双火花塞点火策略降低发动机循环变动率的测试分析

1、双火花塞点火策略降低发动机循环变动率的测试分析摘 要：为分析发动机采用双火花塞点火模式降低燃 烧循环变动率的特性，利用单缸汽油机进行了4 种不同单 /双火花塞点火策略下的燃烧诊断。测试数据表明，双火花塞 点火策略可有效促进缸内燃烧过程，缩短燃烧持续期，其最 大压力和平均指示压力( Indicated Mean Effective Pressure ， IMEP )循环变动率均降低， 尤其是在低负荷工况时降低效果 更明显。测试数据的分析表明，缸内最大压力与燃烧持续期 的循环变动呈现强相关特征，而快速燃烧前期和快速燃烧后 期的循环变动是造成燃烧持续期循环变动的主要因素；当采 用双火花塞点火时，其快

2、速燃烧前期和快速燃烧后期的循环 变动率均显著降低，尤其是快速燃烧前期循环变动率降幅最 大，是发动机燃烧持续期循环变动率降低的主要原因。关键词：发动机；双火花塞点火；平均指示压力；循环 变动中图分类号： TK411 文献标文献标识码： A 文献标 DOI ： 燃烧循环变动是火花点燃式发动机燃烧过程的一大特 征，是汽油机工况的限制参数之一，反映了发动机不规则燃 烧的一种特有燃烧现象 1-2 。试验研究发现双火花塞燃烧室 能够缩短火焰传播距离，有利于火花点火发动机的着火和实 现快速燃烧，从而提高火焰传播速度，降低燃烧循环变动率 3-5 ，尤其在稀混合气及高废气再循环( Exhaust Gas Re-

3、circulation ，EGR)时，可以实现稳定燃烧而不出现失火， 从而改善发动机性能 6-9 ，在国内外发动机产品中有一定的 应用。目前，对双火花塞发动机的研究多侧重于双火花塞对发 动机动力性和燃油经济性的影响，如研究双火花塞在不同位 置时发动机性能变化 10 ；测试分析采用不同数量的单 /双火 花塞发动机对整车性能的影响。采用双火花塞时能明显提高 整车动力性能，并使其满足更高的排放法规要求，同时在部 分负荷工况下可大幅缩短燃烧持续期，并使 IMEP 的循环变 动率降低 11 。研究燃烧过程循环变动可优化汽油发动机燃 烧过程，改善发动机燃油经济性。而针对双火花塞策略如何 降低发动机燃烧循环

4、变动率的研究则较少。作者在单缸汽油机原有单火花塞燃烧室构造的基础上， 增设双火花塞点火系统， 并设计了 4 种不同的单 /双火花塞点 火控制策略，测试诊断双火花塞对缸内燃烧过程的影响，深 入分析了循环变动率降低的主要因素。研究表明，采用双火 花塞可以显著加快已燃质量分数 10% 50%的燃烧阶段，同 时快速燃烧前期的循环变动率明显降低，其对发动机整个燃 烧持续期循环变动率的降低有重要影响。1 试验测试方案 所用双火花塞发动机由试验单缸汽油机改装而成，原机 采用单火花塞点火方式。通过在气缸盖上链轮侧打孔来加装 一个新火花塞，新增火花塞与原火花塞对称布置，双火花塞 燃烧室如图 1 所示。火花塞外部

5、用套筒来隔离机油与火花塞 的接触。双火花塞汽油机缸内燃烧测试诊断采用 Kistler 6052B 石 英压力传感器采集缸内压力信号， 利用 5011B 电荷放大器将 压电传感器输出的电荷信号转化为电压信号， 由 DEWE-2010 便携式燃烧分析仪进行数据采集分析。同时，采用 Kistler 2613B 曲轴转角信号发生器采集转角信号， 采样分辨率设置 为 0.1 ?（ CA ），每个工况连续采集 120 个循环缸内压力数据 用于分析循环变动特征参数。通过 FC2000 发动机测控系统 控制发动机转速和负荷。为分析双火花塞对发动机循环变动的影响，设计了 4 种 不同的单 /双火花塞点火控制策略

6、进行燃烧诊断。 对不同点火 提前特性及火花塞数量条件下发动机缸内燃烧特性进行测 试。所用 4 种点火策略按各个点火曲线的最大点火提前角命 名，分别为：（1）28 单点火策略，采用单火花塞点火，最大 点火提前角位于上止点前 28 （ CA ）；（2）28&28 双点火 策略，采用双火花塞点火，两个火花塞最大点火提前角均位于上止点前 28 （ CA ）；（ 3） 35 单点火策略，采用单火花塞点火，最大点火提前角位于上止点前 35 （ CA ）；（4） 35&35 双点火策略，采用双火花塞点火，两个火花塞最大点 火提前角均位于上止点前 35 （ CA ）。不同点火策略在各 转速工况下对应的点火提前

7、角特性参见表1。2 数据分析2.1 缸内最大压力和 IMEP 测试对比图 2 示例给出在全负荷 4 000 r/min 、4 500 r/min 、 5 000 r/min 转速工况和 4 000 r/min 转速 20% 负荷工况下（图中图 例 4 000-20 ）缸内最大压力和平均指示压力的测试数据。图 2（a）中可见，在各种转速和负荷工况下，当28、35 单火花塞点火策略加强为 28&28 、35&35 双火花塞点火策略时，缸 内最大压力明显提高。但对于 28&28 和 35 点火策略，采用 35 单点火策略时缸内最大压力高于 28&28 双点火策略。IMEP 测试数据如图 2（ b）所

8、示。在全负荷各转速工况 下，采用 28&28 双点火策略时均获得最大的 IMEP ，较 28 单点火策略有 2% 4% 的提升，而 35&35 双点火策略时的 IMEP 在全负荷各转速工况下均最低，这是由于采用双火花 塞后，火焰传播时间缩短，最佳点火时刻要适当推迟。但在 4 000 r/min 转速部分负荷工况， 35&35 双点火策略的 IMEP 最高，同时 35 单点火策略的 IMEP 比 28&28 双点火策略更 优，其点火提前角越大， IMEP 测试值越高。由此可见，双 火花塞点火策略对发动机动力性能的提升很大程度上取决 于点火提前角的匹配优化。2.2 循环变动率测试对比 在不同转速和负荷工况下，采用不同点火策略时，缸内 最大压力循环变动率和 IMEP 循环变动率如表 2、表 3 所示。 比较 28、 28&28 和 35、 35&35 单火花塞和双火花塞点火策 略，采用相同点火提前角情况下，双火花塞的最大压力循环 变动率大幅度降低，燃烧稳定性显著提升。在低转速低负荷 工况， 28&28 双点火策略可将 28 单点火策略下的最大压力 循环变动率从 13.77% 降低到 7.45%，而采用 35&35 双点火策 略时，其最大压力循环变动率更是降至 5%以内。在全负荷 工况， 35&35 双点火策