鄭尊清，王夢(mèng)凱，陳 鵬，張 凡，堯命發(fā)

（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

0 概述

中國(guó)柴油車(chē)的數(shù)量眾多且排放污染形勢(shì)嚴(yán)峻，2019年柴油車(chē)NOx排放量超過(guò)汽車(chē)排放總量的80%，顆粒物排放量超過(guò)90%［1］。降低柴油機(jī)的NOx及碳煙排放是控制移動(dòng)源污染的重要方向。

汽油類(lèi)燃料由于高辛烷值和高揮發(fā)性的特點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)較為充分的預(yù)混合，在壓燃燃燒的較大負(fù)荷范圍可以保持較低的NOx及碳煙排放，同時(shí)指示熱效率可保持與柴油相當(dāng)?shù)乃剑陙?lái)基于重型柴油機(jī)平臺(tái)的汽油壓燃得到了廣泛研究［2–4］。然而，由于汽油的十六烷值低，其低負(fù)荷工況下難以壓燃著火，低負(fù)荷的燃燒穩(wěn)定性成為制約其發(fā)展的瓶頸。已有研究表明，采用高的進(jìn)氣溫度及進(jìn)氣壓力可明顯改善燃燒穩(wěn)定性［5–6］，但是過(guò)高的進(jìn)氣壓力在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的低負(fù)荷工況很難實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［7］中在一臺(tái)重型柴油機(jī)上開(kāi)展了不同高辛烷值燃料的研究，結(jié)果表明辛烷值大于90 的燃料在平均指示壓力（indicated mean effective pressure，IMEP）小于1.0 MPa 的工況難以穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)［8］中研究表明，在40 ℃進(jìn)氣溫度及180 kPa 進(jìn)氣增壓條件下，辛烷值為87.1 的汽油很難在IMEP 小于0.7 MPa 的工況實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。一些學(xué)者研究了改變氣門(mén)相位從而增強(qiáng)缸內(nèi)熱力學(xué)氛圍的方法，如采用負(fù)氣門(mén)重疊（negative valve overlap，NVO）策略等來(lái)提高低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性［9–10］。文獻(xiàn)［11］中通過(guò)排氣門(mén)兩次開(kāi)啟策略實(shí)現(xiàn)內(nèi)部廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）控制，在自然吸氣條件即可獲得IMEP 為0.46 MPa 的穩(wěn)定汽油壓燃。然而，內(nèi)部EGR 需要燃燒后才能發(fā)揮提高缸內(nèi)溫度從而促進(jìn)自燃著火的作用，無(wú)法保證起動(dòng)工況燃燒的實(shí)現(xiàn)。

火花點(diǎn)火是汽油機(jī)常規(guī)的點(diǎn)火手段，火花塞放電點(diǎn)燃混合氣后，火核形成并且火焰快速傳播從而實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)的穩(wěn)定燃燒。而對(duì)于汽油壓燃來(lái)說(shuō)，使用火花點(diǎn)火輔助也是一種切實(shí)可行的方法，可以降低著火對(duì)缸內(nèi)熱力學(xué)氛圍的依賴，改善低負(fù)荷較低進(jìn)氣溫度和壓力條件下的著火和燃燒。文獻(xiàn)［12–13］中在單缸排量0.54 L 的輕型柴油機(jī)上研究論證了火花輔助實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷汽油壓燃穩(wěn)定燃燒的可行性，并通過(guò)兩次噴油策略提高了燃燒效率及燃油經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［14］中提出火花控制壓燃著火（spark controlled compression ignition，SPCCI）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了火花輔助壓燃，但其主要基于汽油機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，基于重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的火花輔助汽油壓燃研究還鮮有報(bào)道。

火花輔助雖然可以降低汽油著火對(duì)熱力學(xué)條件的依賴，但進(jìn)氣壓力和溫度仍對(duì)火花輔助汽油壓燃的著火燃燒和性能有重要影響，尤其是在低負(fù)荷工況。探明進(jìn)氣壓力和溫度對(duì)低負(fù)荷汽油壓燃的影響規(guī)律對(duì)于低負(fù)荷火花輔助汽油壓燃的燃燒組織和優(yōu)化具有重要意義。在此背景下，在一臺(tái)由6 缸重型柴油機(jī)改裝的單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了進(jìn)氣壓力及進(jìn)氣溫度對(duì)火花輔助汽油壓燃燃燒及排放的影響，以探索低負(fù)荷工況火花輔助汽油壓燃穩(wěn)定燃燒的控制策略，對(duì)于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全工況火花輔助汽油高效清潔燃燒具有重要意義。

