汽油機(jī)預(yù)燃室技術(shù)的研究及發(fā)展前景

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)，通過一個或數(shù)個孔道與主燃室相連。預(yù)燃室內(nèi)安裝有火花塞，火花塞點燃的高溫、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)燃室可以分為被動式和主動式兩種。被動式預(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。

世界上第一個具有預(yù)燃室結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(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，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。現(xiàn)在的預(yù)燃室大多是后者的結(jié)構(gòu)。

由于汽油的點燃極限較窄，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)對熱效率和動力性的雙重追求，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也對預(yù)燃室的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計[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%。

本文主要針對汽油機(jī)預(yù)燃室技術(shù)的優(yōu)勢和問題進(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

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、提高點火能量和多點點火等。對于汽油機(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)的湍動能，而且實現(xiàn)了多點點火和燃燒可控。

MAHLE的Michael Bunce和Hugh Blaxill在一臺壓縮比為14的單缸氣道噴射（PFI）汽油機(jī)上，研究了主動式預(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（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（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)火花點火的可燃極限在Lambda（過量空氣系數(shù)）為1.4左右，此時，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，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（1 500 r/min，BMEP=600 kPa，如圖3所示）,被動式與主動式預(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)火花點火的可燃極限在Lambda為1.4左右，此時，燃燒持續(xù)期顯著延長；被動式預(yù)燃室雖然通過多點點火提高了燃燒速度，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)火花點火相差不大；而主動式預(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，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。這對大負(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，過稀的混合氣和過高EGR使得點火穩(wěn)定性變差，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?，從而?dǎo)致循環(huán)變動增大，甚至失火。主動式預(yù)燃室可以通過輔助燃油供給系統(tǒng)和空氣泵實現(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同時著火，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，不同Lambda和EGR下的燃燒循環(huán)變動[3]，如圖4和圖5所示。從圖中可以看到，當(dāng)Lambda超過1.4時，傳統(tǒng)火花點火和被動式預(yù)燃室的COV（循環(huán)變動）陡然增大，而主動式預(yù)燃室在Lambda為2時，COV仍然小于2；當(dāng)EGR超過15%時，傳統(tǒng)火花點火的COV顯著增大，被動式預(yù)燃室在EGR為25%時，COV也顯著增大，而主動式預(yù)燃室在EGR超過30%時，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，主動式預(yù)燃室在Lambda小于2或者EGR為30%時，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)勢在于它的快速燃燒和穩(wěn)定可控。這樣的優(yōu)勢可以彌補(bǔ)其它重要技術(shù)對發(fā)動機(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，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)燃室面臨的一個核心問題就是預(yù)燃室內(nèi)的換氣。由于被動式預(yù)燃室只能依靠活塞的運(yùn)動來抽出和壓入氣體，所以很容易在預(yù)燃室內(nèi)殘留廢氣，它與傳統(tǒng)火花點火一樣難以拓寬可燃極限（如圖3～5所示）；而主動式預(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，實際的效果還需要通過試驗來檢驗。

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)火花塞會增大面容比，從而增大傳熱損失，這對熱效率的提升是一個不利的因素。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，為了防止預(yù)燃室過熱帶來的爆震傾向，需要對它進(jìn)行冷卻；而小負(fù)荷和冷啟動時，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比[17]

針對汽油機(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)計等；

（2）設(shè)計預(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)荷和冷啟動時快速暖機(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)計預(yù)燃室的孔徑大小?？讖竭^大，容易造成大負(fù)荷時射流火焰減弱，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)荷和冷啟動時火焰淬熄。

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

大學(xué)生是互聯(lián)網(wǎng)時代最活躍的主體，衣、食、住、行、學(xué)等方方面面都離不開網(wǎng)絡(luò)。針對此，高校在教育教學(xué)培養(yǎng)中，不應(yīng)該對大學(xué)生參與網(wǎng)絡(luò)予以全盤否認(rèn)，而是應(yīng)該辯證地看待問題，并接受當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的客觀事實，利用大學(xué)生喜聞樂見的新媒體手段，打造社會主義核心價值觀的培養(yǎng)平臺，例如建立微信公眾號，結(jié)合社會熱點事件，激發(fā)大學(xué)生的思考與討論，活躍思維；積極推送社會主義核心價值觀的相關(guān)資料，與學(xué)生進(jìn)行積極的網(wǎng)絡(luò)互動，了解大學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)習(xí)慣，并利用網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)大學(xué)生思想價值理念。

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，但在冷啟動時，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常靠后的燃燒重心以保持較高的排放溫度。

這種矛盾在實際工程當(dāng)中需要尋求平衡?？梢酝ㄟ^設(shè)計預(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，以同時滿足冷啟動和快速燃燒的需求。

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、點火和燃燒，并在大、小負(fù)荷切換時，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)計過小，也容易造成堵塞。長時間運(yùn)行下，預(yù)燃室的可靠性和耐久性都將是一個挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論及啟示

隨著內(nèi)燃機(jī)對更高熱效率的追求，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)在各方面的對比。

從對比中可以看到，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，其燃燒特性對熱效率的提升起到了關(guān)鍵的作用；但與此同時，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)的對比