混合动力专用汽油发动机中，用于实现均匀稀薄燃烧的先进燃烧室设计与点火系统策略

《Fuel》：Advanced combustion chamber design and ignition system strategies for homogeneous lean operation in a hybrid-dedicated gasoline engine

燃烧室几何优化与高能双线圈点火系统协同作用使混合动力专用汽油机实现λ=2.2稳定稀燃，热效率达45%，NOx排放降至0.2g/kWh。

　　

作者：Heechang Oh、Kiseon Sim、Jonghyeok Lee、Taekyun Kim、Dokyun Kim 所属机构：韩国现代汽车公司

摘要

本研究通过先进的燃烧室设计和高能量点火策略，致力于实现混合动力专用汽油发动机中的稳定、高效的均匀稀燃。研究人员对一台基于量产的2.5升发动机进行了改进，优化了进气口和活塞的几何结构，并采用了创新的双线圈多级点火系统。大涡模拟和发动机测功机测试表明，新的燃烧室设计显著增强了涡流和湍流，从而在稀燃条件下促进了火焰的早期形成。高能量点火系统通过顺序双线圈放电，在强气缸内流中维持了稳定的点火通道电流，促进了火焰的稳定增长。在2000转/分钟和8.5巴的峰值机械压力（BMEP）下进行的发动机测试证实，早期燃烧过程得到了显著改善，使得发动机能够在λ=2.2的稀燃比下可靠运行。这些改进使得发动机的制动热效率达到了45%，并将尾气中的NOx排放量降低到了0.2克/千瓦时。与以往依赖单缸研究或仅关注个别技术的稀燃发动机研究相比，本研究验证了在量产级多缸发动机中集成先进燃烧室设计和高能量双线圈点火系统的协同效应。这种系统级方法在所有关键性能指标上都取得了显著提升，代表了稀燃汽油发动机研究的重大进步。以往的研究通常局限于λ<2.0的稀燃范围，导致NOx排放量较高，而本研究则展示了超越这些限制的明显改进。通过对气缸内流和点火策略的协同优化，不仅延长了实际稀燃极限，还减少了排放并提高了效率。本研究突显了集成先进燃烧室和点火技术以开发下一代低排放、高效混合动力系统的潜力，为应对更严格的碳排放法规提供了宝贵的指导。

引言

混合动力系统是短期内减少交通运输温室气体排放的实用方案，它结合了内燃机和电动驱动方式，能够在不同地区、气候和基础设施条件下提升实际效率。混合动力专用发动机的工作范围比传统发动机更窄、更可预测，从而能够实施针对性的燃烧策略，显著提高热效率。[1],[2] 稀燃技术对于专用混合动力发动机来说是一个有前景的技术。使用稀薄的空气-燃料混合物进行燃烧具有热力学优势，包括更高的比热容、更低的爆震倾向以及更低的能量损失，这些都有助于提高热效率。图1展示了稀燃条件下的气缸内特性与化学计量燃烧条件下的对比。如图1所示，稀燃可以降低燃烧温度、提高比热容，并优化燃烧过程。这些燃烧特性通过减少热量传递和排气损失来提升效率，同时由于温度较低，还减少了氮氧化物（NOx）的排放。 尽管图1展示了显著的好处，但由于技术挑战，稀燃汽油发动机的实际应用受到了限制。首先，传统三效催化剂系统在稀燃条件下的NOx转化效率大幅下降。因此，开发有效且经济的稀燃NOx后处理系统，并同时减少发动机尾气中的NOx排放，对于满足日益严格的排放法规至关重要。[3] 其次，随着空气-燃料比值的降低，稀燃发动机的燃烧稳定性会变差。这主要是由于稀薄混合物的层流速度降低以及初始火焰核的形成减弱，导致循环变化增加、未燃烃类排放增加以及失火风险增加。[4],[5] 这些现象共同限制了稀燃发动机的实际运行范围，使得难以实现理想的效率、排放和性能。 通过提高稀燃条件下的燃烧稳定性可以解决这些技术挑战，从而扩展稀燃运行的极限。早期的研究主要集中在同时改善气缸内气流和点火性能上。优化燃烧室几何结构（例如采用高涡流进气口）是改善气缸内流特性的关键策略。这种几何优化可以提高对流速度[6]、增强湍流水平[7]，并促进更均匀的空气-燃料混合，从而实现更可靠的火焰起始和发展[8]。同时，采用高能量点火系统的优化点火策略有助于在高度稀释的条件下产生更稳定的初始火焰核并促进火焰的稳定增长[8],[9]。这些改进共同提升了初始燃烧和主燃烧过程，最终实现了更高的效率、更低的排放以及更小的循环变化。然而，之前在量产级多缸发动机（尤其是混合动力电动汽车HEV应用中）验证这些概念的研究仍然有限。虽然已有研究分别探讨了高涡流进气口[6],[7]或高能量点火[8],[9]（通常在单缸或光学发动机中），但尚未系统地证明燃烧室设计与48伏双线圈点火系统结合的协同效应。[6],[7] 本研究通过验证一种系统级方法来填补这一空白，该方法利用各组件的协同作用将稀燃极限扩展到λ=2.0以上，同时满足量产级硬件的实际限制。 本研究探讨了在均匀稀燃条件下，优化燃烧室几何结构和实施高能量多火花点火系统的协同效应。通过高保真CFD模拟优化了燃烧室几何结构，并通过多缸发动机测试评估了其对燃烧特性、效率和排气排放的影响。本文的主要目标是展示用于混合动力专用稀燃发动机的高级燃烧系统技术。后续讨论将详细介绍燃烧室设计和点火策略的优化，以实现稳定、高效且低排放的稀燃。本文的研究成果和方法为开发更清洁、更高效的动力系统提供了宝贵的见解。

测试发动机

测试发动机基于现代起亚D系列车型中使用的自然吸气2.5升直列四缸量产发动机。该发动机具有连续可变气门正时系统，进气侧采用电控方式，排气侧采用液压控制。此外，发动机还配备了最大压力为350巴的直喷系统，喷射器横向安装。

改进稀燃的概念

早期稀燃汽油发动机的发展通常依赖于分层燃烧策略，该策略通过非均匀的空气-燃料混合物分布，在火花塞附近形成局部富集区以提高点火性能[19],[20],[21],[22]。虽然分层燃烧可以有效扩展稀燃范围，但也会导致局部富集区域的NOx排放增加，从而增加了稀燃NOx后处理系统的负担。

结论

本研究通过燃烧室几何结构和多级点火策略的协同优化，实现了混合动力专用汽油发动机中的稳定超稀燃（λ高达2.2），并通过LES模拟和多缸发动机测试进行了验证。主要发现包括： 1. 进气口和活塞碗几何结构的优化显著增强了涡流，促进了稀燃条件下的火焰早期形成和燃烧稳定性。 2. 基于LES的流动分析和发动机测试结果进一步证实了这些优化效果。

作者贡献声明

Heechang Oh：撰写初稿、进行调查和概念构思。 Kiseon Sim：进行调查和概念构思。 Jonghyeok Lee：进行调查和概念构思。 Taekyun Kim：负责方法论设计和调查工作。 Dokyun Kim：负责方法论设计和调查工作。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国贸易产业资源部（MOTIR）和韩国工业技术评估院（KEIT）资助的汽车产业技术发展计划（绿色汽车项目）的支持（项目编号：RS-2026-25544633，内容为“下一代应用专用EREV发动机及集成发电协调控制系统的开发”）。作者将这项工作献给Juhun Lee先生，他的智慧和不懈努力对本文的研究至关重要。