1 試驗(yàn)設(shè)備及研究方法

本研究使用的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架如圖1 所示。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)由6 缸柴油機(jī)改裝而來(lái)的單缸機(jī)，第6 缸作為試驗(yàn)缸，火花塞安裝在進(jìn)排氣門(mén)之間，如圖2所示。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

圖2 火花塞位置示意圖

臺(tái)架主要由空氣壓縮機(jī)模擬的進(jìn)氣增壓系統(tǒng)、進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、噴油和點(diǎn)火控制系統(tǒng)及排放分析系統(tǒng)等部分組成。通過(guò)一臺(tái)螺桿空氣壓縮機(jī)，進(jìn)氣增壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)100 kPa～400 kPa 的進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)；進(jìn)氣加熱通過(guò)電加熱器實(shí)現(xiàn)，并可以通過(guò)反饋調(diào)節(jié)控制進(jìn)氣溫度；點(diǎn)火系統(tǒng)主要由點(diǎn)火控制單元、火花塞、高能點(diǎn)火線圈及供電電源組成，點(diǎn)火能量為70 mJ。氣體排放主要通過(guò)HORIBA 公司的MEXA—7100DEGR 排氣分析儀測(cè)量。

此外，通過(guò)自制的缸壓采集和燃燒分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒缸壓的信號(hào)采集及處理，缸壓采集的分辨率為0.5°曲軸轉(zhuǎn)角。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每次采集100 個(gè)循環(huán)的缸壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

試驗(yàn)所用燃料為國(guó)產(chǎn)92 號(hào)乙醇汽油，汽油中乙醇的體積分?jǐn)?shù)為10%，試驗(yàn)的具體條件參數(shù)如表2所示?？紤]到試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的承受能力，試驗(yàn)過(guò)程中的最大壓升率（maximum pressure rise rate，MPRR）限值設(shè)定為1 MPa/（°）。低負(fù)荷的燃燒穩(wěn)定性通過(guò)IMEP 的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)來(lái)表征，為滿足穩(wěn)定性條件，規(guī)定平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)需小于5.00%。

表2 試驗(yàn)條件參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 低負(fù)荷火花輔助汽油壓燃燃燒階段劃分

首先，以125 kPa 進(jìn)氣壓力、上止點(diǎn)前（before top dead center，BTDC）32°（記為-32°，依此類(lèi)推）噴油、-15°點(diǎn)火的工況為例分析火花輔助壓燃的放熱特點(diǎn)，放熱率如圖3 所示。采用放熱率二階導(dǎo)數(shù)（以下簡(jiǎn)稱“二階導(dǎo)數(shù)”）來(lái)表征燃燒過(guò)程的發(fā)展變化［15–18］，劃分出3 個(gè)燃燒階段，并通過(guò)二階導(dǎo)數(shù)計(jì)算出的最大值來(lái)判斷自燃發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)。在點(diǎn)火時(shí)刻（spark timing，ST）點(diǎn)火后火核形成，火花塞電極附近的較濃混合氣迅速被點(diǎn)燃，燃燒的第1 階段開(kāi)始，此時(shí)是火核形成及初步增長(zhǎng)的過(guò)程，燃燒速率上升相對(duì)較快；在二階導(dǎo)數(shù)的第1 個(gè)波谷位置是第1 個(gè)拐點(diǎn)，即圖中火焰?zhèn)鞑ィ╢lame propagation，F(xiàn)P）點(diǎn)，代表第1 階段已基本結(jié)束，燃燒進(jìn)入較平穩(wěn)的火焰?zhèn)鞑ルA段，F(xiàn)P 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角記為CAFP；在二階導(dǎo)數(shù)的第2 個(gè)波峰位置出現(xiàn)第2 個(gè)拐點(diǎn)，燃燒速率突然加快，此時(shí)一方面壓縮終了的溫度壓力較高，另一方面火焰?zhèn)鞑メ尫懦龃罅康臒?，使得剩余的混合氣發(fā)生自燃，從圖中自燃（compression ignition，CI）點(diǎn)開(kāi)始燃燒進(jìn)入快速的壓燃著火階段，CI 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角記為CACI。CA90 為燃燒放熱量90% 對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，為燃燒終點(diǎn)；CA50 為燃燒放熱量50% 對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，稱為燃燒相位。

