【原创】预燃室射流点火技术介绍

原创 电动车千人会 2024-05-22 12:15

EVH1000

预燃室射流点火

技术介绍

-电动车千人会-


前言

从2024年开始,新能源汽车市场竞争愈发激烈,技术不断发展显得尤为迫切。作为插电混动车核心部件的发动机的设计显得格外重要,发动机热效率也是一个绕不过去的热点。

本文将简要介绍一种提升热效率的技术方案。

根据汽油机热效率公式:

提高汽油机热效率,除提升压缩比外,还可提高缸内混合气的绝热系数。

提高混合气绝热系数的一般方法是将EGR (Exhaust Gas Recirculation)气体或过量空气这类高比热容的气体引入缸内,在提高缸内工质绝热系数的同时还减缓了燃烧速度、降低了燃烧温度,起到了燃烧稀释的作用;但随着EGR气体或过量空气比例的提升,燃烧速度变缓将导致燃烧稳定性下降,热效率收益降低。

相关研究表明,传统火花塞技术只能支持EGR率为20~30%的稀释燃烧或者λ<1.6的空气稀释燃烧的点火,如要进一步的稀释燃烧,需要更高的点火能量;预燃室射流点火技术因其点火能量高,火焰传播快,受到越来越多的关注,成为又一个研究热点。


预燃室技术溯源

预燃室技术在火花点火式发动机的应用,最早可追溯到20世纪初哈里·里卡多开发的二冲程“海豚”发动机;本田汽车公司于1974年开发了一种基于预燃室技术的复合涡流控制燃烧系统(CVCC)发动机,可在不使用催化器的情况下达到1975年的排放标准。列夫·伊万诺维奇·古萨克借鉴上述原理,并基于射流点火技术开发出了一台预燃室射流点火的发动机,并将这套预燃室射流点火系统命名为LAG(Lavinia Aktivatisia Gorenia);1981年搭载LAG系统的发动机应用于伏尔加(Volga)汽车,实现了λ=2的超稀释燃烧。里卡多海豚机、本田CVCC系统和古萨克LAG系统如图1所示。

图1  里卡多海豚机(左)、本田CVCC系统(中)、

古萨克LAG系统(右)

上述技术概念均在预燃室开始燃烧过程,然后转到主燃烧室并引燃混合气;里卡多海豚机和本田CVCC系统的预燃室容积相对较大,约占主燃烧室容积的3%以上,且预燃室同主燃烧室之间采用喉管;而古萨克LAG系统的预燃室和主燃烧室容积占比约为2-3%,并且古萨克还确定了每cm³预燃室容积对应的喷孔面积、以及喷孔长度和直径的关系,预燃室到主燃室之间采用了截面较小的喷孔。现代预燃室射流点火系统与古萨克的LAG系统结构类似。


预燃室射流点火技术的优势

      火花塞点火属于单点点火的燃烧,在点火位置形成初始火核,混合气沿火核向外围逐层燃烧,如图2所示。

图2  火花塞点火产生的火弧与火核的发展

   预燃室点火系统属于分布式多点点火的燃烧,其点火能量比火花塞点火大得多。火花塞在预燃室内点火后,混合气开始燃烧,所产生的活性反应基团,通过喷孔形成射流火焰喷入主燃室形成多个着火点,如图3所示;高速射流可以提高主燃烧室内的燃烧反应速率,抑制爆震并拓展稀燃极限,从而提高发动机的热效率。

图3  预燃室点火过程


预燃室技术分类

预燃室射流点火系统一般分为“主动式”和“被动式”,两者的共同点是,均在预燃室内安装火花塞、预燃室末端设置多个喷孔,火花塞点燃后的高温、高压气体经喷孔喷入主燃烧室,引燃其中的混合气进行燃烧;两者的不同点在于是否有额外的燃料喷嘴向预燃室内提供燃料。如图4为不同类型预燃室射流点火系统的概念。

图4  主动式预燃室(左)和被动式预燃室(右)

  • 主动式预燃室

由于可以单独向预燃室输送燃料,预燃室可以实现和主燃烧室不同的空燃比,一般的,预燃室混合气浓度为化学当量比或稍浓,以改善点火性能,此外,还可实现预燃室内的残余废气清除;因而可将稀燃极限拓展到更大范围,非常适合超稀释燃烧发动机的应用。但主动式预燃室因为额外的燃料供送系统导致成本较高,尺寸也不够紧凑,在缸盖上的布置设计难度较大;有些主动式预燃室还增加了额外的空气喷嘴用于清除预燃室内的残余废气,进一步加剧了成本、尺寸和布置问题。

