预燃室火花塞式天然气发动机燃烧性能试验

何海斌， 阮晓东， 吴 杰， 吴 锋， 王 雷， 尹济崇

(1. 浙江大学机械工程学院， 杭州 310027； 2. 宁波中策动力机电集团有限公司， 宁波 315033； 3. 杭州电子科技大学机械工程学院， 杭州 310002)

发展天然气发动机是缓解能源危机，减轻环境污染的重要举措[1]。目前，中外研究机构及学者主要致力于天然气发动机经济性与排放性能的提升研究[2]，其中，基于预燃室火花塞的湍流喷射点火燃烧系统得到了越来越多的关注。

预燃室火花塞[3]是在标准火花塞基础上集成了预燃室结构，可实现预燃室火花点火燃烧。与标准火花塞相比，该技术具有点火稳定、能量大、燃烧速度快等优点。将该技术应用于稀薄燃烧的天然气发动机，可实现高空燃比快速燃烧，有效扩展稀燃极限，提升发动机热效率，同时降低NOx排放[4-5]。

目前，中外学者针对天然气发动机湍流喷射点火燃烧系统中的预燃室火花塞技术开展了广泛研究，Attard等[6]在0.6 L单缸发动机上的研究表明，预燃室火花点火系统能可靠点燃稀释54%之后的天然气，同时降低18%的气耗率；Takashima等[7]通过一台0.55 L的单缸发动机，研究了电极形状、预燃室通道孔径、预燃室材料、缸内气流等对缸内燃烧及发动机性能的影响规律，发现采用导热性差的材料制作预燃室结构时，可进一步扩展发动机稀燃极限；Shah等[8-10]利用发动机台架试验，证明了预燃室火花点火技术可有效提升发动机经济性与排放性，同时研究了重型天然气发动机中预燃室体积、通道面积等对主燃烧室内燃烧特性、排放特性的影响，发现发动机排量对预燃室性能存在较大影响。

基于台架试验，现对一台装配预燃室火花塞的天然气发动机缸内燃烧特性、空燃比特性、点火提前角特性进行详细研究。以期为预燃室火花塞技术的发展，以及该技术在车用天然气发动机上的推广应用提供参考。

1 实验台架

搭建如图1所示发动机实验台架。试验过程中，通过DEWETRON公司生产的燃烧分析仪来采集并分析计算得到缸内压力、放热率等缸内燃烧信息，其采样周期可达0.1 ℃A，可捕捉缸内压力波动的细节；通过安装在发动机排气管的ETAS-LA4空燃比测试仪，可实时监测燃料燃烧的空燃比，为空燃比控制提供条件，其采样频率为2 Hz；利用电子控制单元ECU(electronic control unit)标定系统，可实现点火提前角等控制参数的实时控制。

图1 发动机台架示意图Fig.1 Schematic diagram of engine bench

发动机参数如表1所示，预燃室火花塞结构如图2所示，参数如表2所示。

表1 发动机结构参数Table 1 Structure parameters of engine

图2 预燃室火花塞实物图Fig.2 Structure of pre-chamber spark plug

表2 预燃室结构参数Table 2 Structure parameters of pre-chamber spark plug

2 试验结果分析

2.1 燃烧特性比较

基于上述发动机实验台架，对比发动机转速为800 r/min，节气门开度为16.85%，点火提前角为12.75 ℃A时，采用普通火花塞与预燃室火花塞的缸内燃烧特性，其试验结果如图3和图4所示。

图3 缸内压力与压力升高率对比Fig.3 Comparison of in-cylinder pressure and pressure rise rate

图4 缸内放热率与放热量对比Fig.4 Comparison of heat release rate and heat release

从图3可以发现，采用预燃室火花塞之后，发动机缸内最大压力从3.374 MPa提高为3.792 MPa，提高了12.4%，对应的曲轴转角从12.44 ℃A提早为10.39 ℃A；缸内最大压力升高率从0.133 MPa/ ℃A提高为0.173 MPa/ ℃A，提高了30%，对应的曲轴转角从3.96 ℃A提早为1.73 ℃A。此外，发动机功率从40.9 kW提高到43.7 kW，提高了6.8%。