圖3 火花輔助汽油壓燃燃燒階段劃分

2.2 進(jìn)氣壓力對(duì)低負(fù)荷火花輔助壓燃的影響

圖4 為不同進(jìn)氣壓力條件下，噴油正時(shí)及點(diǎn)火正時(shí)改變對(duì)火花輔助壓燃IMEP 循環(huán)變動(dòng)的影響。為更全面探究穩(wěn)定性的變化，在滿足壓升率限值條件下，試驗(yàn)邊界IMEP 的循環(huán)變動(dòng)最大為15%。點(diǎn)火時(shí)刻從-12°到-21°變化，噴油時(shí)刻（start of injection，SOI）在-24°～-34°范圍內(nèi)，得出燃燒循環(huán)變動(dòng)的等高線圖，見(jiàn)圖4。

圖4 不同進(jìn)氣壓力下噴油正時(shí)、點(diǎn)火正時(shí)對(duì)平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)的影響

火花塞點(diǎn)火時(shí)電極附近的混合氣濃度分布對(duì)火花輔助壓燃影響很大。為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火時(shí)合理的混合氣分層，噴油正時(shí)需要與燃燒室結(jié)構(gòu)相配合，當(dāng)噴油正時(shí)過(guò)早或者過(guò)晚時(shí)活塞位置不利于引導(dǎo)噴油到火花塞附近，均不利于點(diǎn)火。同時(shí)，進(jìn)氣壓力對(duì)噴霧貫穿、油氣混合也具有重要影響，進(jìn)而影響到點(diǎn)火時(shí)刻火花塞附近混合氣濃度分布狀況。因此，每個(gè)進(jìn)氣壓力下都存在對(duì)應(yīng)穩(wěn)定燃燒的噴油范圍，且噴油正時(shí)與點(diǎn)火正時(shí)的間隔需要在合理范圍內(nèi)。圖5 是125 kPa 進(jìn)氣、-30°噴油時(shí)不同點(diǎn)火正時(shí)對(duì)應(yīng)的缸壓及放熱率曲線，當(dāng)噴油與點(diǎn)火的間隔較小、點(diǎn)火正時(shí)靠前時(shí)（如點(diǎn)火正時(shí)-18°），火焰?zhèn)鞑ジ?，混合氣達(dá)到自燃的時(shí)刻相應(yīng)提前，燃燒相位過(guò)于靠前使壓力升高率增加超出限值；當(dāng)間隔過(guò)大時(shí)（如點(diǎn)火正時(shí)-14°），火花塞附近的混合氣較稀難以點(diǎn)火，且混合氣自燃時(shí)刻過(guò)于靠后，燃燒不滿足循環(huán)變動(dòng)小于5% 的要求。

圖5 點(diǎn)火正時(shí)對(duì)火花輔助壓燃的影響

提高進(jìn)氣壓力后，滿足穩(wěn)定燃燒（MPRR＜1.0 MPa/（°），IMEP 循環(huán)變動(dòng)＜5%）的噴油正時(shí)區(qū)域逐步減小。這主要是因?yàn)檫M(jìn)氣量增多，缸內(nèi)混合氣被稀釋，同時(shí)噴霧貫穿速率變慢，噴油正時(shí)較晚時(shí)火花塞附近不能形成適合點(diǎn)火的混合氣，難以保證穩(wěn)定的火花輔助著火和燃燒。雖然提高進(jìn)氣壓力使噴油正時(shí)的可調(diào)范圍減小，但是點(diǎn)火正時(shí)的可調(diào)區(qū)域有所擴(kuò)大。進(jìn)氣壓力升高后噴油與點(diǎn)火正時(shí)的最小間隔有所減小，這是因?yàn)檫M(jìn)氣量增加后混合氣的火焰?zhèn)鞑p慢，因此高進(jìn)氣壓力下點(diǎn)火正時(shí)可以更加提前，壓升率也不至于過(guò)高。

圖6 是125 kPa 及140 kPa 進(jìn)氣壓力下的最大壓升率等高圖。由圖6 可知，點(diǎn)火正時(shí)對(duì)125 kPa進(jìn)氣的壓力升高率影響更大，在部分點(diǎn)火靠前的區(qū)域燃燒相位過(guò)于提前，燃燒過(guò)于粗暴，壓升率超出1 MPa/（°）限值；而進(jìn)氣壓力為140 kPa 時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俾蕼p慢，壓升率相應(yīng)降低，在試驗(yàn)的全局范圍內(nèi)最高的最大壓升率為0.83 MPa/（°），避免了部分工況壓升率過(guò)高的問(wèn)題。