  • 被动式预燃室

被动式预燃室依靠压缩过程中的缸内气体运动,使一定量的可燃混合气从喷孔进入预燃室,因而预燃室内的混合气浓度同主燃烧室内混合气浓度一致;并且在点火后,预燃室内的残余废气也无法完全清除,因而被动式预燃室所能达到的燃烧极限同常规的火花塞点火一致。由于没有额外的燃料供送系统,因而成本较低,结构相对紧凑、在缸盖上的布置也相对容易。


预燃室技术难点

预燃室导致燃烧室的面容比增大,换热损失增大;在低负荷工况时由于温度较低,容易导致火焰“淬熄”,特别是在冷态启动工况,会出现点火不稳定,从而导致催化器起燃和排放问题。

由于预燃室容积小、与主燃烧室的换气不断进行,而随着发动机负荷、温度变化,也导致预燃室更容易积碳。

对于主动式燃烧室系统,由于预燃室容积小,即使采用小流量的喷嘴,也无法避免油束碰壁和混合不均匀的情况,这导致了HC排放的增加。

为应对上述问题,研究者们针对预燃室的容积、形状,以及喷孔的大小、数量、角度、布局和材质等展开研究。如图5是预燃室的外型结构示意图,将其分成火花塞和喷油器安装区、过渡区、节流区、喷孔几个部分,图示特征尺寸共同决定了预燃室的容积和形状。

图5  预燃室结构示意及特征尺寸

通过对预燃室容积、结构以及火花塞安装位置甚至活塞顶形状的优化,尽可能的减少面容比,降低传热损失。另外,还针对喷孔的直径和数量、角度、结构进行优化:喷孔直径过大将削弱射流火焰能量,而喷孔过小则会带来换气不畅,残余废气浓度高,进而导致冷启动问题;对于被动式预燃室,为保证换气,针对性的将某一个喷孔的直径扩大,作为主换气孔;而喷孔的数量、角度需要与缸内气流运动相匹配,甚至为了获得更好的燃烧效果,采用结构更复杂的喷孔设计。如图6是几种喷孔的示意图,图6(a)是喷孔均布形式;图6(b)其中直径略大为主喷孔,常用于被动式预燃室;图6(c)和(d)分别为一种复杂结构喷孔的正视图和仰视图。

图6  预燃室喷孔示意图

预燃室材料的导热系数对预燃室的性能有着重大影响,导热系数过大,则传热损失大,冷启动问题恶化;反之,导热系数过小,则容易在大负荷工况产生爆震倾向,但由于预燃室点火能量高、燃烧速度快,热负荷较高,往往会设计水套进行散热,这就避免了导热系数过小所带来的负面影响。因而,如何减小传热损失是研究者们的主要研究课题,例如本田公司就研究了预燃室内增加隔热涂层的效果,如图7所示,隔热涂层区域(红色)约占预燃室表面积的37%,测试工况的热效率提升了0.5%。

图7  本田公司带热障涂层的预燃室


预燃室的结构形式

  按照预燃室同火花塞的安装结构分为分体式设计和集成式设计。分体式设计往往将预燃室采用螺纹安装在缸盖上,甚至和缸盖铸造在一起;集成式设计顾名思义,往往是将预燃室和火花塞安装在一起,提供总成方案。如图8所示是IAV公司的一个被动式预燃室的分体设计方案,其预燃室预铸在缸盖上;如图9 所示是MAHLE公司的主动预燃室的两个分体式设计方案,左图预燃室采用螺纹安装,而右图预燃室预铸在缸盖上,图7所示的本田主动预燃室也采用螺纹安装方式。这种直接安装在缸盖上的分体式预燃室方案,往往不单独设计冷却系统,而依靠缸盖的热传导来进行冷却。   

