劉耀東 宮艷峰 李金成 陳海娥

（中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：預(yù)燃室 快速燃燒 稀燃 熱效率

1 前言

近年來，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)不斷受到油耗法規(guī)、排放法規(guī)和新能源發(fā)展的挑戰(zhàn)。如筆者前文所說[1]，目前，主流量產(chǎn)汽油機(jī)的有效熱效率為38～41%，未來，45%乃至更高的有效熱效率成為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展方向。為了達(dá)到這一目標(biāo)，需要從汽油機(jī)能量分配的角度，即摩擦、泵氣、傳熱、燃燒和排氣這幾個(gè)途徑來提升熱效率。預(yù)燃室能夠?qū)崿F(xiàn)快速而穩(wěn)定的燃燒，配合米勒循環(huán)、EGR和稀燃等技術(shù)，可以顯著地降低泵氣、傳熱和燃燒的損失，近年來在汽油機(jī)上的研究和應(yīng)用逐漸廣泛，被認(rèn)為是未來汽油機(jī)最有希望的技術(shù)路線之一[2-3]。

2 汽油機(jī)預(yù)燃室技術(shù)的研究現(xiàn)狀

預(yù)燃室一般位于氣缸蓋內(nèi)，通過一個(gè)或數(shù)個(gè)孔道與主燃室相連。預(yù)燃室內(nèi)安裝有火花塞，火花塞點(diǎn)燃的高溫、高壓氣體從孔道噴入主燃室，引燃其中的混合氣，從而進(jìn)行燃燒。預(yù)燃室可以分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。被動(dòng)式預(yù)燃室沒有輔助的燃油供給系統(tǒng)，依靠活塞上行將混合氣壓入預(yù)燃室內(nèi)，活塞下行將預(yù)燃室內(nèi)燃燒后的廢氣抽出；主動(dòng)式預(yù)燃室?guī)в休o助的燃油供給系統(tǒng)，將燃油或油氣混合氣噴入預(yù)燃室，有的預(yù)燃室還配備空氣泵，將燃燒后的廢氣強(qiáng)制排出預(yù)燃室。

世界上第一個(gè)具有預(yù)燃室結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)來自1918年的Ricardo Dolphin[4]，在此概念的啟發(fā)下，Toyota[5]、Ford[6]、Volkswagen[7]和 Honda[8]等都進(jìn)行過類似的設(shè)計(jì)，它們都具有較大的預(yù)燃室容積（一般大于主燃燒室容積的3%）和較大的預(yù)燃室噴孔直徑。后來，Gussak等人[9]根據(jù)射流引燃的概念設(shè)計(jì)了另外一種結(jié)構(gòu)，它具有較小的預(yù)燃室容積（一般小于主燃燒室容積的3%）和較小的預(yù)燃室噴孔直徑，相比前者，這種結(jié)構(gòu)使得預(yù)燃室中的射流火焰以更快的速度通過噴孔，在相同的時(shí)間內(nèi)，更廣泛地將燃燒產(chǎn)生的活性基分布到主燃室當(dāng)中，從而加快燃燒速度，拓寬稀燃極限?，F(xiàn)在的預(yù)燃室大多是后者的結(jié)構(gòu)。

由于汽油的點(diǎn)燃極限較窄，淬熄厚度較大[10]，一直以來，預(yù)燃室技術(shù)主要應(yīng)用在柴油機(jī)和氣體發(fā)動(dòng)機(jī)上。近年來，預(yù)燃室技術(shù)逐漸應(yīng)用于賽車的汽油機(jī)[11]，并且，隨著汽油機(jī)對(duì)熱效率和動(dòng)力性的雙重追求，乘用車汽油機(jī)預(yù)燃室的研究逐漸增多。MAHLE對(duì)預(yù)燃室的結(jié)構(gòu)、燃燒、排放和油耗等進(jìn)行了持續(xù)全面的研究[3,12-16]，并在多缸機(jī)上將油耗降低至200 g/（kW?h）。IAV也對(duì)預(yù)燃室的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)[2,17,18]，包括冷卻系統(tǒng)、低壓空氣/燃油噴射系統(tǒng)、爆震測量等。Honda等日本的公司在追求45%有效熱效率的道路上，也在考慮采用預(yù)燃室技術(shù)[11]，通過模擬，Yasuhiro等人在空燃比35和壓縮比16的條件下，將有效熱效率提升至47.2%。

本文主要針對(duì)汽油機(jī)預(yù)燃室技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和問題進(jìn)行研究和討論，為進(jìn)一步的產(chǎn)品開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

3 汽油機(jī)預(yù)燃室的優(yōu)勢(shì)