圖6 125 kPa 和140 kPa 進(jìn)氣壓力下的最大壓升率

為了更好地分析進(jìn)氣壓力對(duì)火花輔助壓燃的燃燒放熱的影響，對(duì)3 個(gè)進(jìn)氣壓力下最高熱效率點(diǎn)的缸壓及放熱率曲線比較分析，如圖7 所示。圖中SOI26-ST13 表示自然吸氣時(shí)的最大熱效率點(diǎn)為-26°噴油、-13°點(diǎn)火，依此類(lèi)推。當(dāng)進(jìn)氣壓力升高時(shí)，最高指示熱效率對(duì)應(yīng)的噴油及點(diǎn)火正時(shí)都相應(yīng)提前，同時(shí)最高熱效率點(diǎn)的CA50 也略微提前。低進(jìn)氣壓力下，點(diǎn)燃后的火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬?duì)更快，但高進(jìn)氣壓力工況點(diǎn)的壓燃時(shí)刻更早，自燃著火放熱更加集中。

圖7 不同進(jìn)氣壓力下最大指示熱效率點(diǎn)的缸壓及放熱率

進(jìn)一步針對(duì)圖7 中的3 個(gè)工況點(diǎn)，分析3 個(gè)燃燒階段的持續(xù)期及對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的放熱量比例，如圖8 所示。圖中CAFP—ST 表示從點(diǎn)火到火焰?zhèn)鞑ラ_(kāi)始的持續(xù)期，CACI—CAFP 表示火焰?zhèn)鞑サ阶匀及l(fā)生的持續(xù)期，CA90—CACI 表示自燃發(fā)生后的持續(xù)期。由圖8（a）可知，3 個(gè)工況點(diǎn)的燃燒第1階段經(jīng)歷的時(shí)長(zhǎng)基本一致，第2 階段的持續(xù)期隨進(jìn)氣壓力的增加略有縮短，而自燃放熱階段的持續(xù)期隨進(jìn)氣壓力的提高明顯減小。

圖8 各進(jìn)氣壓力最高指示熱效率工況點(diǎn)3 個(gè)階段的持續(xù)期及放熱比例

在低進(jìn)氣壓力下，點(diǎn)火后的第1 階段火焰?zhèn)鞑グl(fā)展速率較快，在相近的曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)間內(nèi)自然吸氣工況的放熱比例大致為140 kPa 工況放熱量的兩倍（圖8（b））。這說(shuō)明本研究條件下，高進(jìn)氣壓力對(duì)火花輔助點(diǎn)火的初期火核形成和火焰發(fā)展帶來(lái)一定的抑制作用，同時(shí)也減慢了第2 階段火焰?zhèn)鞑サ乃俣?。?dāng)進(jìn)氣壓力進(jìn)一步增加至155 kPa 時(shí)，此時(shí)已沒(méi)有穩(wěn)定著火（循環(huán)變動(dòng)＜5%）的噴油和點(diǎn)火控制區(qū)域，主要原因在于火花輔助不能形成穩(wěn)定的火核和火焰?zhèn)鞑ィ簿蜔o(wú)法有效觸發(fā)后期自燃著火。

在火焰發(fā)展的第2 階段，低進(jìn)氣壓力的火焰?zhèn)鞑シ艧崴俣韧瑯涌煊诟哌M(jìn)氣壓力工況；但由于高進(jìn)氣壓力更容易形成有利于自燃著火的熱氛圍，對(duì)火焰?zhèn)鞑シ艧崃康男枨蟾?，因此其自燃時(shí)刻反而更早。100 kPa、125 kPa 及140 kPa 進(jìn)氣壓力下的最高指示熱效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的自燃時(shí)刻分別為上止點(diǎn)后6.5°、4.0°和1.5°。此外，提前自燃帶來(lái)了自燃放熱比例的不斷上升，而火焰?zhèn)鞑サ姆艧岜壤黠@降低。

總體而言，當(dāng)進(jìn)氣壓力由自然吸氣逐步提高時(shí)，一方面抑制了火花輔助下初始火焰形成，降低了火焰?zhèn)鞑シ艧崴俣?，這有利于降低壓力升高率，但不利于火焰?zhèn)鞑ゼ鞍l(fā)展；另一方面，高進(jìn)氣壓力提升了近上止點(diǎn)附近的溫度及壓力，大大增強(qiáng)了混合氣的壓燃著火能力，降低了混合氣對(duì)于火焰?zhèn)鞑シ艧岬囊蕾?。因此，考慮到低進(jìn)氣壓力時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣冗^(guò)快使壓力升高率超出限值，及進(jìn)氣壓力過(guò)高時(shí)初始火焰?zhèn)鞑ルy以進(jìn)行和無(wú)法穩(wěn)定燃燒這兩種情況，低負(fù)荷火花輔助壓燃時(shí)的進(jìn)氣壓力需要在合理范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

