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王 巍，赵自庆，蔡开源，刘 奕，刘 尚，刘 伟，王 志
（清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084）
内燃机是交通运输领域最常用的动力装置，其在航空、船舶、工程机械等领域也有较为广泛的应用。根据IEA的预测［1］，到2030年，全球采用内燃机的车辆占比仍大于85%。目前绝大部分内燃机仍以石油作为主要能量来源，持续增长的内燃机市场使我国原油进口依存度逐年提高，对国家能源安全造成了巨大威胁。在此背景下，我国承诺在2030年实现“碳达峰”，2060年实现“碳中和”，持续推动内燃机节能减排将有效促进交通领域提前实现“双碳”目标。因此，内燃机亟需进行技术革新，使用绿色、低碳、可再生清洁燃料，结合高效燃烧技术，降低环境影响，使内燃机换发新的生机。
天然气（CH4）是一种低碳的替代燃料，相比于传统汽油、柴油等化石燃料，天然气成分以甲烷为主，分子中含碳量低，使用天然气作为燃料可降低CO2排放约25%，同时天然气燃烧产生的颗粒物排放低。天然气的辛烷值高（＞120），具有良好的抗爆性能，但是难以实现压燃，因而目前天然气发动机主要采用火花点火［2］和双燃料预混引燃［3］这两种燃烧模式。其中火花点火模式在天然气发动机中应用最为广泛［4］。为了提高发动机热效率，提高压缩比是常用的有效手段之一，但压缩比过高会导致爆震等不正常燃烧现象［5］，给发动机运行的稳定性和可靠性带来威胁。采用稀燃和废气再循环技术（EGR）有利于抑制爆震，同时提高循环热效率，但在稀燃和高EGR条件下，天然气难以点燃且火焰传播速度慢，燃烧恶化［6］。为了提高稀燃条件下的点火稳定性，需要采用高能点火技术，而射流点火是其中一种点火能量较高、结构简单、成本较低的高能点火技术，相比于传统火花塞，射流点火技术可将点火能量提高2～3个数量级［7］。
射流点火技术分为被动和主动两种，其工作模式均为火花塞先点燃射流室内的混合气，形成高温高速的火焰射流并通过射流喷孔进入主燃室，进而引燃主燃室的混合气。其区别在于被动射流模式下射流室和主燃室的混合气浓度相同，而主动射流模式下可向射流室内部独立喷射辅助燃料，在射流室和主燃室形成浓度分布不均的分层混合气。对于被动射流点火，Shah等［8］基于天然气单缸发动机开展了试验。结果表明，相比于传统火花塞，射流点火可将燃烧持续期缩短30%左右，并且拓展了发动机的稀释稀燃极限。Takashima等［9］在一台小排量发动机上开展了试验研究。结果表明，点火位置对射流点火性能有较大影响，点火位置靠近射流喷孔时有利于拓展稀燃极限。相比于被动射流点火，主动射流点火具有更强的拓展稀燃极限的能力。Shah等［10］在一台天然气单缸机上开展了试验研究。结果表明，采用主动射流点火后稀燃极限拓展至λ=2.9，而被动射流点火的稀燃极限仅为λ=1.7。Baumgartner等［11］基于一台天然气单缸机研究了射流室结构、天然气喷射时刻和脉宽对发动机燃烧和排放特性的影响。结果表明，减小射流喷孔面积有利于提高射流速度，适当增大射流喷孔面积并将射流方向引导到活塞上面的挤流区域，有利于提高发动机的燃烧性能。