3.1 燃燒速度與燃燒重心

燃燒速度的加快和燃燒重心的提前，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程更接近等容燃燒，是提高燃燒效率的關(guān)鍵因素，其常規(guī)的手段包括：提高滾流比、增大沖程缸徑比、提高點(diǎn)火能量和多點(diǎn)點(diǎn)火等。對(duì)于汽油機(jī)預(yù)燃室來說，利用預(yù)燃室噴射進(jìn)入主燃室的“火焰”來引燃混合氣，不但可以提高缸內(nèi)的湍動(dòng)能，而且實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)點(diǎn)火和燃燒可控。

MAHLE的Michael Bunce和Hugh Blaxill在一臺(tái)壓縮比為14的單缸氣道噴射（PFI）汽油機(jī)上，研究了主動(dòng)式預(yù)燃室的燃燒[2]。結(jié)果表明，在小負(fù)荷的當(dāng)量比燃燒時(shí)（1 500 r/min，IMEP=550 kPa，如圖1所示），由于沒有爆震的限制，傳統(tǒng)火花點(diǎn)火的燃燒重心基本保持在8～10°CA，燃燒持續(xù)期也可達(dá)到15°CA，而預(yù)燃室在燃燒重心同樣為8～10°CA的情況下，燃燒持續(xù)期縮短至7°CA左右；在大負(fù)荷的當(dāng)量比燃燒時(shí)（2 500 r/min，IMEP=1 170 kPa，如圖2所示），由于爆震的限制，傳統(tǒng)火花點(diǎn)火的燃燒重心推后到17°CA，燃燒持續(xù)期也延長到19°CA，而同樣前提下，預(yù)燃室的燃燒重心只推后到12°CA，燃燒持續(xù)期也只有10°CA。另外可以看到，傳統(tǒng)火花點(diǎn)火的可燃極限在Lambda（過量空氣系數(shù)）為1.4左右，此時(shí)，燃燒速度顯著減小，大負(fù)荷的燃燒持續(xù)期增大到20～30°CA；而預(yù)燃室的可燃極限可以拓寬到Lambda為2.0左右，此時(shí)，小負(fù)荷的燃燒重心仍然可以控制到8～10°CA，大負(fù)荷的燃燒重心保持在15°CA之內(nèi)，燃燒持續(xù)期基本可以保持在20°CA之內(nèi)。

圖1 1 500 r/min，IMEP=550 kPa的燃燒[2]

圖2 2 500 r/min，IMEP=1 170 kPa的燃燒[2]

IAV的Marc Sens等人也研究了預(yù)燃室汽油機(jī)的燃燒[3]。在小負(fù)荷的當(dāng)量比燃燒時(shí)（1 500 r/min，BMEP=600 kPa，如圖3所示）,被動(dòng)式與主動(dòng)式預(yù)燃室的燃燒持續(xù)期相同，都為8°CA，而傳統(tǒng)火花點(diǎn)火的燃燒持續(xù)期為12°CA。另外，與MAHLE的研究結(jié)果一致，傳統(tǒng)火花點(diǎn)火的可燃極限在Lambda為1.4左右，此時(shí)，燃燒持續(xù)期顯著延長；被動(dòng)式預(yù)燃室雖然通過多點(diǎn)點(diǎn)火提高了燃燒速度，但由于預(yù)燃室內(nèi)容易殘留廢氣，所以可燃界限與傳統(tǒng)火花點(diǎn)火相差不大；而主動(dòng)式預(yù)燃室借助輔助燃油供給系統(tǒng)或空氣泵，可以將預(yù)燃室內(nèi)的廢氣排出，其燃燒持續(xù)期在Lambda大于2時(shí)，仍保持在15°CA之內(nèi)。

圖3 1 500 r/min，BMEP=600 kPa的燃燒[3]

由此可見，主動(dòng)式預(yù)燃室不但可以顯著地提高燃燒速度并提前燃燒重心，而且在稀燃的條件下仍然保持這一優(yōu)勢(shì)。這對(duì)大負(fù)荷爆震的抑制和小負(fù)荷燃燒的穩(wěn)定性都是十分重要的。

3.2 燃燒穩(wěn)定性

眾所周知，稀燃和高EGR是提高汽油機(jī)熱效率的有效方法。但與此同時(shí)，過稀的混合氣和過高EGR使得點(diǎn)火穩(wěn)定性變差，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟瑥亩鴮?dǎo)致循環(huán)變動(dòng)增大，甚至失火。主動(dòng)式預(yù)燃室可以通過輔助燃油供給系統(tǒng)和空氣泵實(shí)現(xiàn)預(yù)燃室內(nèi)的當(dāng)量比燃燒，隨后從預(yù)燃室噴出的射流火焰形成多點(diǎn)同時(shí)著火，改善了稀燃和高EGR下的燃燒速度。