固定最高熱效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噴油正時(shí)不變，研究點(diǎn)火正時(shí)對(duì)不同進(jìn)氣壓力下CA50 的影響，如圖9所示。在低進(jìn)氣壓力下，為了滿足壓升率限值及燃燒穩(wěn)定性的要求，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火正時(shí)較為靠后。進(jìn)氣壓力增大后會(huì)減緩火焰?zhèn)鞑ニ俣?，在同一CA50 工況下，相應(yīng)的點(diǎn)火正時(shí)更加提前。同時(shí)，隨著進(jìn)氣壓力的升高，改變點(diǎn)火正時(shí)對(duì)CA50 的影響減小。相比于自然吸氣，140 kPa 進(jìn)氣壓力時(shí)CA50 變化的幅度減緩，意味著燃燒對(duì)點(diǎn)火正時(shí)過(guò)于敏感的情況得到改善，有利于燃燒控制。

圖9 不同進(jìn)氣壓力下點(diǎn)火正時(shí)對(duì)燃燒CA50 的影響

圖10 給出了不同進(jìn)氣壓力下隨噴油正時(shí)、點(diǎn)火正時(shí)變化的指示熱效率等高圖。在自然吸氣條件下，火花塞附近適宜點(diǎn)火的混合氣被點(diǎn)燃后燃燒速率較快，同時(shí)進(jìn)氣量相對(duì)較少，平均燃燒溫度較高，傳熱損失較大，因此雖然自然吸氣下的燃燒效率有所提高，但效率整體偏低。自然吸氣時(shí)最高熱效率點(diǎn)為-26°噴油、-13°點(diǎn)火，對(duì)應(yīng)燃燒相位為上止點(diǎn)后7°，指示熱效率為41.8%。當(dāng)進(jìn)氣壓力升高時(shí)，熱效率有了顯著的提升。這是因?yàn)檫M(jìn)氣壓力提高后進(jìn)氣量增加，燃燒平均溫度相對(duì)降低，傳熱損失顯著減小，同時(shí)燃燒速率不至于過(guò)快，CA50 處于合理位置的工況點(diǎn)增多，有利于更寬廣范圍高熱效率的實(shí)現(xiàn)。相比于自然吸氣，在140 kPa 進(jìn)氣時(shí)最高指示熱效率提高至44.4%，對(duì)應(yīng)噴油正時(shí)-32°，點(diǎn)火正時(shí)-16°，CA50 為上止點(diǎn)后5°。

圖10 不同進(jìn)氣壓力下的指示熱效率

圖11 為不同進(jìn)氣壓力下的氮氧化物（NOx）排放情況，以125 kPa 和140 kPa 為例分析。當(dāng)進(jìn)氣壓力為125 kPa 時(shí)，由圖4（b）和圖11（a）可知，當(dāng)點(diǎn)火正時(shí)靠后（-14°）時(shí)，燃燒穩(wěn)定性相對(duì)較差，燃燒產(chǎn)生的NOx較少；點(diǎn)火正時(shí)靠前時(shí)（如125 kPa 進(jìn)氣時(shí)為-18°），燃燒相位較提前，最大壓力升高率接近限值，平均燃燒溫度較高，NOx排放升高速率較快，部分工況NOx排放在12 g/（kW·h）左右。進(jìn)氣壓力為140 kPa 時(shí)，如圖11（b）所示，進(jìn)氣壓力的升高使得火焰?zhèn)鞑ニ俾蕼p慢，壓力升高率減小，同時(shí)進(jìn)氣量的增加使得缸內(nèi)平均溫度相對(duì)下降，產(chǎn)生的NOx排放會(huì)減少，140 kPa 進(jìn)氣時(shí)的NOx排放均低于8 g/（kW·h）。

圖11 不同進(jìn)氣壓力下的NOx 排放

圖12 為125 kPa 和140 kPa 進(jìn)氣壓力下的碳?xì)浠衔铮℉C）排放情況。由于噴油正時(shí)需要與點(diǎn)火正時(shí)相互配合以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的火花輔助壓燃，在不穩(wěn)定燃燒的區(qū)域HC 排放較高；在燃燒穩(wěn)定性較高的區(qū)域，HC 排放較低，此時(shí)點(diǎn)火正時(shí)靠前，燃燒相位提前，燃燒持續(xù)期縮短，缸內(nèi)較高的燃燒溫度使得混合氣燃燒較為充分，HC 排放較低，部分工況小于3 g/（kW·h）。當(dāng)進(jìn)氣壓力提高至140 kPa 后，在燃燒穩(wěn)定的區(qū)域HC 排放也較低，但高于125 kPa 進(jìn)氣的同等工況。這主要是因?yàn)檫M(jìn)氣量增加后，部分混合氣過(guò)稀不利于充分燃燒，并且燃燒溫度的降低使得燃燒效率略有下降，未燃HC 的排放量相對(duì)提高。

