被动预燃室喷射点火对汽油发动机燃烧和排放的影响

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在这项研究中，小体积被动预燃室在15升涡轮增压GDI发动机中进行了测试，以改善汽油发动机的燃油消耗。

研究表明，在低WOT和部分负荷下，预燃室点火可以提前燃烧阶段，降低燃油消耗24g/kWh，并提高峰值压力上升率。

预燃室点火有助于减轻爆震倾向并提高部分负荷下的燃烧稳定性。

高负荷时，燃油消耗显着降低，而氮氧化物排放量显着增加，最高可达15%左右。预燃室点火和火花塞点火之间的CO排放没有显着差异。

进气门开启正时对怠速时预燃室的燃烧稳定性影响较大，适当延迟进气门正时可以保持稳定性。

实验表明，与1500rpm全油门传统火花点火相比，预燃室燃烧阶段改善了71CA，有效燃油消耗降低了24g/kWh。在最大压力上升速率中添加了009MPa/CA。

预燃室点火可以减少爆震的可能性。在2000转/分的部分负荷下，预燃室点火可以增强燃烧过程并提高燃烧稳定性。

预燃室点火过程中的燃油消耗在低负载时略有增加，但在高负载时显着降低。

与传统火花点火相比，燃烧室的氮氧化物排放量显着增加，高达约15%，碳氢化合物排放量减少，高达约36%。

然而，预燃室点火和火花塞点火之间的一氧化碳排放量没有显着差异。

进气门开启正时对怠速时预燃室的燃烧稳定性影响较大。由于预燃室进气门打开正时延迟，变异系数减小并保持在CoV限值内。

实验设置和数据处理

实验在15升涡轮增压GDI发动机上进行。

有关实验引擎的更多详细信息可以在下图中找到。它的设计采用安装在主燃烧室顶部的被动预燃室系统，以增强燃烧过程、提高燃油效率并抑制爆震。

下图为预燃室结构示意图，清晰地展示了预燃室湍流射流点火器的图纸。

M8火花塞安装在预燃室外壳的顶部。被动预燃室的容积约为13毫升，是TDC主燃烧室容积的三倍。喷嘴孔径为15mm，喷嘴孔数为4个，喷雾角度为140度。

玛莎拉蒂发现，被动预燃室的导热系数必须大于150W/mK，以防止预燃室过热和损坏。

玛莎拉蒂Nettuno发动机采用CuCrZr合金制成的被动预燃室，具有高散热水平。

此外，研究发现，当预燃室采用导热系数低的钢材时，提前点火的频率增加，容易发生发动机损坏。

采用高导热率的铬锆铜合金作为预燃室材料，降低了预燃频率。

因此，本研究采用铬锆铜合金制成的燃烧室来改善燃烧室散热，降低燃烧室温度。

发动机台架试验系统布局示意图如上图所示。

发动机台架试验系统主要由汽油机、FEV250HS瞬态测功机和FEVTCM控制系统组成。当量比使用宽带lambda传感器ES630进行测量。燃油质量消耗以FEVFuelRate来衡量。

曲轴角度用AVL角度标记测量。AVL燃烧分析仪用于采集气缸压力数据并计算燃烧数据。使用HORIBAMEXA-7100排气分析仪测量排气。有两个压力传感器。

主燃烧室压力信号通过Kistler6115B压力传感器测量。预燃室压力信号通过Kistler6113C火花塞型压力传感器测量。主燃烧室压力信号用于计算燃烧数据。

实验条件和数据处理

当发动机低速高负荷运转时，低速导致燃烧速度慢，容易发生爆震和早燃。因此，选择转速=1500rpm、BMEP=2MPa的工况来研究预燃室低速全油门特性。

此外，还研究了预燃室对发动机部分负荷燃烧过程、燃油效率和排放的影响。此外，还研究了被动预燃室在怠速运行期间的燃烧稳定性。

燃烧周期和燃烧阶段的计算基于主燃烧室中的压力。

点火延迟定义为从火花塞点火到散热的曲轴转角10度。燃烧持续时间定义为曲轴放热角10至90，AI50定义为曲轴放热角50。

排气lambda值保持在1002。传统火花点火和预燃室的点火角为MBT，燃烧相AI50不快于8ATDC。

点火正时经过优化，可在各种运行条件下实现最大热效率。气缸内的最大峰值压力为100bar。

主燃烧室压力上升率高达6bar/CA。测试时，涡轮增压后进气温度为353。冷却液温度为882。

燃料为RON92商用汽油，低热值425MJ/kg。燃烧循环变化率CoV在3以内。CoV的计算方法如下

CoV是IMEP的周期性变化，imep是IMEP超过200个周期的标准差。

结果与讨论

本研究的目的是研究低速全油门、部分负荷和怠速工况对喷射点火和燃烧过程的影响。首先，研究了低速和全油门时的燃烧特性。

随后，研究了预燃室对发动机部分负荷燃烧过程、燃油效率和废气排放的影响。最后优化了被动预燃室怠速时的燃烧稳定性。

本节对配备火花塞和预燃室的发动机进行对比分析，研究1500rpm、2MPa工况下的燃烧特性。

当发动机在预燃室点火模式下运行时，同时测量预燃室压力和主燃烧室压力。通过主燃烧室压力获得不同点火方法的热释放率。

下图显示了低速全油门下压力和HRR与曲轴角度的函数关系。

预燃室在部分负荷下燃烧和排气，发动机转速保持在2000rpm。BMEP分别为05、08、12和16MPa。对传统火花塞点火和预燃室点火的燃烧特性和经济性进行了比较。