IAV的Marc Sens等人給出了1 500 r/min，BMEP為600 kPa時(shí)，不同Lambda和EGR下的燃燒循環(huán)變動(dòng)[3]，如圖4和圖5所示。從圖中可以看到，當(dāng)Lambda超過1.4時(shí)，傳統(tǒng)火花點(diǎn)火和被動(dòng)式預(yù)燃室的COV（循環(huán)變動(dòng)）陡然增大，而主動(dòng)式預(yù)燃室在Lambda為2時(shí)，COV仍然小于2；當(dāng)EGR超過15%時(shí)，傳統(tǒng)火花點(diǎn)火的COV顯著增大，被動(dòng)式預(yù)燃室在EGR為25%時(shí)，COV也顯著增大，而主動(dòng)式預(yù)燃室在EGR超過30%時(shí)，仍然能保持不超過2%的COV。

圖4 不同Lambda的燃燒穩(wěn)定性[3]

由此可見，主動(dòng)式預(yù)燃室在Lambda小于2或者EGR為30%時(shí)，仍然能保持穩(wěn)定的燃燒，從而可以采用這兩種方法來提高有效熱效率。

圖5 不同EGR的燃燒穩(wěn)定性[3]

3.3 其它

如上所述，汽油機(jī)預(yù)燃室的核心優(yōu)勢(shì)在于它的快速燃燒和穩(wěn)定可控。這樣的優(yōu)勢(shì)可以彌補(bǔ)其它重要技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的負(fù)面影響。比如，米勒循環(huán)造成的缸內(nèi)湍動(dòng)能下降、大負(fù)荷區(qū)域爆震造成的混合氣加濃、稀燃或EGR造成的燃燒速度下降和燃燒不穩(wěn)定、提高壓縮比造成的爆震傾向增大等。

除此之外，若預(yù)燃室汽油機(jī)采用稀燃的燃燒方式，在Lambda為2左右時(shí)，由于燃燒溫度的降低，可以顯著降低NOx排放至傳統(tǒng)汽油機(jī)的1%左右，但同時(shí)HC排放升高至傳統(tǒng)汽油機(jī)的2～3倍[2,18]。

4 汽油機(jī)預(yù)燃室的問題

4.1 預(yù)燃室內(nèi)的換氣

汽油機(jī)預(yù)燃室面臨的一個(gè)核心問題就是預(yù)燃室內(nèi)的換氣。由于被動(dòng)式預(yù)燃室只能依靠活塞的運(yùn)動(dòng)來抽出和壓入氣體，所以很容易在預(yù)燃室內(nèi)殘留廢氣，它與傳統(tǒng)火花點(diǎn)火一樣難以拓寬可燃極限（如圖3～5所示）；而主動(dòng)式預(yù)燃室也需要依靠空氣泵和輔助的燃油噴射系統(tǒng)來進(jìn)行換氣。這樣一來，就會(huì)產(chǎn)生油束撞壁的問題。前文提到，目前汽油機(jī)預(yù)燃室的容積一般小于主燃燒室容積的3%，在如此小的容積內(nèi)，避免油束撞壁十分困難，實(shí)現(xiàn)較好的油氣混合更加不易。一旦油束撞壁嚴(yán)重或油氣混合不均勻，將造成過高的HC排放和預(yù)燃室積碳。

對(duì)此，IAV采用了一種燃油/空氣混合的噴射器來解決上述問題[17]。由于同時(shí)含有燃油和空氣的混合氣被噴入預(yù)燃室，所以既可以排出預(yù)燃室內(nèi)的殘留廢氣，又能避免大量的燃油撞壁。如圖6的模擬結(jié)果所示，傳統(tǒng)的液態(tài)燃油噴射器造成了23.1%的濕壁量，而燃油/空氣混合的噴射器只有0.8%的濕壁量。盡管如此，實(shí)際的效果還需要通過試驗(yàn)來檢驗(yàn)。

4.2 預(yù)燃室的傳熱

汽油機(jī)預(yù)燃室還需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題就是傳熱。一方面，預(yù)燃室代替?zhèn)鹘y(tǒng)火花塞會(huì)增大面容比，從而增大傳熱損失，這對(duì)熱效率的提升是一個(gè)不利的因素。另一方面，預(yù)燃室獨(dú)特的引燃模式，也造成了這樣的矛盾：大負(fù)荷時(shí)，為了防止預(yù)燃室過熱帶來的爆震傾向，需要對(duì)它進(jìn)行冷卻；而小負(fù)荷和冷啟動(dòng)時(shí)，為了防止預(yù)燃室過冷帶來的火焰淬熄，需要保持它“暖”的狀態(tài)。

