蘇博浩 王偉 屈偉 孫建軍 趙勇

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

增壓直噴汽油機(jī)超級爆燃研究

蘇博浩1，2王偉1，2屈偉1，2孫建軍1，2趙勇1，2

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

缸內(nèi)直噴和增壓已成為當(dāng)今汽油機(jī)技術(shù)的主流方向，然而，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)小型化和動(dòng)力性的提高，增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了一種新的異常燃燒現(xiàn)象——超級爆燃，其嚴(yán)重影響著發(fā)動(dòng)機(jī)性能和使用壽命。根據(jù)國內(nèi)外超級爆燃的研究現(xiàn)狀，在典型增壓直噴汽油機(jī)上對不同的超級爆燃抑制方法進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：加濃、二次噴射、冷型火花塞都能夠抑制超級爆燃。

超級爆燃加濃二次噴射冷型火花塞

引言

缸內(nèi)汽油直噴（GDI）結(jié)合可變氣門正時(shí)以及廢氣渦輪增壓技術(shù)，既可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化，又能大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，因此，增壓直噴汽油機(jī)目前已經(jīng)成為研發(fā)的主流。但是，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的顯著提升，高增壓直噴汽油機(jī)出現(xiàn)新的爆燃模式——超級爆燃（低速早燃）。早燃是火花塞點(diǎn)火之前缸內(nèi)出現(xiàn)的異常燃燒現(xiàn)象，發(fā)生早燃時(shí)，燃燒室內(nèi)火焰前鋒傳播速度極快，缸內(nèi)壓力和溫度急劇上升，并伴隨劇烈的壓力波動(dòng)與極大的噪聲，隨機(jī)單次或連續(xù)出現(xiàn)，推遲點(diǎn)火也無法避免，早燃產(chǎn)生的超級爆燃比常規(guī)爆燃更加具有破壞性。其產(chǎn)生機(jī)理目前仍不十分明確，雖不能完全排除，也可以通過改變控制策略加以抑制。

本文在一臺增壓直噴汽油機(jī)上進(jìn)行臺架試驗(yàn)，通過混合氣加濃、二次噴射和降低火花塞熱值方法，對超級爆燃現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為3.0 L增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。供油系統(tǒng)為Bosch HDP5高壓共軌系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力為20 MPa。燃燒系統(tǒng)采用中置式噴油器，應(yīng)用均質(zhì)燃燒模式。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)在配置有冷卻水恒溫系統(tǒng)和燃油恒溫系統(tǒng)的AVL電力測功機(jī)試驗(yàn)臺上進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣側(cè)、冷卻系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)均安裝有壓力和溫度傳感器，試驗(yàn)設(shè)備見圖1。試驗(yàn)過程中，INCA5.4通過ETAS ES590連接ECU來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)；燃油消耗量由AVL735S油耗儀測量；排氣空燃比由Lambda（寬域氧）傳感器和ETAS ES630空燃比測量儀測量；煙度由AVL S415全自動(dòng)濾紙式煙度計(jì)測量，單位為FSN。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備布置

為了測試超級爆燃，發(fā)動(dòng)機(jī)的6個(gè)氣缸均安裝有缸壓傳感器，缸壓信號通過AVL-Indicom燃燒分析儀處理和計(jì)算后，在與Indicom相連的PC上顯示缸壓曲線。

2 超級爆燃及測試

2.1 超級爆燃現(xiàn)象的表現(xiàn)特征

圖2示出了發(fā)動(dòng)機(jī)在1500r/min全負(fù)荷工況時(shí)用燃燒分析儀測量的氣缸壓力。由圖中可以看出，1缸、3缸、4缸、5缸和6缸的缸壓呈現(xiàn)雙峰，分別為上止點(diǎn)時(shí)的壓縮峰和上止點(diǎn)后火花點(diǎn)燃的燃燒峰。第2缸的缸內(nèi)壓力異常偏高，達(dá)到正常燃燒缸壓的3倍，在點(diǎn)火角之前缸內(nèi)壓力開始明顯上升，之后便出現(xiàn)劇烈振蕩。由此可以斷定，在火花塞點(diǎn)火之前，缸內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了超級爆燃現(xiàn)象。

圖2 超級爆燃與普通缸壓曲線比較

對于增壓汽油機(jī)來講，超級爆震發(fā)生在低速（小于2000r/min）大負(fù)荷工況（大于12 MPa BMEP）如圖3所示，低速早燃成為制約發(fā)動(dòng)機(jī)小型化和提高熱效率的主要因素。與傳統(tǒng)的汽油機(jī)爆燃不同，超級爆燃具有“間歇性發(fā)生”這一典型特征，并在多次重復(fù)發(fā)生過程中表現(xiàn)為著火越來越早而缸內(nèi)最高燃燒壓力越來越高。增壓直噴汽油機(jī)的超級爆燃無法通過推遲點(diǎn)火時(shí)刻來控制。研究表明：發(fā)生超級爆燃時(shí)的著火位置并不固定，而是出現(xiàn)在缸內(nèi)多處不同的地方。