下图显示了部分负荷时火花塞点火和预燃室点火的BSFC和BTE。

对于低于08MPa的BMEP，预燃室点火的BSFC与火花塞点火相比略有增加。然而，当BMEP大于08MPa时，预燃室点火的燃油消耗显着改善，并且BSFC增加至约7g/kWh。

此外，火花塞点火在08MPaBMEP时达到其最大BTE，而预燃室点火在12MPaBMEP时达到其最大BTE。

这表明预燃室点火有利于提高高负荷下的燃油经济性。低负荷时，预燃室和火花塞点火燃烧阶段均处于燃烧阶段，但预燃室增加了节流损失和传热损失，从而增加了燃油消耗。

在高负荷下，预燃室点火可以显着改善燃烧过程，并通过改善燃烧阶段来显着降低燃油消耗。

低负荷时，缸内温度降低，爆震倾向减轻。因此，在05和08MPaBMEP下，燃烧阶段可以维持在8CAATDC，这是的热能转换点。

预燃室点火具有更快的燃烧速率，但燃烧阶段达到了8CAATDC极限，并且燃烧阶段没有改善。

预燃室点火正时更快，但随着负载的增加，传统火花塞点火和预燃室点火之间的点火正时差异减小。由于预燃室中的多点点火，燃烧循环变化得到改善。

另外，燃烧阶段并没有得到改善，反而因预燃室而增加了燃烧室面积和传热损失，导致低负荷时油耗增加。

高负荷时，气缸内温度高，发动机容易爆震。预燃室点火改善了燃烧阶段并降低了燃料消耗。

此外，预燃室的爆震倾向得到缓解，并且最大热效率的负载比火花塞点火更大。

如上所述，可以看出预燃室改善了燃烧过程，使得最大燃烧压力和温度提高。因此，有必要研究预燃室点火引起的氮氧化物排放。

下图显示了部分负荷时的氮氧化物排放量。与05和08MPaBMEP下的火花塞点火相比，预燃室点火的氮氧化物排放量略有增加。

但在高负荷时，燃烧室点火导致的氮氧化物排放显着增加，最大增加约15。原因是随着温度升高，NOx的生成量呈指数增加。

在低负荷时，预燃室点火会增加燃烧速率，但燃烧阶段不会进行，并且气缸内的最高温度略有增加。

然而，在高负荷下，预燃室点火提高了燃烧速率和燃烧阶段，并且气缸内的最高温度显着提高。

从图中可以看出，与火花塞点火相比，预燃室点火在部分负荷下的碳氢化合物排放量减少了，最大减少量约为36。

这是因为预燃室改善了燃烧过程，气缸内较高的峰值温度确保了混合物更完全的燃烧，从而减少了碳氢化合物的排放。

不同负载下预燃室点火和火花塞点火的CO排放没有显着差异。

这是因为二氧化碳排放主要受到过量空气的影响。预燃室点火和火花塞点火具有相同的空燃比。

此外，在中负荷和高负荷下，由于预燃室点火而产生的二氧化碳排放量略有减少。原因可能是燃烧过程的加速使缸内最高温度升高，促进CO的氧化反应。

许多测试表明，在15升涡轮增压GDI发动机中使用被动预燃室具有多种积极效果。这改善了燃烧特性，例如先进的燃烧阶段、减少的燃料消耗和增加的最大压力上升率。

同时，它也有助于减轻敲击的倾向。部分负荷下的预燃室点火增强了燃烧过程并提高了稳定性。高负载时燃油消耗显着降低，但低负载时燃油消耗略有增加。

预燃室点火显着增加了NOx排放量，高达约15%，并减少了HC排放量，高达约36%。然而，预燃室点火和火花塞点火之间的CO排放没有显着差异。

怠速运转时进气门开启时间对预燃室燃烧稳定性影响较大。由于预燃室进气门开启时间延迟，燃烧循环波动减小，并能维持在规定范围内。

参考

1SI发动机热效率达到45%的发动机技术SAE发动机杂志，2015，9:179-192。

2我们应用晶体工程方法来提高水合物热机的热效率，以从低温热源产生可再生能源。《能源》，2020年第198期1174031-11740311。

32020年，《应用能源》杂志发表了题为“火花点火式航空活塞发动机中酒精/煤油混合物的发动机性能研究”的论文，发表于268期，文章编号114959。

提高摩托车火花塞的发热量可以提高功率吗？我没有升职。

《工程机械》杂志上有一篇论文叫《火花塞点火能量的测定》。

发动机要正常运转，火花塞产生的放电火花能量必须足够大，才能使火花在可燃混合物中形成的火焰核心完成物理和化学过程，使火焰膨胀。

在人类语言中，火花塞就是执行任务的人，用今天的方言我们称之为“工具人”。