图8  IAV公司分体式被动预燃室案例

图9  MAHLE公司分体式主动预燃室案例

被动预燃室的集成设计方案相对简单、紧凑,其按照火花塞的集成程度又可分为一体式及火花塞可更换式两种,如图10是美国某公司的被动预燃室案例,左图的被动预燃室为一体式,火花塞不可更换,其安装尺寸可以和普通火花塞一致,冷却方式也同普通火花塞类似,依靠缸盖的热传导;右图的被动预燃室的火花塞可更换,因而预燃室的尺寸稍大,但其可在预燃室外围布置水套、改善冷却。一体式的被动预燃室在缸盖上的安装如图11所示;火花塞可更换的被动预燃室在缸盖上的安装如图12所示。

图10  集成式动式预燃室(左,火花塞不可更换,右,火花塞可更换)

图11  一体式的被动预燃室在缸盖的安装

图12  火花塞可更换的被动预燃室在缸盖的安装

主动预燃室因为有燃料供送喷嘴,其集成程度相对复杂。如图13是MAHLE公司的主动式预燃室系统,其在预燃室上安装了火花塞和燃料供送喷嘴,在预燃室外围还预留了水套;如图14是 IAV公司的主动式预燃室系统,其仅在预燃室上安装了火花塞,而将燃料供送喷嘴直接安装在缸盖上,预燃室中还布置了水套,虽然尺寸相对紧凑,但结构相对复杂;如图15是Ford公司的主动式预燃室系统,除火花塞、喷油器外,还在预燃室上集成了一套空气喷嘴,结构更加复杂。

图13  MAHLE公司主动式预燃室系统

图14  IAV公司主动式预燃室系统

图15  Ford公司的主动式预燃室系统


预燃室的应用

前以述及,主动预燃室可将稀燃极限拓展到更大范围,相比被动预燃室优势更大,但其机构复杂、尺寸大,对小型汽油机缸盖布置设计带来很大挑战,且其成本较高,故在车用汽油机上鲜有应用案例;但对于一些大型的气体燃料发动机,由于缸盖布置设计的限制不大,预燃室传热损失相对较小,且其辅助点燃的燃料采用气体,可解决预燃室混合均匀性及扫气问题,因而获得了较多的应用案例。如图16是某气体燃料发动机的预燃室布置图。

图16 某气体燃料发动机的预燃室

被动预燃室虽然对扩展稀燃极限帮助不大,但因布置尺寸小,所以在一些F1赛车或高端豪华车上有些应用案例;如玛莎拉蒂海神(Maserati Nettuno)V6 3.0L发动机就采用了被动预燃室技术,但为了解决冷启动的问题,其又在各个气缸增加了一个火花塞,如图17所示。

图17 Maserati Nettuno发动机的被动预燃室及火花塞布置


总结

预燃室射流点火技术在燃烧速度、稀燃极限拓展、燃烧稳定性等方面都有比较明显的优势,车用汽油机采用该技术有望突破45%以上的热效率,是探索未来高效燃烧技术的路线之一;但也应正视其存在的气体交换不充分、传热损失大等相关问题。

文章观点引自:

1. A Review of Pre-Chamber Initiated Jet Ignition Combustion Systems,SAE 2010-01-2263[J]

2.Pre-chamber Combustors: An Enabling Technology for High Efficiency, Low CO2 Engine Operation,Engines and Fuels for Future Transport[M]

3. 汽油机预燃室技术的研究及发展前景,汽车文摘[J]

4. Technology for Enhancing Thermal Efficiency of Gasoline Engine by Pre-chamber Jet Combustion,Honda R&D Technical Review[J],Vol.30 No.2

5.The effect of structural parameters of pre-chamber with turbulent jet ignition system on combustion characteristics of methanol-air pre-mixture, Energy Conversion and Management[J], 274(2022)

6. The Influence of Charge Motion on Pre-Chamber and Main Chamber

Combustion in a Highly Dilute Jet Ignition Engine, Frontiers in Mechanical Engineering[J], February 2021 ,Volume 6

7. Modular Hybrid Powertrain with Jet Ignition, MTZ worldwide [J],11/2020

8. Pre-Chamber Ignition as a Key Technology for Future Powertrain Fleets, MTZ worldwide [J],02/2019

9. Development of a Natural Gas Combustion System for High Specific Power,MTZ worldwide [J], 10/2015

10.Next Generation High Efficiency Boosted Engine Concept,SAE 2024-01-2094[J]

本文还应用了MAHLE、IAV、FEV、同济大学提供的报告中的部分内容和图片,一并表示感谢;其余文字、图片来自网络



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