要期刊，是中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)用刊，被工程索引(EI)等多個(gè)國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)庫收錄，多年來一直位居我國(guó)“中文核心期刊要目”能源與動(dòng)力工程類前列。《內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》主要刊載內(nèi)燃機(jī)方面有較高學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值的學(xué)術(shù)性論文，在海內(nèi)外有廣大的讀者群，是內(nèi)燃機(jī)工作者的良師益友，歡迎登錄《內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》官方網(wǎng)站(www.transcsice.org.cn)投稿。
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