燃烧效率高(高燃烧效率——先进预燃室点火技术解析)

Posted 2023-06-02

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燃烧效率高(高燃烧效率——先进预燃室点火技术解析)

目前，传统的汽油机仍有其独到的优势。研究人员可通过采用较高的压力来改善汽油机的燃油经济性和排放，而针对点火系统的改进主要通过减小火花塞尺寸来实现。

对于传统汽油机而言，预燃室具有更高的技术潜力，其目前已应用于1级方程式赛车（Formula 1）等车型中。预燃室是在汽油机燃烧室内部的1个小型燃烧室，可通过安装1个传统火花塞而实现。天纳克（Tenneco）欧洲的工程经理AlessandroPino对此解释到，预燃室可通过小孔连接主燃烧室，可燃混合气则在进气行程中进入预燃室，并由火花塞点燃。混合气点燃后形成的火焰锋面从预燃室表面的小孔流出，并点燃主燃室中的可燃混合气。燃烧室内的多个点火位置可使混合气更快且更充分地进行燃烧。研究人员可对汽油机的运行特性图进行调整，以改善燃油经济性和功率。

2种布置型式

预燃室通常有2种设计型式。主动型是在预燃室中采用1个额外的燃油或燃气喷射器，从而对可燃混合气进行调节与控制。被动型则通过预燃室与主燃室之间的压力差来实现气体交换。

马勒公司的动力总成部对汽油机预燃室技术有多年的开发经验，旗下的研究人员目前正在从事马勒射流点火（MJI）系统的开发工作。从20世纪60年代末开始，针对预燃室点火过程已开展了一系列优化，但研究人员则将更多精力集中于改善燃油经济性和排放过程，并通过调整试验程序以分析更宽工况范围内的发动机运转特性。到目前为止，汽油机预燃室技术已取得了一系列进展。

马勒总工程师Mike Bassett对此解释到，马勒方面的研发重点是使汽油机在过量空气系数λ=1的状态下进行运转。随着实际驾驶排放（RDE）法规的引进，尽管参与测试的某款汽油机依然有待优化，但在宽广的运转工况范围下同样能实现稳定运行。

MJI技术可使汽油机在λ=2的条件下同样实现理想的燃烧效果，同时也改善了燃油经济性和排放过程。但当λ值越接近2，可燃混合气被点燃的难度也会相应更高。

技术应用

研究人员针对预燃室技术提供了相应的优化方案。以马勒方面的研究成果为例，其已开发出了主动型和被动型MJI系统。在主动型MJI系统中，可通过喷油器以提高预燃室中的可燃混合气浓度，点火后形成的热自由基（hot radicals）在传入主燃烧室后会形成多个着火点，从而可在λ=2的稀薄混合气中产生强烈的燃烧过程。

该系统可有效减少平均有效燃油耗（BSFC）约15%或更多，但技术挑战也悄然而至。预燃室专用的喷油器需要进行专门开发，并与后处理系统相匹配。因此，研究人员目前正在对被动型MJI系统进行开发。但在该系统中，主燃烧室中的可燃混合气会受到废气再循环（EGR）系统的影响，从而减小了其着火范围。

Basstt提到，在理论空燃比下进行的点火能减少燃烧过程的持续时间，由此能相应提高EGR率。而通过EGR也能相应优化汽油机的抗爆燃性，使整机压缩比可相应增大，同时BSFC也减少了约10%。

马自达为Skyactiv-X型发动机配备了不同的点火方式。同时，该机型也被称为世界上第1款投入量产的压燃式汽油机，该系统内混合气的λ值约为2～3，并可实现类似于柴油机的压燃点火方式。

目前，均质压燃（HCCI）技术已受到了广大汽车制造商的关注，并据此开展了相关研究，但早期的HCCI发动机在压燃模式下会产生难以预测的结果和不稳定的燃烧过程。马自达火花控制压燃（SPCCI）系统可与传统汽油机一样使用传统的点燃方式。该系统可使气缸中充满稀薄的可燃混合气，并使混合气在火花塞附近形成1个加浓区。通过火花塞点燃加浓混合气，形成的火焰锋面进一步引燃剩余的未燃混合气。

SPCCI模式仅会在发动机部分负荷工况下运作。当驾驶员需要更强的动力性能时，发动机会调整混合气浓度，并切换到理论空燃比的运转工况下。SPCCI模式可使发动机实现稳定运转，其在80%的工况范围内都可投入应用，并使整机油耗改善达20%，同时显著降低了CO2和NOx的排放量。

根据英国巴斯大学发动机与能源系统教授Jamie Turner博士的观点，HCCI技术能为发动机带来潜在的优势，以此可有效改善整机油耗，并相应降低NOx排放。

马勒方面已对MJI技术进行了较长时间的开发，但目前仍未完全掌握该项技术。Turner认为在4行程发动机上应用该项技术有着较高难度。

适应性探究

HCCI和预燃室技术仍有进一步优化的潜力。Tenneco动力总成的Alessandro Pino对此解释到，后者面临的主要挑战是需要研究人员提供更有效的参数设置，例如预燃室中喷嘴的位置、数量和尺寸对其布设高度较为敏感。通过调整上述元件，研究人员就能改变预燃室的工作状态。

技术挑战随之而来，研究人员需要开发1种有效的运行方式，使发动机可在所有工况和燃油策略下均实现合理运行。难点在于，某一种设计方案可在某一台发动机中充分发挥作用，但在其他机型中却可能无法投入使用。尽管如此，预燃室依然有着较好的技术应用潜力。

到目前为止，继续保留火花塞对点燃式发动机依然有着重要意义，而未来汽油机应用过程中所面临的差异将是其选用的燃料。未来，汽油机很可能燃用碳中性（carbon neutral）的生物燃油或合成燃油（e-fuel）。就火花塞本身而言，其能为后续缸内燃烧过程提供1个高能点火源。如果能在更低的成本下选配出具有更高点火能量的火花塞，该类产品将会很快得到应用。

电气化过程

Mike Bassett提到，对于传统乘用车和高性能发动机而言，普通混合动力和插电式混合动力将是未来数年内汽车领域的重要技术发展方向。不仅如此，电气化也能推动新一代内燃机的开发进程。预燃室所面临的技术挑战是需要设计出某个系统，使车用发动机在宽广的工况区域内均能实现高效运转。而配备有双离合变速箱或增程器的混合动力系统，仅会在一些特定的工况下进行运作。

作者：ANDREW CHARMAN

整理：王少辉

编辑：伍赛特