点火参数对直喷汽油机废气稀释燃烧的影响*

侯圣智朱 棣尹 君刘 斌

（1-天津大学内燃机研究所 天津 300072 2-重庆长安汽车股份有限公司）

引言

缸内直喷（Gasoline Direct Injection ，GDI）技术在提高发动机燃油经济性，降低有害气体排放方面存在较大的潜力，是当前内燃机领域的主要研究热点之一[1-2]。废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技术将部分废气引入气缸内再次参与燃烧，可有效降低缸内燃烧温度，减少冷却和散热损失，在提高发动机热效率的同时降低NOx排放；废气再循环在降低发动机排放的同时，还能够减小泵气损失，改善发动机的燃油经济性。因此，缸内直喷结合废气再循环技术是汽油机降低燃油消耗率和机内净化的有效措施[3-5]。

虽然废气再循环技术对于改善发动机燃油经济性和降低排放具有较大优势，但废气的热容效应和稀释作用又会影响发动机的工作稳定性和排放。过高的EGR率会导致燃烧效率降低，燃油消耗率增大，CO和HC排放上升，燃烧循环变动增大，而燃烧稳定性的恶化又是造成燃油经济性和排放恶化的主要原因之一。因此，改善废气稀释燃烧状况，提高燃烧稳定性，拓展废气稀释上限，是废气再循环技术应用的关键核心内容[6-8]。

对于点燃式发动机，点火时刻及点火能量是影响其燃烧过程及燃烧特性的重要因素。笔者在缸内直喷汽油机上研究了EGR率对发动机废气稀释燃烧过程及燃烧特性的影响规律。在此基础上，进一步研究了点火时刻与点火能量对发动机废气稀释燃烧特性、输出转矩以及燃油经济性的影响。

1 试验装置与研究方法

试验用发动机的主要技术参数如表1所示。

试验台架及测试系统如图1所示，系统主要包括：直喷汽油发动机、可标定电控单元ECU、外部EGR系统、燃烧参数采集与分析系统等。电控单元ECU可根据需要对喷油参数（喷油相位、喷油脉宽）、点火参数（点火时刻和点火能量）及EGR率等参数进行实时调节。自主研发了发动机工作过程参数采集及燃烧分析系统，通过该系统可对发动机的转速、气缸压力、冷却水温度、进排气温度及空燃比等参数进行实时采集，并对燃烧相位、燃烧特性及燃油消耗率等参数进行在线实时分析和显示。分别采用6115A型缸压传感器和LSU4.9型宽域线性氧传感器进行发动机缸压和空燃比的采集[9]。

表1 发动机主要技术参数

图1 发动机试验测试系统示意图

发动机废气稀释采用外部EGR方案，从排气歧管引出的废气先经过冷却水冷却，在进气歧管与新鲜空气混合后进入发动机。通过ECU标定系统可实时调节EGR阀的开度，从而控制发动机燃烧的EGR量。试验是根据进气、排气和大气环境中CO2的体积分数值计算废气再循环率REGR[7，9]：

式中：（CO2）in为实际测定进气中CO2体积分数；（CO2）exh为实际测定排气中 CO2体积分数；（CO2）amb为环境空气中CO2的体积分数，可忽略不计。

发动机采用电感式高能点火系统，通过ECU控制点火线圈的充磁时间可实现对点火能量的控制，图2显示了点火能量与充磁时间的关系。

图2 点火能量与充磁时间的关系曲线

为了评价发动机的燃烧稳定性，采用气缸压力峰值的变化系数RCOV描述发动机燃烧循环变动：

式中：Pmax为100个连续循环中气缸压力峰值的平均值；Pmax，STD为气缸压力峰值的标准偏差。

为了评价发动机燃烧相位，分别用燃烧质量分数10%时所对应的曲轴转角CA10表示着火时刻；用燃烧质量分数90%时所对应的曲轴转角CA90表示燃烧结束时刻；燃烧质量分数50%时所对应的曲轴转角CA50，作为评介燃烧相位的特征参数。把燃烧持续期定义为CA10到CA90所对应的曲轴转角，用 CA10～CA90 表示[9]。

2 试验结果与分析

2.1 EGR率对废气稀释燃烧特性的影响

如图3所示，为发动机在部分工况（转速为2 000 r/min，平均有效压力 BMEP=300 kPa），过量空气系数Φ=1.0，点火提前角为22°CA BTDC，点火能量为73 mJ（充磁闭合角6 ms）时，气缸压力、燃烧放热率以及燃烧相位随EGR率的变化曲线。

对比分析图3a、b中关系曲线可以看出，在点火参数（点火时刻与点火能量）一定的条件下，随着EGR率的增大，发动机最大爆发压力和放热率峰值都会相应减小。图3c显示，EGR率的增大会导致着火延迟期和燃烧持续期增长，燃烧放热中点相位（CA50）的推迟，燃烧效率降低。这是因为随着EGR率的增大，废气的热容效应和稀释作用不断增强，造成发动机缸内氧浓度和燃烧温度同时降低，减缓化学反应速度，抑制燃烧，导致发动机燃烧相位后移，燃烧效率降低。当EGR率增大到一定值后，缸内燃烧压力和燃烧放热率明显降低，燃烧相位严重滞后，甚至出现严重失火现象，造成排放增加，燃油经济性变差[9]。