圖12 不同進(jìn)氣壓力下的HC 排放

圖13 為125 kPa 和140 kPa 進(jìn)氣壓力下的CO排放情況。對(duì)于125 kPa 進(jìn)氣壓力，隨點(diǎn)火正時(shí)提前，CO 排放顯著降低，CA50 提前，燃燒溫度升高，CO 被部分氧化，所以點(diǎn)火正時(shí)對(duì)CO 排放有著較大影響。當(dāng)進(jìn)氣壓力提高至140 kPa 后，進(jìn)氣量增加，燃燒溫度降低，對(duì)CO 的氧化能力相對(duì)下降，相比低進(jìn)氣壓力的CO 排放有所增加。

圖13 不同進(jìn)氣壓力下的CO 排放

2.3 進(jìn)氣溫度對(duì)低負(fù)荷火花輔助壓燃的影響

進(jìn)氣溫度是影響著火的關(guān)鍵因素。在前面的研究基礎(chǔ)上，固定進(jìn)氣壓力為140 kPa，進(jìn)氣溫度由40 ℃提高至60 ℃，研究進(jìn)氣溫度變化對(duì)火花輔助汽油壓燃的影響。圖14 是60 ℃下低負(fù)荷火花輔助壓燃循環(huán)變動(dòng)的等高圖。對(duì)比圖4（c）可以看出，在相同的噴油和點(diǎn)火正時(shí)下，進(jìn)氣溫度的提高可以降低低負(fù)荷燃燒的循環(huán)變動(dòng)，改善燃燒穩(wěn)定性。

圖14 60 ℃進(jìn)氣溫度、140 kPa 進(jìn)氣壓力的燃燒循環(huán)變動(dòng)

同時(shí)，60 ℃進(jìn)氣條件下，噴油正時(shí)的可調(diào)范圍為-26°～-36°，相比40 ℃進(jìn)氣條件的-30°～-34°的噴油范圍明顯擴(kuò)大。進(jìn)氣溫度提高至可顯著提升60 ℃燃燒穩(wěn)定性，這主要有兩方面原因：一方面進(jìn)氣溫度的提高加快了火核的形成及火焰初期的穩(wěn)定發(fā)展，提高了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，使得點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ハ鄬?duì)更加容易，增強(qiáng)了燃燒初期火焰發(fā)展的穩(wěn)定性；另一方面，進(jìn)氣溫度的增加使得缸內(nèi)熱氛圍增加，提高了壓縮沖程接近上止點(diǎn)位置的溫度，更有利于未燃混合氣的自燃著火。因此，不同于提高進(jìn)氣壓力對(duì)初期火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч?，進(jìn)氣溫度的提升對(duì)初期火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程及后續(xù)自燃過(guò)程都有明顯的促進(jìn)作用。

圖15 是相同噴油正時(shí)（-32°）、不同進(jìn)氣溫度的缸壓及放熱率曲線，ST15 表示點(diǎn)火時(shí)刻為-15°，依此類(lèi)推。進(jìn)氣溫度40 ℃時(shí)，即使點(diǎn)火正時(shí)較早，但由于達(dá)到自燃著火條件需要更多的前期火焰?zhèn)鞑シ艧?，火焰?zhèn)鞑サ某掷m(xù)期較長(zhǎng)，自燃時(shí)刻較為靠后。進(jìn)氣溫度為40 ℃、點(diǎn)火正時(shí)為-16°時(shí)，點(diǎn)火后放熱率增加速率較快，說(shuō)明此時(shí)火花塞電極的分層混合氣附近更適合點(diǎn)火；當(dāng)40 ℃進(jìn)氣、點(diǎn)火正時(shí)-15°時(shí)，火焰初期的發(fā)展相對(duì)更慢，需要更長(zhǎng)時(shí)間的火焰?zhèn)鞑シ艧岵拍苓_(dá)到自燃著火的缸內(nèi)熱氛圍，導(dǎo)致自燃時(shí)刻過(guò)晚，CA50 過(guò)于靠后，此時(shí)循環(huán)變動(dòng)已大于5%，無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火。在溫度升高至60 ℃后，點(diǎn)火后較短時(shí)間內(nèi)提供的較少放熱量就使混合氣達(dá)到了自燃條件，進(jìn)入壓燃著火階段。

