多次点火对汽油发动机燃烧稳定性的试验研究

叶 坦

(淮北职业技术学院 机电工程系,安徽 淮北 235000)

0 引言

车用汽油发动机部分负荷工况的比油耗是影响整车循环油耗量的重要因素，分层稀薄燃烧技术是降低部分负荷燃油消耗最为有效的手段.采用无节气门的负荷控制方法不仅在部分负荷工况有效降低泵气损失，同时在发动机缸内形成的稀薄混合气有更高的比热比，提高了发动机燃烧热效率[1].发动机在小负荷工况的分层稀薄燃烧容易出现燃烧不稳定，并且在某些循环存在不能成功点燃混合气、导致发动机出现偶尔失火的现象.多次点火线圈能够在一段时间内连续充放电，实现火花塞多次跳火，提高点火能量，增强和改善稀薄燃烧发动机点火稳定性， 改善排放性能.

前期试验已明确项目采用多孔喷油器，对一次晚喷、两次喷射比例及喷射相位等控制策略进行了试验研究，同时对博格华纳贝鲁系统的多次点火线圈控制方法进行了试验.本阶段试验利用某型号单缸汽油机，通过配置中高滚流气道配合多次点火系统进行稀燃试验，采集发动机燃烧稳定性进行分析评价，中高滚流气道配合多次点火技术进行稀燃条件下喷油、点火相位扫点试验，明确缸内滚流及多次点火对发动机稳定性的影响[2].

1 试验样机及试验方法

试验样机为缸内直喷且喷油器中置的研究用单缸汽油机，试验台架如图1所示,基本参数如表1所列.试验用喷油器为T-HDEV5-00000-1650博世电磁多孔喷油器，多次点火系统采用博格华纳贝鲁系统的多次点火线圈.

图1 台架布置示意图

表1 单缸发动机基本参数

除了点火系统之外，缸内气流亦对燃烧造成明显影响，缸内气流主要由气道决定.本阶段采用高滚流进气道和中滚流进气道分别进行点火策略研究试验，气道参数为高滚流气道，平均滚流比为2.4216，平均流量系数为0.2661.中滚流气道平均滚流比为2.2719，平均流量系数为0.2975.控制条件为燃油采用93#无铅燃油；机油牌号 SJ 级以上10～40 W；冷却液的出口温度控制在(343±2)K/(70±2)℃；机油温度按机油性能控制在(363±5)K/(90±5)℃之间；燃油温度控制在(298±5)K/(25±5)℃之间；进气温度为(25±5)℃；排气背压阀全开.冷却液的出口温度应控制在(361±5)K/(88±5)℃，而单缸机散热量少，试验负荷较低时，不能达到该出水温度，故根据实际试验条件，冷却液出水温度定为(70±2)℃.

2 试验工况及试验方法

2.1 试验工况

本次试验主要在发动机稀燃状态下，发动机转速稳定为2 000 rmp，平均指示气缸压力(IMEP)在2.8 bar和5.8 bar两种状态且节气门全开的情况，本次试验工况如表2所列.

表2 多次点火策略研究试验发动机工况点

2.2 试验方法

分层稀燃发动机喷油控制策略侧重于晚喷模式，试验采用在一次晚喷或一早一晚两次喷油(早喷油量占总喷油量比例为85%)的模式下，进行稀燃条件下喷油和点火时刻对发动机燃烧稳定性、经济性和排放性能影响的扫点试验，试验参数如表 3所列.

表3 多次点火策略研究试验喷油策略参数表

稀燃工况试验过程固定循环喷油量(2 000 rpm、2.8 bar 工况，固定循环喷油量(9.95±0.15)mg；2 000 rpm、5.8 bar 工况，固定循环喷油量(18.9±0.2)mg和进气压力(节气门全开)，通过喷油时刻和点火时刻正交扫点试验得到发动机能够稳定燃烧的喷油和点火相位区域.

3 试验结果分析

考虑到除点火系统之外，缸内气流运动亦对燃烧产生影响[3].故本阶段分别在高滚流气道和中滚流气道上进行多次点火和单次点火对比试验，试验选取低负荷 2 000 rpm、2.8 bar 工况和中负荷 2 000 rpm、5.8 bar 工况，研究多次点火技术对分层稀薄燃烧发动机在燃烧稳定性、经济性和排放性能方面的影响如图2所示.

图2显示在分层稀薄燃烧模式下，在中、高滚流两种气道下分别进行单次点火和多次点火的喷油点火扫点试验的燃烧循环变动情况.其中虚线区域为单次点火的稳定燃烧喷油点火相位区域.对比图2中(a)和(b)可以看出，在2 000 rpm、2.8 bar低负荷工况，在单次点火模式下，过高的滚流使稳定燃烧的喷油点火区间略微缩小，这主要是因为对于喷雾引导型分层稀薄燃烧，喷雾对燃烧起着决定性作用，过高的滚流对喷雾形态产生影响进而影响火花塞附近混合气浓度，造成燃烧不稳定及偶尔失火，稳定燃烧的喷油点火区间变小[4].

在中滚流气道上，多次点火技术相比单次点火没有明显改善燃烧稳定性.然而，在高滚流气道上多次点火技术却能够极大地拓展稳定燃烧的喷油点火区间(图2(b))且靠近上止点，其喷油和点火时刻由50°CA_BTDC 和 30°CA_BTDC拓展到41°CA_BTDC和 23° CA_BTDC，也就是说，多次点火技术配合高滚流可以极大改善发动机燃烧稳定性，这主要因为多次点火线圈能够在一段时间内连续充放电，产生多个火花，高滚流将火花吹散进入混合气中，形成多个着火点，提高点火能量的同时提高稀薄燃烧稳定性，因而获得更大的稳定燃烧的喷油点火区间范围[5].这样能够得到更好的燃烧相位，从而使得油耗和排放得到改善.

对比图2中(c)和(d)可以看出，在中等负荷2 000 rpm、5.8 bar 工况，在单次点火模式下，高滚流比可以将稳定燃烧的喷油点火区间由35° CA_BTDC和25° CA_BTDC 拓展到26° CA_BTDC 和15° CA_BTDC，主要是因为在该工况下，循环喷油量增加，比较强的气流运动可以改善雾化，使得燃烧稳定性增强.在该工况下，不管是中滚流气道还是高滚流气道， 多次点火技术对燃烧循环变动均没有明显影响[6].

(a)2 000 rpm、2.8 bar中滚流气道单次和多次点火 (b)2 000 rpm、2.8 bar高滚流气道单次和多次点火

4 结束语

单次点火和多次点火燃烧稳定性试验结论：在2 000 rpm、2.8 bar工况，多次点火技术结合比较高的滚流能够充分发挥多次点火技术优势，提高燃烧稳定性；在2 000 rpm、5.8 bar工况下，多次点火相比单次点火在燃烧稳定性方面没有优势.多次点火技术能够改善发动机燃烧稳定性、经济性和排放性能，由于缸内滚流的影响， 多次点火技术配合不同的滚流比气道有比较大的差异[7].多次点火技术能够提高稀燃发动机燃烧稳定性，但需要结合高滚流比的气流运动才能够充分发挥其技术优势，即多次点火技术需要配合高滚流比气道.