从图4可以发现，采用预燃室火花塞之后，发动机缸内最大缸内速率从36.84 kJ/(m3· ℃A)提高到44.84 kJ/(m3· ℃A)，对应的曲轴转角从6 ℃A提早到了4 ℃A；缸内放热量从854.6 kJ/m3提高到881.97 kJ/m3，提高了3.2%。此外，燃烧率为10%、50%与90%时对应的曲轴转角均有所提前，缸内燃烧速率明显增加。

2.2 空燃比特性

为研究空燃比对预燃室火花塞燃烧特性的影响，对发动机转速800 r/min，节气门开度16.85%，点火提前角12.75 ℃A的工况下，空燃比分别为1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25的燃烧特性进行了对比试验，试验结果如图5～图10所示。

图5 动力性能对比Fig.5 Comparison of power performance

图7 经济性能对比Fig.7 Comparison of economic performance

图8 不同燃烧率对应曲轴转角对比Fig.8 Comparison of crankshaft angles for different combustion rates

图9 缸内燃烧特性对比Fig.9 Comparison of in-cylinder combustion characteristics

图10 NOx排放量对比Fig.10 Comparison of NOx emission

图5为不同空燃比下，预燃室火花塞与普通火花塞动力性能对比。从图5可以发现，发动机动力性能随空燃比的增加而减小，当空燃比为1.00～1.15时，预燃室火花塞的动力性均优于普通火花塞，但当空燃比提高到1.20时，两者动力性相差不大，而当空燃比继续增大到1.25时，预燃室火花塞动力性急剧下降，此时，发动机出现明显的失火现象，说明预燃室火花塞稀燃特性较普通火花塞有所下降。

图6为不同空燃比下，预燃室火花塞与普通火花塞的缸内最大压力及对应曲轴转角的对比。从图6中可以进一步发现，当空燃比为1.15时，虽然预燃室火花塞缸内最大压力仍大于普通火花塞，但最大压力点对应的曲轴转角大于普通火花塞，说明此时预燃室火花塞缸内燃烧速度有所减缓，燃烧出现失火征兆。当空燃比为1.20时，预燃室火花塞缸内最大压力小于普通火花塞，说明燃烧进一步恶化，失火趋势加大。上述试验结果说明预燃室火花塞稀燃特性较普通火花塞有所下降。

图7为不同空燃比下，预燃室火花塞与普通火花塞的经济性能的对比。从图7中可以发现，两种火花塞的燃气消耗率随着空燃比的增加，均呈现先减小后增大的趋势，且当空燃比为1.05时，其经济性能最佳。此外，当空燃比为1.00～1.20时，预燃室火花塞经济性能均优于普通火花塞。但当空燃比增大为1.25时，由于预燃室火花塞缸内失火，燃气消耗率陡然增加为1 002.6 g/kW·h。

图8为不同空燃比下，预燃室火花塞与普通火花塞缸内燃烧率对应曲轴转角的对比。从图8可以明显发现，当空燃比增大为1.20时，预燃室火花塞缸内燃烧速率明显减缓。

为进一步说明预燃室火花塞缸内失火现象，本文详细对比了空燃比为1.15及1.20时，发动机缸内的燃烧压力与放热速率，如图9所示。从图9(a)可以看到，空燃比上升到1.20后，预燃室火花塞缸内压力小于普通火花塞，同时，从图9(b)可以看到，预燃室火花塞放热速率明显小于普通火花塞。

图10为不同空燃比下，预燃室火花塞与普通火花塞NOx排放量的对比。从图上可以发现，两种火花塞下，NOx排放量均呈现先上升后下降的趋势，且在空燃比为1.05附近时达到最大值。但预燃室火花塞的NOx排放量明显高于普通火花塞，这是由于更快的燃烧速度提升了缸内的燃烧温度，为NOx的生成提供了有利环境。

综上所示，相较于普通火花塞，预燃室火花塞可以有效提高缸内燃烧压力与燃烧速率，增强发动机动力性能，但由于缸内燃烧温度上升，导致NOx排放量有所增加。此外，采用预燃室火花塞会导致其稀燃性能有所下降，当空燃比大于1.15时，缸内出现失火现象。