圖15 進(jìn)氣溫度對(duì)缸壓及放熱率的影響

圖16 給出了圖12 中4 個(gè)工況點(diǎn)燃燒各階段的持續(xù)期及對(duì)應(yīng)放熱比例?？梢钥闯?，第1 階段經(jīng)歷的時(shí)間相差不大，都在4°～5°內(nèi)。第2、第3 階段的持續(xù)期及對(duì)應(yīng)放熱比例有較大的變化，在60 ℃進(jìn)氣時(shí)第2階段持續(xù)期顯著縮短，火焰?zhèn)鞑シ艧岜壤蠓鶞p小。60 ℃進(jìn)氣溫度、-14°點(diǎn)火時(shí)，依靠火焰?zhèn)鞑ィɑ鸷嗽鲩L(zhǎng)及火焰?zhèn)鞑ルA段）的放熱比例為11.84%，而40℃進(jìn)氣、-15°點(diǎn)火工況時(shí)火焰?zhèn)鞑サ睦鄯e放熱占總放熱的24.63%?？梢钥闯鎏岣哌M(jìn)氣溫度減小了后期自燃著火對(duì)前期火花輔助火焰?zhèn)鞑シ艧岬囊蕾?，縮短了火焰?zhèn)鞑コ掷m(xù)期，降低了火焰?zhèn)鞑シ艧岜壤?/p>

由圖16（b）可知，當(dāng)進(jìn)氣溫度40 ℃、-15°點(diǎn)火時(shí)第1 階段的放熱比例僅為總放熱量的0.78%，明顯低于另外3 個(gè)工況。這說(shuō)明低進(jìn)氣溫度時(shí)較晚點(diǎn)火對(duì)燃燒初期的放熱速率有極大影響，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑シ艧彷^慢，持續(xù)期較長(zhǎng)，自燃時(shí)刻過(guò)晚，這是導(dǎo)致此時(shí)燃燒不穩(wěn)定的主要原因。60 ℃進(jìn)氣時(shí)雖然點(diǎn)火正時(shí)更晚，但燃燒初期第1 階段放熱比例并未下降，這主要是由于進(jìn)氣溫度的提高有利于點(diǎn)火及火核增長(zhǎng)。同時(shí)溫度升高帶來(lái)熱氛圍的增強(qiáng)，在更短的火焰?zhèn)鞑r(shí)間后就更早地發(fā)生自燃，此時(shí)火焰?zhèn)鞑ゼ白匀嫉某掷m(xù)期都相對(duì)更短，放熱集中且自燃放熱比例更高。

由上述分析可知，溫度對(duì)火焰?zhèn)鞑ゼ皦喝贾疬^(guò)程都有促進(jìn)效果，但當(dāng)火焰?zhèn)鞑ゼ白匀既紵俣榷技涌旌?，可能?huì)導(dǎo)致燃燒粗暴、最大壓升率過(guò)高的問(wèn)題。圖17 為不同進(jìn)氣溫度下最大壓升率隨點(diǎn)火正時(shí)的變化曲線，圖中SOI32 表示噴油時(shí)刻為-32°，依此類(lèi)推。在進(jìn)氣溫度40 ℃、140 kPa 進(jìn)氣時(shí)，各點(diǎn)火正時(shí)下的最大壓升率都未超出限值；進(jìn)氣溫度的提升使得點(diǎn)火正時(shí)較靠前時(shí)（如圖17 中60 ℃進(jìn)氣溫度、-14°點(diǎn)火）會(huì)出現(xiàn)燃燒過(guò)快、最大壓升率超出限值（1 MPa/（°））的情況，因此相同壓升率時(shí)，高進(jìn)氣溫度對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火正時(shí)要明顯晚于低進(jìn)氣溫度工況。

圖18 是進(jìn)氣溫度提高至60 ℃時(shí)的指示熱效率。溫度提升后最大指示熱效率和40 ℃進(jìn)氣溫度（圖10（c））時(shí)保持在同一水平，也為44.4%。最大熱效率對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)為點(diǎn)火正時(shí)-11°、噴油正時(shí)-28°，與40 ℃進(jìn)氣溫度相比，其最大熱效率對(duì)應(yīng)噴油正時(shí)和點(diǎn)火正時(shí)都相對(duì)推遲。這主要是因?yàn)槭軠囟忍岣叩挠绊?，初期火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，自燃時(shí)刻提前，為了保持合理燃燒相位從而實(shí)現(xiàn)高熱效率，需要讓噴油和點(diǎn)火時(shí)刻相應(yīng)推遲。