为了实现更好的射流燃烧效果，需要对射流燃烧的技术参数进行优化。射流室的喷射参数对射流点火发动机的燃烧特性有重要影响，而针对主动喷射策略（尤其是喷射压力、喷射脉宽等）对射流燃烧特性影响的系统研究较少，因此本文基于天然气射流点火发动机，研究了主动喷射压力和脉宽对整机燃烧特性、热效率的影响，为主动射流点火燃烧系统研发提供依据。
本研究在一台射流点火天然气单缸机上进行，该单缸机由一台1.8 L火花点火天然气发动机改造而来，在进气道和射流室内均安装有天然气喷射器，向主燃室和射流室内独立供应天然气，能够实现被动射流点火和主动射流点火两种点火方式。发动机的主要技术参数如表1所示，图1是试验台架的示意图。图2是发动机射流室结构示意图，其中主动射流天然气喷射器可向射流室喷射辅助燃料（天然气），射流室形成的火焰射流通过射流喷孔进入主燃室。试验所用射流室的体积为活塞位于压缩上止点时主燃室体积的2%。
图2 射流室结构示意图
表1 发动机技术参数
图1 试验台架示意图
发动机采用NI控制系统实现对进气压力、燃料喷射时刻和喷射脉宽、点火时刻等精确测量和控制，使用Kistler 6115C型缸压传感器采集缸内压力并通过NI控制系统记录、输出数据，试验中发动机转速稳定在800 r·min-1，常规气体排通过排放仪Horiba MEXA7200进行采集分析。试验所用的主要设备如表2所示。
表2 试验设备参数
试验研究了天然气单缸机在主动射流点火条件下喷射脉宽和喷射压力对发动机燃烧特性的影响。采用进气道喷射天然气，试验时保持进气道天然气喷嘴的喷射压力为0.8 MPa，使得进气道形成过量空气系数为1.6的天然气预混合气。射流室内安装直喷喷射器，通过控制喷射器的脉宽来调节天然气喷射量。试验过程中，射流室内天然气喷射压力在0.5～3.0 MPa变化。进气道喷射器、射流室直喷喷射器均由NI控制系统精准调节喷射时刻和脉宽。表3列出了本试验的工况参数。其中，天然气进气道喷射脉宽保持为18 ms，天然气进气道喷射流量稳定在1.37 kg/h；
天然气射流室主动喷射根据喷射压力和脉宽的不同，流量范围为0.28～1.93 g/min，占混合气总能量的1.2%～7.8%。
表3 试验工况参数
2.1 主动和被动射流点火效果对比
图3（a）示出了主/被动射流模式下，发动机连续50个循环的缸内压力曲线。可以看出：主燃室稀燃工况下，采用被动射流点火，发动机缸内压力的波动较大，出现了失火的现象，燃烧不稳定；
采用主动射流点火，发动机无失火现象出现，燃烧稳定性改善。图3（b）示出了图3（a）中被动射流点火模式下前6个循环的缸压曲线图，循环出现的顺序如图所示：第1个循环为正常燃烧，第2个循环发生了失火（燃烧不稳定造成），第3个循环爆发压力最高，其原因在于上一个循环残余的燃料（活性成分）保留到了下一个循环，使得该循环混合气加浓，着火提前，缸压升高。
图3 主/被动射流模式的缸压曲线
图4示出了相同负荷和点火时刻下，主动和被动射流点火模式的缸压和放热速率曲线。两个工况的指示平均有效压力均为0.62 MPa，点火时刻均为-24°CA ATDC，其中主动射流点火工况的进气道天然气喷射脉宽为19 ms，射流室天然气主动喷射时刻为-30°CA ATDC，喷射脉宽为2 ms；
被动射流点火工况的进气道天然气喷射脉宽为19 ms，无射流室主动喷射。
图4 主/被动射流点火模式下的缸压和放热率
