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重型发动机低负荷火花辅助汽油压燃试验
低负荷运行时的燃烧稳定性是制约汽油压燃应用的关键技术瓶颈之一。目前可以通过增压和加热策略、气门策略(气门重叠角或排气门二次开启等)等技术增加缸内热力学氛围，提高燃料的活性或十六烷值，从而降低燃料着火对高缸内热力学氛围的需求等，均可以提高低负荷燃烧稳定性。但是这些办法也具有局限性。因此，基于重型压燃式发动机开展汽油压燃，尤其是低负荷下火花辅助汽油压燃的研究，对重型发动机汽油压燃的商用、提高汽油利用率和平衡汽、柴油供给具有重要意义。基于此，笔者通过一台6 缸重型柴油机改装的单缸试验机进行火花塞位置和燃烧室的结构设计，并研究了进气节流条件下单次喷射的喷油时刻(SOI)、点火时刻(ST)和喷油压力对火花辅助汽油压燃低负荷燃烧的影响，以期为重型发动机低负荷汽油压燃稳定燃烧的实现及控制提供参考。
01试验设备和方法
图1 为试验台架示意。试验缸由空气压缩机和节气门共同控制进气量。研究用火花辅助汽油压燃重型单缸机是基于四气门、高压共轨柴油机改造而来。其详细的试验设备和试验方法介绍见参考文献[1]。
图1 试验台架示意
02试验结果及分析
2.1 喷油和点火时刻对火花辅助汽油压燃燃烧的影响
图2示出点火时刻为-22° CA ATDC 时不同喷油时刻的缸内压力和放热率。缸内峰值压力随喷油时刻提前先增大后减小，峰值压力对应曲轴转角先提前后滞后。当喷油时刻为-30° CA ATDC 时，峰值压力最高且对应曲轴转角提前最多。各喷油时刻下的放热率曲线呈比较典型的先火焰传播后自燃放热的两阶段放热规律。
图2 喷油时刻对缸内压力和放热率的影响
2.2 喷油压力对火花辅助汽油压燃燃烧的影响
为了更全面地分析喷油、点火参数对热效率的影响，图3 给出了火花辅助汽油压燃的稳定运行范围和最高热效率点的燃烧放热情况。不同喷油压力下CoVIMEP＜5%的点对应的喷油和点火时刻区域以及最高热效率点如图3a 所示。每个喷油压力有特定的适合点火的喷油时刻范围，40 MPa 时为-34° ～-28° CA ATDC、60 MPa 时为-34° ～-22° CA ATDC且80 MPa 时为-34°～-20° CA ATDC；不同喷油压力下的保证稳定燃烧的喷油和点火间隔不同，40 MPa时间隔为4°～16° CA、60 MPa 时为2°～18° CA 且80 MPa 时为2°～18° CA。提高喷油压力可以拓宽同等循环油量下稳定运行的喷油和点火时刻范围，最高热效率点基本都位于各喷油压力下的稳定运行范围边缘，即最短滞燃期所在喷油时刻(喷油压力为40 MPa 时为-32° CA ATDC、60 MPa 时为-30° CA ATDC 且80 MPa 时为-28° CA ATDC)对应的最晚点火时刻上。
图3b 中，火焰传播放热阶段的放热率随喷油压力升高而升高。图3c 给出了3 个最高热效率点的火焰传播阶段放热与自燃阶段放热的占比。自燃着火时刻定义为放热率增长阶段的二次微分的最大值，该时刻将放热率分为火焰传播放热过程和自燃放热过程。3 个点从燃烧开始时刻到自燃放热开始时刻经历的曲轴转角如下：40 MPa 为16.0° CA、60 MPa 为15.0° CA 且80 MPa 为15.5° CA，从CA 10 时刻到自燃放热开始时刻经历的曲轴转角都是7.0° CA，但是火焰传播过程放热占比随喷油压力升高而增大，说明提高喷油压力可以加快同等水平下的火焰传播放热速率。对于自燃放热过程来说，并未出现非常高的自燃放热率峰值，其最大压力升高率也较低(40 MPa 为0.20 MPa/(°) CA 、60 MPa 为0.17 MPa/(°) CA 且80 MPa 为0.20 MPa/(°) CA)。热效率随喷油压力提高而增大，主要是来自加速的火焰传播阶段，增加了燃烧的等容度(图3a)。在笔者研究的工况下，通过喷油时刻和点火时刻的优化，在喷油压力为80 MPa 下达到了最高指示热效率(33.89%） 。
图3 稳定运行范围和最高效率点
04参考文献
[1]李扬,郑尊清,陈鹏,等.重型发动机低负荷火花辅助汽油压燃试验[J].内燃机学报,2022,(04):289-296.
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