圖6 模擬的燃油撞壁量對(duì)比[17]

針對(duì)汽油機(jī)預(yù)燃室的上述問題，可以通過以下一些方法解決：

（1）優(yōu)化燃燒室，使得面容比盡量小，這包括預(yù)燃室容積和形狀、內(nèi)置火花塞位置、以及活塞幾何形狀的設(shè)計(jì)等；

（2）設(shè)計(jì)預(yù)燃室的水套和加熱裝置。通過水套冷卻降低大負(fù)荷時(shí)預(yù)燃室的溫度，防止預(yù)燃室過熱造成爆震；通過加熱裝置在小負(fù)荷和冷啟動(dòng)時(shí)快速暖機(jī)，防止預(yù)燃室過冷造成火焰淬熄。

（3）合理選取預(yù)燃室材料的導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)過小，導(dǎo)致大負(fù)荷時(shí)預(yù)燃室降溫緩慢，容易造成過熱，增大爆震傾向；導(dǎo)熱系數(shù)過大，容易造成熱損失增大。

（4）合理設(shè)計(jì)預(yù)燃室的孔徑大小?？讖竭^大，容易造成大負(fù)荷時(shí)射流火焰減弱，從而降低燃燒速度，增大爆震傾向；孔徑過小，容易造成小負(fù)荷和冷啟動(dòng)時(shí)火焰淬熄。

綜上所述，鑒于預(yù)燃室獨(dú)特的引燃模式，在設(shè)計(jì)時(shí)更加需要全面考慮和平衡各個(gè)因素的影響，以達(dá)到精益化的目標(biāo)。

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4.3 催化器的快速起燃

雖然汽油機(jī)預(yù)燃室的快速燃燒帶來了熱效率和抗爆性的提升，但在冷啟動(dòng)時(shí)，由于壁面過冷，火焰容易淬熄，所以燃燒重心不能特別靠后，然而催化器的快速起燃卻希望非?？亢蟮娜紵匦囊员３州^高的排放溫度。

這種矛盾在實(shí)際工程當(dāng)中需要尋求平衡。可以通過設(shè)計(jì)預(yù)燃室容積大小、孔徑大小、噴孔布置等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以同時(shí)滿足冷啟動(dòng)和快速燃燒的需求。

4.4 可靠性與耐久性

目前，尚未見到較為成熟的預(yù)燃室應(yīng)用在量產(chǎn)汽油機(jī)上，多數(shù)文獻(xiàn)和報(bào)道都限于研究當(dāng)中，只有部分應(yīng)用于賽車汽油機(jī)[11]。其主要原因除了上述的換氣、傳熱等問題之外，還有量產(chǎn)上更為關(guān)注的可靠性和耐久性。

從上面論述中可以看到，在預(yù)燃室非常狹小的空間內(nèi)，不斷地進(jìn)行換氣、噴油、點(diǎn)火和燃燒，并在大、小負(fù)荷切換時(shí)，伴隨著反復(fù)的冷熱交替。相比于傳統(tǒng)汽油機(jī)，如此條件下的預(yù)燃室內(nèi)更易產(chǎn)生積碳，且很難燒掉和排出，若孔徑設(shè)計(jì)過小，也容易造成堵塞。長時(shí)間運(yùn)行下，預(yù)燃室的可靠性和耐久性都將是一個(gè)挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論及啟示

隨著內(nèi)燃機(jī)對(duì)更高熱效率的追求，預(yù)燃室技術(shù)以其突出的快速燃燒和稀燃能力日受矚目。表1總結(jié)了傳統(tǒng)汽油機(jī)與預(yù)燃室汽油機(jī)在各方面的對(duì)比。

從對(duì)比中可以看到，預(yù)燃室技術(shù)在燃燒速度、稀燃能力、燃燒穩(wěn)定性和熱效率等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，其燃燒特性對(duì)熱效率的提升起到了關(guān)鍵的作用；但與此同時(shí)，由于換氣、傳熱、可靠性，甚至稀燃后處理等方面的問題，導(dǎo)致預(yù)燃室的輔助技術(shù)成本提升，加之極限工作狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性等問題，使得汽油機(jī)預(yù)燃室尚未量產(chǎn)。盡管如此，隨著各領(lǐng)域技術(shù)的成熟和突破，預(yù)燃室技術(shù)在汽油機(jī)上將發(fā)揮更大的作用和潛力。

表1 傳統(tǒng)汽油機(jī)與預(yù)燃室汽油機(jī)的對(duì)比