圖3 超級爆燃常發(fā)區(qū)域

2.2 測試方法

超級爆燃具有隨機(jī)偶發(fā)性，通常采用統(tǒng)計(jì)法來量化頻次。為了確保超級爆燃頻次統(tǒng)計(jì)的可靠性，必須采集大量燃燒事件的樣本。本試驗(yàn)采用BOSCH公司推薦的早燃接受標(biāo)準(zhǔn)5×10-6。

1）清除積碳

首先將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為標(biāo)定轉(zhuǎn)速的60%，負(fù)荷為最大扭矩的60%，且保證此時(shí)空燃比為14.7，點(diǎn)火角調(diào)至有輕微爆燃的臨界角度，在此工況點(diǎn)下運(yùn)行1 h，保證有充足的時(shí)間清除缸內(nèi)的積碳。

2）試驗(yàn)工況

在完成清除積碳后，將工況點(diǎn)切換為該機(jī)型所需要驗(yàn)證的工況點(diǎn)，工況點(diǎn)選在外特性最大扭矩的第一個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)運(yùn)行百萬個(gè)燃燒循環(huán)。當(dāng)出現(xiàn)超級爆燃現(xiàn)象，并記錄此循環(huán)前后各50組燃燒數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成基于角度的缸壓曲線。

3 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

3.1 加濃混合氣抑制超級爆燃

不同空燃比下3次試驗(yàn)的超級爆燃平均發(fā)生次數(shù)如圖4所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣不斷加濃時(shí)，3次試驗(yàn)超級爆燃發(fā)生的平均次數(shù)不斷降低。發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比從14.7降低到12，在3次試驗(yàn)中發(fā)生超級爆燃的平均次數(shù)從22次降低到了4。說明加濃混合氣能夠有效地抑制超級爆燃。

圖4 不同空燃比超級爆燃頻次

加濃能夠抑制超級爆燃的原因主要在于含有更多燃油的混合氣的絕熱指數(shù)k減小。根據(jù)絕熱等熵公式得：

式中：T1—壓縮終了的混合氣溫度；

T2—壓縮始點(diǎn)的混合氣溫度；

V1—壓縮終了的燃燒室體積；

V2—壓縮始點(diǎn)的燃燒室體積；

ε—壓縮比。

可以看出，當(dāng)k值減小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮終了的混合氣溫度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)熱點(diǎn)比較難達(dá)到其自燃溫度，抑制了超級爆燃。

同時(shí)采用chemkin軟件建立絕熱壓縮模型，改變發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣的空燃比，計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮終了溫度（如圖5所示）?？杖急冉档偷?2，混合氣在壓縮終了的溫度降低了約12℃，熱點(diǎn)不容易自燃，超級爆燃發(fā)生概率降低。

可見，加濃混合氣是一種有效抑制超級爆燃的方法，但大大損失了燃油經(jīng)濟(jì)性。另外，由于現(xiàn)代汽油機(jī)中都采用成熟的三效催化劑來降低排溫，而三效催化劑高效轉(zhuǎn)化效率集中于理論空燃比附近的狹窄區(qū)間，利用加濃混合氣來抑制超級爆燃還會使發(fā)動(dòng)機(jī)排放惡化，CO排放高達(dá)50×10-3以上。因此，加濃混合氣抑制超級爆燃不是最佳的解決方案。

圖5 壓縮終了溫度隨空燃比的變化

3.2 二次噴射抑制超級爆燃

二次噴射（主噴＋后噴）中主噴將沿用單次噴油時(shí)的相位，因此，在驗(yàn)證二次噴射對超級爆燃影響之前，必須優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)單次噴射的噴油相位。優(yōu)化二次噴射工作分為兩步：首先選擇二次噴射中后噴的最佳截止相位，其次是優(yōu)化二次噴射中后噴的噴油比例。

優(yōu)化單次噴射噴油相位就是選擇最佳進(jìn)氣行程噴油起始相位。系統(tǒng)軟件設(shè)定單次噴射相位參考點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣上止點(diǎn)，從參考點(diǎn)到噴油開始的角度設(shè)定為噴油起始相位。依據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷設(shè)定掃描工況點(diǎn)，在相應(yīng)工況確定噴油相位，盡量避免燃油在排氣VVT打開時(shí)噴射，防止部分燃油從燃燒室掃到排氣管，導(dǎo)致排氣管溫度升高和燃油消耗率增加。試驗(yàn)設(shè)定單次噴油起始相位掃點(diǎn)范圍260°CA～320°CA，步長10°CA。根據(jù)煙度FSN兼顧AI50、爆燃強(qiáng)度△KP_PK×1 000/speed、燃燒波動(dòng)率Cov%，確定最終單次噴射的噴油起始相位。

二次噴射中主噴相位沿用單次噴射起始相位，后噴相位參考點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮上止點(diǎn)，從參考點(diǎn)到噴油結(jié)束的角度設(shè)定為噴油截止相位點(diǎn)。后噴相位優(yōu)化范圍為60°CA～120°CA，步長10°CA。由于后噴燃油比例過大會使燃油不能完全霧化，導(dǎo)致燃油消耗增加、排放惡化，為此，先將主噴比例設(shè)置80%和70%，確定最優(yōu)相位方法同單次噴射。下面以優(yōu)化二次噴射比例和二次噴射相位為例進(jìn)行超級爆燃驗(yàn)證（如表2、表3所示）。

