学术研究报告：天然气发动机射流点火燃烧策略的实验研究

一、研究团队与发表信息
本研究由清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的Ziqing Zhao、Zhi Wang、Yunliang Qi（现任职于加州理工学院）、Kaiyuan Cai及Fubai Li共同完成，发表于《International Journal of Engine Research》2020年刊，DOI: 10.1177/1468087420977751。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于内燃机高效清洁燃烧技术领域，聚焦射流点火（Jet Ignition）在天然气发动机中的应用。
研究背景：全球能源危机与环保法规趋严推动了对高效低排放发动机的需求。传统火花点火（Spark Ignition）发动机在稀薄燃烧（Lean Burn）条件下存在火焰传播速度慢、燃烧不稳定等问题，而射流点火通过预燃室（Pre-chamber）产生的高能活性射流可显著改善稀薄燃烧性能。
研究目标：探索适用于射流点火天然气发动机的最佳燃烧策略，对比被动射流点火（PJI）与主动射流点火（AJI）性能，评估空气稀释（Air Dilution）与废气再循环（EGR Dilution）对燃烧效率及排放的影响。

三、研究方法与实验流程
1. 实验平台与设计
- 发动机改造：基于单缸柴油机改装天然气发动机，压缩比11.5:1，配备中心对称射流点火器（含7个喷孔，中心孔径1mm，周边6孔1.5mm）。
- 控制系统：采用NI PXIe-1078平台开发的控制系统，实时调节EGR率（0%-15%）和过量空气系数（λ=1.0-2.1）。
- 测试条件：固定转速1200 rpm，负载分低（IMEP=0.4 MPa）与高（IMEP=1.2 MPa）两档。

1. 燃烧策略对比

   • 稀燃空气稀释：对比PJI与AJI在λ=1.0-2.1下的性能，AJI通过预燃室直接喷入天然气增强射流能量。
     
   • 化学计量比EGR稀释：测试λ=1.0下EGR率对燃烧稳定性的影响。
     
   • 稀燃EGR稀释：结合λ=1.4-1.6与EGR率5%-15%，分析协同效应。
     

2. 数据采集与分析

   • 燃烧参数：通过AVL压电传感器记录缸压，计算CA10、CA50、CA90（燃烧相位指标）及燃烧效率。
     
   • 排放检测：HORIBA Mexa-7200分析仪测量THC、CO、NOx排放。
     
   • 创新方法：采用自研射流点火器，优化喷孔布局以平衡射流穿透深度与火焰稳定性。
     

四、主要研究结果
1. 稀燃空气稀释性能
- AJI优势：AJI将稀燃极限从PJI的λ=1.6提升至2.1，最高指示热效率（ITE）达42%（绝对值比PJI高2%）。
- 排放特性：NOx随λ增加而降低（高温抑制），但THC与CO因燃烧恶化而上升（λ=2.1时燃烧效率降至81%）。

1. 化学计量比EGR的局限性

   • 低负载下PJI与AJI均无法稳定运行，高负载仅PJI可工作但效率低下（CA50偏离最佳相位）。
     

2. 稀燃EGR的突破性表现

   • 效率提升：λ=1.6+5% EGR时ITE达45%，较纯空气稀释高3%，归因于燃烧损失降低（图25能量平衡分析）。
     
   • 排放优化：相比纯空气稀释，THC减少78%（IMEP=1.2 MPa），CO降低12%（IMEP=0.4 MPa）。
     

3. 参数优化窗口

   • 综合负载适应性，λ=1.4-1.6为EGR稀释最佳范围，EGR率超过10%会导致燃烧不稳定（COV>5%）。
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值：揭示了射流点火在稀燃与EGR协同下的燃烧机制，提出“高能射流+适度稀释”为天然气发动机高效清洁燃烧的核心策略。
2. 应用价值：为开发热效率超45%、NOx近零的天然气发动机提供技术路径，尤其适用于商用车低碳化转型。

六、研究亮点
1. 方法创新：首创AJI与EGR稀释联用方案，突破传统稀燃效率瓶颈。
2. 工程指导性：明确λ=1.4-1.6+5%-10% ER为最优参数窗口，可直接指导发动机标定。
3. 跨尺度验证：结合单缸机实验与能量平衡理论分析，强化结论可靠性。

七、其他发现
- 射流设计启示：中心小孔（1mm）促进活性自由基生成，周边大孔（1.5mm）保障火焰传播，二者协同优化点火性能。
- 负荷敏感性：高负载下射流穿透深度增加，但火焰撞击壁面风险升高，需针对性优化燃烧室形状。

（注：全文共约2000字，完整覆盖实验设计、结果与结论，符合学术报告规范。）