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：10.3969/j.issn.2095-1469.2014.03.09

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-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 º（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双点火策略的最大压力循环变动率最低，28单点火策略在大部分工况的最大压力循环变动率都超过10%，而采用28&28双点火策略后其最大压力循环变动率均降至6%左右，与35单点火策略时的循环变动率相接近。由此可见，采用双火花塞点火策略降低发动机最大压力循环变动率效果明显。

由表3可知，28单点火策略的IMEP循环变动率最大，而采用双火花塞点火后其IMEP循环变动率均明显降低，与表2中最大压力循环变动率的变化情况相一致，尤其是在低负荷时效果更明显，展示出双火花塞改善发动机燃烧稳定性的显著效果。

2.3 燃烧特征参数分析

图3示例不同点火策略下连续120次测试循环缸内最大压力变化曲线。图中可见，在各转速和负荷工况下，28&28和35&35双点火策略的最大压力循环波动程度分别较28和35单点火策略更小，与测得的最大压力循环变动率一致。

图4示例不同点火策略下缸内最大压力和燃烧持续期（点火至累积放热90%）的相关性。在大部分工况下，缸内最大压力与燃烧持续期的相关系数都在0.95左右，可见最大压力与燃烧持续期的变动呈现强相关特征，即燃烧持续期的循环变动是造成最大压力循环变动的主要原因之一。此外，图中可以看出最大压力随着燃烧持续期的增加而减小，采用双火花塞后其燃烧持续期相比单火花塞明显缩短，同时燃烧持续期的变化范围也更小。这主要是由于双火花塞点火使燃烧放热速率加快，如图5所示。在4 000 r/min转速不同负荷工况下，28&28和35&35双点火策略较28和35单点火策略的最大燃烧放热速率明显提高，最大燃烧放热速率对应曲轴转角也提前。

为分析燃烧持续期在不同点火策略下的循环变动规律，根据累积放热10%、50%、90%（CA10、CA50和CA90）对应的曲轴转角，将燃烧持续期划分为3个阶段：火焰发展期（点火至CA10）、快速燃烧前期（CA10～CA50）、快速燃烧后期（CA50～CA90），并依次计算出各个燃烧期的循环变动率，见表4～7。表中可见，在单火花塞状态，火焰发展期的循环变动率最低，而快速燃烧前期和后期的循环变动率都比较高。在部分负荷4 000 r/min转速工况，采用28单点火策略时，其火焰发展期的循环变动率只有5.93%，而快速燃烧前期和后期的循环变动率分别达到18.27%和22.39%。由此可见，快速燃烧前期和后期的循环变动是造成燃烧持续期循环变动的主要因素。

比较28和28&28点火策略，当采用双火花塞时，其燃烧持续期的循环变动率明显降低，其中火焰发展期的循环变动率变化很小，而快速燃烧前期和后期的循环变动率均显著降低，尤其是快速燃烧前期的循环变动率降幅最大。在全负荷4 500 r/min转速工况，采用28&28双点火策略后其燃烧持续期的循环变动率由28单点火策略时的9.76%下降为6.71%，其中火焰发展期的循环变动率由7.32%下降为7.16%，而快速燃烧前期和后期的循环变动率分别由14.51%和14.78%下降为9.47%和11.46%，快速燃烧前期降幅最大。这主要是由于双火花塞点火有利于火核早期的形成和发展，表中显示，火焰发展期缩短约2 º～5 º（CA），同时多点着火使燃烧初期火焰前锋面积增大，加快了前期燃烧速率，尤其是已燃质量分数10%～50%的快速燃烧前期阶段明显缩短，燃烧速率的加快有利于循环变动率的降低。但对于35&35双点火策略，由于点火提前角过大，在全负荷工况相对于35单点火策略，其快速燃烧前期的循环变动率降低较多，而快速燃烧后期的循环变动率下降不明显。如在4 500 r/min转速工况，当35单点火策略加强为35&35双点火策略时，其快速燃烧前期的循环变动率由12.02%下降为7.63%，而快速燃烧后期的循环变动率仅由9.86%下降为9.42%。这主要是由于35&35双点火策略下其快速燃烧后期的平均值变化较小，甚至有增大趋势，燃烧速率减慢导致其循环变动率降低不明显，甚至出现增大现象。在低负荷工况下，28&28和35&35双点火策略降低快速燃烧前期循环变动率的现象更加明显。

比较28和35单火花塞状态，当点火提前角增大后，其燃烧持续期的循环变动率也明显降低，但与双火花塞点火策略不同，其快速燃烧后期的循环变动率降幅最大，同时火焰发展期有增大趋势。如在全负荷4 000 r/min转速工况，其快速燃烧后期的循环变动率由17.02%下降为7.96%，而快速燃烧前期的循环变动率仅由15.25%下降为12.44%，同时火焰发展期延长约3 º（CA）。这是由于点火提前角过大时，点火时刻缸内温度较低，不利于火核早期的形成和发展，导致火焰发展期延长，同时35单点火时快速燃烧前期的平均值较28&28双点火要长，燃烧速率相对减慢，致使其前期循环变动率降幅较双火花塞点火策略要小。

综上所述，发动机采用双火花塞点火模式后其燃烧持续期循环变动率的降低主要是由于快速燃烧期的缩短及其循环变动率的降低所致，尤其是快速燃烧前期（CA10～CA50阶段）阶段的循环变动率降幅最明显。

3 结论

双点火策略的缸内最大压力明显提高，燃烧放热速率显著加快，其燃烧持续期的缩短主要体现在已燃质量分数10%～50%期间。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。在全负荷工况，28&28双点火策略均获得最大的IMEP，较28单点火策略有2%～4%的提升；35&35双点火策略由于点火提前角过大，导致其IMEP在全负荷各转速工况下最低。

双火花塞点火模式降低发动机循环变动率效果明显。测试数据分析表明：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。当采用双点火策略时，其燃烧持续期的循环变动率明显降低，其中火焰发展期的循环变动率变化很小，而快速燃烧前期和后期的循环变动率均显著降低，尤其是快速燃烧前期降幅最大，构成发动机燃烧持续期循环变动率降低的重要原因。而35&35双点火策略由于点火提前角过大，导致其快速燃烧后期的循环变动率降幅不明显。低负荷工况双火花塞点火策略降低快速燃烧前期循环变动率的效果更加显著。