圖18 60 ℃進(jìn)氣溫度、140 kPa 進(jìn)氣壓力下的指示熱效率

另一方面，雖然提高進(jìn)氣溫度并沒(méi)有提高火花輔助汽油壓燃的最大指示熱效率，但是擴(kuò)大了高指示熱效率的噴油點(diǎn)火范圍，如指示熱效率大于43%的范圍拓寬，有助于在更寬廣的噴油和點(diǎn)火調(diào)控范圍內(nèi)達(dá)到較高的熱效率。

圖19 是溫度變化前后的HC、CO、NOx氣體排放情況。由圖19 可知，40 ℃進(jìn)氣時(shí)HC、CO 排放先迅速降低后變化不大。當(dāng)點(diǎn)火正時(shí)較晚時(shí)燃燒不穩(wěn)定，排放較差；點(diǎn)火正時(shí)靠前時(shí)，燃燒較為充分，燃燒效率較高，此時(shí)的HC、CO 排放變化不大。進(jìn)氣溫度60 ℃時(shí)，隨著點(diǎn)火正時(shí)的提前呈現(xiàn)出HC、CO 排放都顯著下降而NOx排放明顯增加的趨勢(shì)，這主要是由燃燒相位提前、燃燒溫度升高引起。相比于40 ℃進(jìn)氣，高進(jìn)氣溫度下的氣體排放變化速率更快，點(diǎn)火正時(shí)提前時(shí)缸內(nèi)溫度較高，燃燒速率加快，排放變化隨之加快。

圖19 進(jìn)氣溫度對(duì)HC、CO、NOx排放的影響

在相同HC 或CO 排放下，高進(jìn)氣溫度對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火正時(shí)更遲，這在前文燃燒分析時(shí)已經(jīng)提及，進(jìn)氣溫度的提高使得缸內(nèi)熱力學(xué)氛圍提升，燃燒初期火核的增長(zhǎng)更迅速，點(diǎn)火正時(shí)需要相應(yīng)推后以實(shí)現(xiàn)相同的燃燒相位，排放情況基本與之一致。此外，進(jìn)氣溫度升高后CO 的最低排放相比40 ℃進(jìn)氣時(shí)更低，主要是由于缸內(nèi)平均燃燒溫度的提高使CO 的氧化能力加強(qiáng)。

3 結(jié)論

（1）為實(shí)現(xiàn)重型柴油機(jī)平臺(tái)低負(fù)荷穩(wěn)定的汽油燃燒，在各個(gè)進(jìn)氣壓力下都存在對(duì)應(yīng)的噴油及點(diǎn)火控制區(qū)域。進(jìn)氣壓力升高后，穩(wěn)定燃燒的噴油正時(shí)范圍變窄，而點(diǎn)火正時(shí)范圍變寬；進(jìn)氣壓力提高使得進(jìn)氣量增加，全局混合氣變稀，并影響噴霧貫穿和混合，對(duì)火花點(diǎn)火后火核形成及火焰?zhèn)鞑テ鸬揭欢ǖ囊种谱饔?，但同時(shí)增強(qiáng)了近上止點(diǎn)的熱氛圍，從而有利于后續(xù)自燃著火。

（2）隨進(jìn)氣壓力的增加，由于平均燃燒溫度降低，傳熱損失減小，最高指示熱效率從自然吸氣工況的41.8% 提高至140 kPa 增壓的44.4%。高進(jìn)氣壓力下最高指示熱效率點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑シ艧岜壤蠓陆?，而自燃比例增加。進(jìn)氣壓力升高帶來(lái)的燃燒溫度降低使得HC 及CO 的排放略有升高，而NOx排放有所下降。

（3）適當(dāng)提高進(jìn)氣溫度增強(qiáng)了缸內(nèi)熱氛圍，不僅有利于火焰?zhèn)鞑?，而且可以促進(jìn)壓燃著火，改善火花輔助汽油壓燃低負(fù)荷燃燒的穩(wěn)定性，拓寬噴油正時(shí)調(diào)控范圍，同時(shí)最大指示熱效率基本不變。但點(diǎn)火正時(shí)過(guò)于靠前時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤旒白匀紩r(shí)刻提前，會(huì)出現(xiàn)燃燒粗暴、壓升率過(guò)高的問(wèn)題。