2.3 点火提前角特性

为研究点火提前角对预燃室火花塞燃烧特性的影响，对发动机转速800 r/min、节气门开度16.85%、空燃比1.07的工况下，点火提前角分别为2.75、4.75、6.75、8.75、10.75、12.75、14.75、16.75 ℃A的缸内燃烧特性进行了对比试验。

图11为不同点火提前角下，预燃室火花塞与普通火花塞的动力性能的对比。从图11可以发现，预燃室火花塞的动力性能均大于普通火花塞，且两者动力性能随着点火提前角的增加均呈现先增大后减小的变化规律。其中，普通火花塞在点火提前角为10.75 ℃A时达到最大值，功率为42.4 kW，而预燃室火花塞在点火提前角为8.75 ℃A时达到最大值，功率为44.2 kW，提升了4.2%。上述试验结果表明，采用预燃室火花塞，可有效提升发动机动力性能，且最佳点火提前角有所减小。

图11 动力性能对比Fig.11 Comparison of power performance

图12为不同点火提前角下，预燃室火花塞与普通火花塞的缸内最大压力及对应曲轴转角的对比。从图上可以明显发现，预燃室火花塞缸内最大压力均大于普通火花塞，且两者最大缸内压力均随着点火提前角的增大而增大。此外，预燃室火花塞缸内最大压力对应的曲轴转角均小于普通火花塞，且两者最大缸内压力对应曲轴转角均随着点火提前角的增大而减小。

图12 缸内最大压力及对应曲轴转角对比Fig.12 Comparison of the maximum pressure and the corresponding crankshaft angle

图13为不同点火提前角下，预燃室火花塞与普通火花塞的经济性能的对比。从图13中可以发现，两种火花塞的燃气消耗率随着点火提前角的增加，均呈现先减小后增大的趋势，其中，普通火花塞在点火提前角为10.75 ℃A时经济性能达到最佳，其燃气消耗率为195.63 g/(kW·h)，而预燃室火花塞在点火提前角为8.75 ℃A时达到最佳，燃气消耗率为183.18 g/(kW·h)，经济性提升了6.4%。

图13 经济性能对比Fig.13 Comparison of economic performance

图14为不同点火提前角下，预燃室火花塞与普通火花塞缸内燃烧率对应曲轴转角的对比。从图14可以明显发现，预燃室火花塞缸内燃烧速率明显大于普通火花塞。

图14 不同燃烧率对应曲轴转角对比Fig.14 Comparison of crankshaft angles for different combustion rates

为进一步说明点火提前角对缸内燃烧特性的影响，详细对比了点火提前角为8.75、12.75、16.75 ℃A时，发动机缸内燃烧压力与放热速率，如图15和图16所示。从图15可以看到，随着点火提前角增大，缸内压力曲线整体向左移动，且最大压力值显著增加。从图16可以看到，随着点火提前角增大，放热曲线亦呈现整体向左移动趋势，但最大放热速率变化并不明显。

图15 缸内压力对比Fig.15 Comparison of in-cylinder pressure

图16 放热速率对比Fig.16 Comparison of heat release rate

图17为不同点火提前角下，预燃室火花塞与普通火花塞NOx排放量的对比。从图17可以发现，随着点火提前角的增大，缸内燃烧温度不断上升，导致NOx排放量逐渐升高。此外，由于预燃室火花塞具有更快的燃烧速度、更高的燃烧温度，因此，其NOx排放量明显高于普通火花塞。

图17 NOx排放量对比Fig.17 Comparison of NOx emission

综上所示，相较于普通火花塞，预燃室火花塞可以有效提高缸内燃烧压力与燃烧速率，增强发动机动力性能，且其最佳点火提前角有所减小。

3 结论

(1)相较于普通火花塞，预燃室火花塞可以有效提高缸内燃烧压力与燃烧速率，增强发动机动力性能，但同时会增大缸内压力升高率，导致工作粗暴。

(2)预燃室火花塞在提高缸内燃烧压力与燃烧速率的同时，会导致缸内燃烧温度上升，为NOx的生成提供有利条件，从而导致NOx排放量升高。

(3)由于预燃室内燃烧产物的积累，对可燃混合气形成稀释作用，抑制点火，因此，其稀燃特性有所下降，当提高空燃比时，更容易出现失火现象。

(4)相较于普通火花塞，预燃室火花塞经济性能更加优越，且最佳点火提前角有所减小。