从图中可以看出，在相同负荷和点火时刻条件下，主动射流点火模式的主燃室峰值压力和峰值放热速率更高，并且峰值压力出现的时刻明显提前，燃烧相位整体前移。这表明，相较于被动射流点火，主动射流点火具有更高的点火能量，可显著加快燃烧速度，有利于提高燃烧等容度，进而提高热效率。
2.2 主动喷射压力对发动机燃烧特性的影响
图5示出了主动喷射脉宽为2和5 ms时不同主动喷射压力下的缸压和放热速率。
图5 相同喷射脉宽时不同主动喷射压力下的燃烧特性
在喷射脉宽较低（2 ms）时，随着主动喷射压力增大，发动机的缸压和放热速率峰值单调升高，且燃烧相位明显提前；
由局部放大图可知，在-20°CA ATDC附近，主燃室的放热速率有明显的抬升，这是射流室形成的火焰射流进入主燃室导致的，放热速率抬升的幅度取决于射流火焰能量的大小。随着主动喷射压力的增大，放热速率抬升幅度增大，表明射流火焰的能量增强。这是由于主动喷射压力增大，射流室内混合气浓度增大，燃烧释放的热量更多，产生能量更高的火焰射流。而在喷射脉宽较大（5 ms）时，随着主动喷射压力增大，发动机的缸压和放热速率峰值先升高后降低，在喷射压力为2.0 MPa时达到最大，此时燃烧相位最为靠前，燃烧速率最快。由局部放大图可知，当喷射压力小于1.5 MPa时，放热速率呈两阶段变化特征：主燃室放热速率先小幅度抬升而后下降（射流火焰进入主燃室），此后放热速率继续增大（主燃室内混合气被射流火焰引燃）。当喷射压力大于1.5 MPa时，主燃室放热速率呈现单阶段特征，这是由于射流火焰能量高，主燃室混合气被迅速引燃，因此燃烧初始阶段放热速率单调增加。
当主动喷射压力或主动喷射脉宽较低时，增加喷射压力和喷射脉宽均可提高发动机的峰值燃烧压力和峰值放热速率，这是由于增大喷射压力或脉宽，喷入射流室的天然气量增多，在射流室内形成更富集的天然气混合气，使得燃烧相位提前，主燃室混合气燃烧速度提高，燃烧等容度提高，进而循环热效率增加。当射流室内混合气被火花塞点燃后，富集的混合气燃烧释放更多的热量，燃烧压力更高，射流室和主燃室之间产生更高的压差，进而产生速度更高、温度更高、贯穿距离更长的火焰射流，这样可以产生更多的着火点位，并且更高的射流温度更容易引燃主燃室的稀混合气，因此提高了主燃室混合气的燃烧速度。当喷射压力或喷射脉宽继续增大时，射流室的天然气喷射量进一步增大，在射流室内形成了过浓的混合气，混合气过浓不利于射流室内火焰的传播，进而导致火焰射流的速度和贯穿距离降低，射流点火的效果减弱，因此主燃室混合气的燃烧速度和峰值放热速率降低，混合气燃烧速度降低。
图6和图7分别示出了主动喷射压力和喷射脉宽对燃烧相位CA50和燃烧持续期的影响。本文中燃烧持续期定义为从燃烧放热达到整体放热量的10%到90%所经历的曲轴转角。
图6 不同主动喷射压力和脉宽下的燃烧相位
图7 不同主动喷射压力和脉宽下的燃烧持续期
由图6可知：在2～4 ms脉宽范围内，相同喷射脉宽下，CA50随着主动喷射压力的增大而逐渐提前，相同喷射压力下，CA50随着喷射脉宽的增大而逐渐提前；
当喷射脉宽为1或5 ms时，高喷射压力才会出现燃烧迟滞现象。以上结果与前述缸压、放热速率的分析一致。
由图7可知，随着喷射压力和喷射脉宽增大，整体燃烧持续期的变化趋势和燃烧相位的变化趋势不尽相同。只有在最低的喷射压力（0.5 MPa）时，喷射脉宽增大使燃烧持续期有所降低。在其他喷射压力下，随着喷射脉宽的增大，燃烧持续期均增大，这与燃烧相位的提前趋势恰好相反，主要由于长喷射脉宽使射流室中天然气增多，较浓混合气燃烧虽然可以产生较高的射流点火能量，进而提高燃烧速度，燃烧质心前移，但是由于射流室内部的混合气过浓，导致无法完全燃烧，射流室和主燃室的换气不充分，导致射流室内部残余天然气需要更长时间才能燃烧充分，整体的燃烧持续期增加。