图3 EGR率与发动机燃烧特性的关系

图4 所示为发动机燃烧循环率随EGR率的变化情况。可以看出，燃烧循环变动率会随EGR率的增大而单调上升。当EGR率在某一较小区域内变化时（小于12.5%），燃烧循环变动将被控制在较低的水平，不会影响发动机的正常燃烧；而当EGR率达到一定值（如12.5%）后，燃烧循环率将会超过正常燃烧的允许限值（如大于5%），造成发动机燃烧稳定性变差，燃烧恶化，甚至出现失火现象。

图5 显示了发动机有效燃油消耗率（Brake Specific Fuel Consumption，BSFC）随 EGR 率变化的关系曲线。可以看出，在点火参数一定的情况下，EGR率对BSFC的影响是一个“先抑后扬”的作用过程。当EGR率水平较低时，随着EGR率的增大，BSFC会相应减小。这是因为，当进入气缸的废气量增加时，要保证输出功率不变，发动机必须加大节气门开度以维持进入气缸的新鲜空气量，使得进气歧管压力增大，泵气损失减少，发动机的燃油消耗减少。但随着EGR率的持续增加，废气中的惰性阻燃物质会抑制燃烧化学反应速率，降低燃烧效率和燃烧稳定性，造成燃油消耗增大，过高的EGR率会导致油耗的急剧上升。

图5 EGR率对有效燃油消耗率BSFC的影响

2.2 点火时刻对废气稀释燃烧特性的影响

如图6所示，发动机转速为2 000 r/min，节气门开度为10.2%，点火能量为73 mJ（充磁闭合角6 ms）时，过量空气系数Φ为1.0时，EGR率为23.0的情况下，气缸压力、瞬时放热率以及燃烧相位随点火时刻的变化曲线。

图6 不同点火时刻的燃烧特性比较

点火时刻是影响废气稀释燃烧过程的重要参数，由图6可以看出，在一定范围内随着点火时刻的提前，发动机最大爆发压力和燃烧放热率峰值增大，燃烧相位提前，燃烧持续期缩短，发动机的热效率提高。

如图7、图8所示，分别为有效燃油消耗率BSFC和输出转矩随点火时刻的变化关系曲线。图中显示，随着点火时刻的提前，燃烧速度与燃烧效率的提高，使得发动机废气稀释燃烧过程改善，燃油消耗降低，输出转矩得到相应提升。同时也可以看出，发动机输出转矩并不是随着点火提前角的增大而单调上升，而是一个“先扬后抑”作用关系。这是因为点火过早会造成发动机早燃，压缩负功增加，使得输出转矩下降。

图7 点火时刻对有效燃油消耗率BSFC的影响

图8 点火时刻对输出转矩的影响

图9 显示了不同点火时刻对发动机燃烧循环变动的影响情况。当EGR率一定时，适当提前点火时刻，可以减小燃烧循环变动，改善燃烧过程。通过与图4所示工况相比较发现，通过增大点火提前角，可以将废气稀释燃烧的EGR率上限从12%提高到了24%（燃烧循环变动率小于5%）。

2.3 点火能量对废气稀释燃烧特性的影响

如图10所示，发动机在部分工况（转速为2 000 r/min，节气门开度为9.8%），过量空气系数Φ=1.0，点火提前角为22°CA BTDC，EGR率为16.8%的情况下，气缸压力及燃烧放热率随点火能量的变化曲线。

图10表明，提高点火能量，能够促进火核的形成和火焰的传播，改善废气稀释燃烧状况。在EGR率一定的条件下，随着点火能量的提高，发动机最大爆发压力和放热率峰值增大，燃烧相位提前。

图9 点火时刻对燃烧循环变动的影响

图10 不同点火能量的燃烧特性比较

图11 、图12以及图13分别显示了有效燃油消耗率BSFC、输出转矩以及发动机燃烧循环变动随点火能量的变化曲线。可以看出，提高点火能量能够减小发动机燃烧循环变动，提高输出转矩，改善燃油经济性。随着点火能量的进一步提高，其对发动机输出转矩、燃油消耗以及燃烧循环变动的影响逐渐减弱。当点火能量增大到一定程度后（73 mJ），继续增大点火能量不但不能改善发动机的燃烧性能，还容易造成火花塞电极的烧蚀，影响使用寿命和发动机的工作可靠性。因此，在实际应用中会将点火能量限制在适当的范围内。

图11 点火能量对有效燃油消耗率BSFC的影响

图12 点火能量对输出转矩的影响

图13 点火能量对燃烧循环变动的影响

3 结论

1）对于废气稀释燃烧，提高点火能量，有助于火核形成和火焰传播，提高燃烧效率，增强燃烧稳定性，改善发动机燃烧过程。

2）火花塞的点火能量应该受到限制，过高的点火能量不但不能改善发动机的燃烧性能，还会影响火花塞的使用寿命和发动机的工作可靠性。

3）与点火能量相比，点火时刻对发动机废气稀释燃烧的影响更为显著。在一定范围内，随着点火提前角的加大，最大爆发压力和瞬时放热率峰值增大，燃烧相位提前，燃烧持续期缩短，发动机的热效率提高，燃烧稳定性增强，燃烧效率提高，稀燃极限得到拓展，发动机的动力性和经济性得到改善。