主动预燃室点火系统（通常称为湍流喷射点火，TJI）已成为扩展火花点火发动机的稀燃极限和加速燃烧的有希望的方法，提高了热效率[1,2]，同时保持了低循环变异性[3,4]。与被动预燃室相比，主动系统向预燃室注入少量辅助燃料，以确保在更宽的工作范围内可靠点火和强大的喷射，最近的实验和数值研究已经证明了这一点[4,5]。最新研究还表明，预燃室体积和喷嘴几何形状对喷射发展有显著影响[6,7]，而燃油策略则显著影响主燃烧室的火焰传播和排放[8]。
为了实现最佳的喷射点火性能，在火花塞点火之前在预燃室（PC）内建立适当的当量比分布至关重要，这与直接喷射系统类似。由于活塞压缩和气缸湍流，准确预测PC中的实际混合浓度具有挑战性[5]。主动预燃室中注入的燃料质量通常不超过注入主燃烧室的总燃料质量的5%[9,10]，这一质量百分比也对应于在气缸中释放的燃料能量的比例。这些注入PC的燃料质量与混合状态、喷射混合物的燃烧、喷射火焰的后续传播特性、喷射点火稳定性甚至发动机功率性能密切相关。许多研究表明，预燃室中的富混合气体可提高喷射点火性能[11]。Zhan等人[12]探讨了燃油喷射质量和过量空气系数λ的最佳控制，得出结论：PC中的富混合气可以缩短燃烧周期，加快燃烧速度，并提高点火性能。Chinnathambi[11]证明，PC中的混合气比化学计量比更富时会产生更多的活性自由基，从而增强喷射点火。从机制上讲，增加的燃料燃烧提高了主燃烧室（MC）和预燃室（PC）之间的压力差，这增强了喷射穿透力并促进了火焰的更快发展[13]。然而，PC中的化学计量混合具有更大的节能潜力。Gholamisheeri等人[14]表明，增加PC喷射质量可以提高燃烧稳定性和速率，同时减少点火延迟。实际上，在进气冲程中注入PC的低流量燃料可能会部分溢入主燃烧室，这是由于喷射压力和主燃烧室之间的压力差驱动的[15]。
根据Benekos等人的研究[16,17]，喷射点火过程可以分为三个阶段。在第一阶段，PC中的燃烧由靠近其上壁的热核引发，在MC中产生一个瞬态的非反应性化学计量喷射，这又在靠近喷嘴出口的区域产生了强烈的湍流。在第二阶段，一个热的反应性喷射进入MC以引发点火并形成消耗MC混合物的火焰。在最后阶段，MC中的压力增加导致从主燃烧室到预燃室的反向流动。Tang等人[18]通过恒容室中的燃烧可视化进一步展示了预燃室喷射点火过程，并定义了四种不同的喷射点火模式：喷射点火、喷射火焰点火、弱喷射点火和双喷射点火。喷射火焰点火的模式类似于火花塞点火。向喷射点火过程中添加一定量的喷射燃料会导致喷射火焰中产生更明亮的尾焰。
在一些研究中，不同预燃室配置下的净燃烧效益似乎相似，而排放则可能对操作条件更为敏感[19]。关于主动预燃室系统的运行，通常采用稀燃燃烧概念，这在决定发动机原始排放方面起着重要作用。在低发动机负载条件下，使用低流量喷射控制预燃室中的燃料质量具有挑战性，且往往会对排放产生负面影响，尤其是颗粒排放。Stadler等人[20]评估了将预燃室燃料质量流量比从0变化到8%对发动机排放的影响。他们发现，过高的预燃室燃料质量流量比会导致预燃室内的混合气过富，从而增加烟尘形成。在超高稀燃燃烧条件下，低温阻止了燃料富集区域形成的颗粒物的氧化以及预燃室中不均匀的喷射混合物在主燃烧室中的氧化。因此，对于预燃室和主燃烧室分别喷射燃料的超高稀燃燃烧，加上分层燃料混合，会对颗粒排放产生负面影响。在这些条件下，汽油燃烧产生的颗粒物显著多于传统火花塞点火。在低发动机负载下，预燃室的颗粒排放相对较高。在高负载下，先进的点火正时允许烟尘有更长的氧化时间，升高的燃烧温度有助于烟尘的氧化。
超出稀燃极限后，由于燃烧稳定性差和化学反应不完全，HC排放增加得更快，这与NOx排放的趋势相反[21]。NOx水平最初会增加，但随着lambda水平的增加而显著下降。Sementa等人[22]进行的光学发动机测试显示，在稀燃条件下运行的主动预燃室发动机中HC排放较高，这归因于不同预燃室孔口的湍流喷射的非均匀行为。在接近稀燃极限时，不完全燃烧会进一步增加未燃烧HC的排放。
除了基于物理的CFD和光学诊断方法外，数据驱动的方法——特别是人工神经网络（ANNs）——越来越多地被应用于预测汽油、柴油和HCCI模式下的发动机性能[23]、燃烧和排放。最近的综述强调，与详细的多组分模型相比，ANNs可以以更低的计算成本准确捕获IMEP、CA50、NOx、HC和PM等指标，从而实现快速参数研究和面向控制的优化。
随着低碳和零碳替代燃料的出现以及对反应性控制压缩点火（RCCI）技术的深入研究，燃料多样性和预燃室点火系统的结合将在未来相当长的一段时间内成为研究和应用的热点。甲醇、乙醇、氨和氢是优秀的替代燃料，并被广泛用于各种内燃机相关研究[24]。De Costa证明，预燃室喷射点火系统也非常适合乙醇燃料。与传统火花塞点火（SI）相比，它们可以加快燃烧速度，扩展稀燃极限，并提高热效率[25]。然而，较低的燃烧温度和过度的热传递可能导致HC排放增加。de Oliveira等人[26]对使用水合乙醇的单缸发动机中的被动预燃室系统的研究表明，喷射点火显著缩短了燃烧的早期和后期阶段。这使得它更适合稀燃应用和高压缩比的内燃机。
乙醇长期以来一直被用作与汽油混合的合适燃料，这项技术已经达到了很高的成熟度。然而，目前关于乙醇-汽油混合物与预燃室喷射点火技术结合的应用研究仍然有限。本研究探讨了在预燃室中使用乙醇喷射点火来点燃主燃烧室中的汽油，并提供了与汽油喷射点火的比较分析。研究首先通过数值模拟探索了增加预燃室低流量喷射持续时间和燃料富集对喷射点火机制、缸内燃烧性能和烟尘形成的影响。然后通过相应的光学单缸发动机（OSCE）实验验证了这些发现。该研究旨在理解喷射点火过程中颗粒物减少与发动机功率性能之间的平衡关系。
最近的研究强调了可再生酒精燃料作为湍流喷射点火概念中预燃室引导燃料的潜力，主要集中在非汽油主燃烧室燃料（例如氨）上，并强调了酒精之间的燃烧持续时间和排放权衡[27]。相比之下，本研究针对汽油主燃烧室，并在相同的超高稀燃边界条件下提供了受控的乙醇-汽油引导燃料比较，将预燃室混合均匀性和多阶段喷射发展与主燃烧室的热释放和尺寸分辨的颗粒趋势联系起来，为低碳喷射点火策略提供指导。