图8示出了不同主动喷射压力和喷射脉宽下发动机负荷的循环波动率。可以明显看出，当喷射压力为0.5 MPa，喷射脉宽为1 ms时，发动机的循环波动率达到了4.2%，发动机燃烧的稳定性较差。这主要由于射流室内天然气较少，在主燃室稀薄燃烧的环境下，点火能量不足，循环波动增加。随着喷射压力和脉宽的增大，发动机的循环波动率稳定在1%左右，燃烧稳定性提高，且在稳定燃烧条件下，发动机的循环波动率受主动喷射脉宽和喷射压力的影响较小。
图8 不同喷射压力和脉宽下的循环波动率
图9和图10分别对比了不同主动喷射压力和脉宽下平均指示压力（IMEP）和指示热效率的变化。
试验中，每个工况点的进气道喷射的天然气的量是相同的，同时点火时刻也保持相同。随着主动喷射压力和脉宽的增大，每循环进入燃烧室的天然气总量增加，但由图9可知，在喷射压力达到1.5 MPa后，随着喷射脉宽的增大，发动机的IMEP降低。由图10可知，只有在喷射脉宽较低（1 ms）时，主动喷射压力对指示热效率影响较小。随着喷射脉宽的增大，不同喷射压力下的指示热效率的差异逐渐增大，且指示热效率随着主动喷射压力的增大而降低。综合来看，在较低的喷射压力下，即喷射压力为0.5和1.0 MPa时，发动机指示热效率最高，且指示热效率随喷射脉宽的增大变化小。随着喷射压力进一步增大，指示热效率降低，且相同喷射压力下，喷射脉宽越大，指示热效率越低。这主要由两方面原因导致：（1）随着主动喷射压力和喷射脉宽增大，发动机峰值放热速率增大，且燃烧质心提前，在保持点火提前角不变的前提下，CA50将过于提前，未处于最优燃烧相位，这是导致指示热效率降低的主要原因；
（2）由于主动喷射压力和喷射脉宽增大，射流室内形成过浓的混合气，导致燃烧不完全不充分，喷射压力和脉宽过高时，过浓的混合气还会阻碍火焰射流的产生，这将进一步降低循环热效率。
图9 主动喷射脉宽和喷射压力对IMEP的影响
图10 主动喷射脉宽和喷射压力对指示热效率的影响
本文在一台天然气射流点火单缸机上研究了主动射流点火模式下，主动射流气体喷射压力和喷射脉宽对射流燃烧特性和热效率的影响，主要得出以下结论：
（1）相比于被动射流点火，在相同的负荷和点火时刻条件下，主动射流点火模式着火相位提前，峰值燃烧压力和峰值放热速率均明显提高，燃烧初期速度加快。
（2）主动喷射压力和喷射脉宽低时，循环波动大，此时增加主动喷射压力和喷射脉宽可以提高燃烧稳定性。在稳定燃烧条件下（循环波动率小于1.5%），继续增加主动喷射压力和脉宽对循环波动影响较小。
（3）增大主动喷射压力和喷射脉宽可提高峰值燃烧压力和峰值放热速率，使初始阶段燃烧速度加快，但会导致整体燃烧持续期延长。
（4）在保证燃烧稳定性的前提下，固定点火提前角，采用较低的主动喷射压力和脉宽，使得射流室内混合气能充分燃烧，并能产生较高能量的火焰射流，此时指示热效率高。样机优化的喷射策略为：主动喷射压力0.5 MPa，主动喷射脉宽2～5 ms时，指示热效率提高2.8%。
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