記錄30 s，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果以優(yōu)化EOI為例（如圖6～圖9所示）。

選取原則：

原則上煙度、AI50、燃燒波動(dòng)、爆燃強(qiáng)度值越小越好；

表2 二次噴射優(yōu)化步驟

表3 數(shù)據(jù)記錄

圖6 不同噴射比例在不同EOI對應(yīng)的煙度

圖7 不同噴射比例在不同EOI對應(yīng)的AI50

圖8 不同噴射比例在不同EOI對應(yīng)的Cov%

圖9 不同噴射比例在不同EOI對應(yīng)的爆燃強(qiáng)度

從圖6可以看出，煙度值具有相似的變換趨勢，隨著二次噴射截止相位的增大，煙度逐漸減小，隨后又有增大趨勢，主噴比例80%煙度最小值對應(yīng)的二次噴射結(jié)束角是100°CA，主噴比例70%煙度最小值對應(yīng)的二次噴射結(jié)束角90°CA；

AI50越大燃燒越滯后，高溫持續(xù)時(shí)間長，為下一燃燒循環(huán)創(chuàng)造了早燃條件。從圖7可以看出主噴比例70%整體好于80%，在結(jié)束角70°CA時(shí)達(dá)到最?。?/p>

燃燒波動(dòng)率：由燃燒分析儀測量的缸內(nèi)平均有效壓力循環(huán)波動(dòng)率，值越小說明燃燒越穩(wěn)定；

爆燃強(qiáng)度值也可以反映燃燒波動(dòng)情況，一般情況在1到1.5范圍之內(nèi)或越靠近此范圍越好；

依據(jù)煙度、AI50、燃燒波動(dòng)和爆燃強(qiáng)度值最小原則，綜合對比確定噴射比例為80/20，二次噴射結(jié)束相位為100°CA。

基于上述選取原則優(yōu)化二次噴射（噴油相位、噴油比例）后，將經(jīng)過插值處理的噴油相位及后噴比例數(shù)據(jù)導(dǎo)入ECU查詢表。結(jié)合上述測試方法，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r/min工況點(diǎn)分別采集每1 h發(fā)生的超級爆燃頻次數(shù)據(jù)，平均計(jì)算后，與單次噴射時(shí)的情況進(jìn)行對比。結(jié)果表明，采用二次噴射后，超級爆燃的頻次降低幅度大于66%，這說明二次噴射對超級爆震有明顯的抑制效果，如圖10所示。

圖10 不同負(fù)荷單次與二次噴射超級爆震頻次

3.3 降低火花塞熱值

當(dāng)火花塞絕緣體小頭或電極溫度超過一定值時(shí)，過熱的絕緣體表面、電極或絕緣體與電極表面的沉積物可能會引起混合物的自燃。不同型號的火花塞有不同的熱值，不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的熱負(fù)荷也有很大的差別。低熱值火花塞，不能自潔而積炭。高熱值火花塞，容易產(chǎn)生早燃，即超級爆燃。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)早燃問題，可以采取降低熱值的設(shè)計(jì)，熱型火花塞吸熱表面大，傳熱路徑長；冷型火花塞吸熱表面小，傳熱路徑短。減少鼻端陶瓷體長度，縮短了散熱路徑即降低了熱值。降低熱值可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)所有零部件不存在提前點(diǎn)火，并且能有很好的散熱功能保證電極溫度在合理范圍內(nèi)。同時(shí)采取陶瓷體鼻端傘棱設(shè)計(jì)保證了低溫積碳問題。

從圖11可以看出，隨著功率的增加電極的溫度也在升高，但是，低熱值火花塞的溫度在所有工況范圍內(nèi)都低于自凈溫度500℃，中等熱值火花塞的工作溫度在900℃以下，而高熱值火花塞在高負(fù)荷時(shí)溫度超過了正常工作范圍。

圖11 不同火花塞熱值在同一發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的工作溫度

下面通過火花塞溫度測量和離子流測量來確定合適的火花塞熱值。

后火率的大小與火花塞熱值有關(guān)。一般來講，熱值越大（博世標(biāo)準(zhǔn)），火花塞工作時(shí)的溫度越高，產(chǎn)生后火的幾率也越高。圖12是不同熱值火花塞在同一缸后火率的對比圖。依照此圖再按照一定規(guī)則就可以判斷哪種熱值火花塞更適合與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配。按照博世的規(guī)定，后火率不大于40%及比產(chǎn)生早火的火花塞低2個(gè)熱值檔次的熱值比較合適，因此圖中FR7DE即可被推薦使用在被測試的發(fā)動(dòng)機(jī)上。如圖13所示為后火率不滿足標(biāo)準(zhǔn)的FR8DE和滿足標(biāo)準(zhǔn)的FR7DE超級爆燃次數(shù)對比。

圖12 不同熱值火花塞在同一缸的后火率

圖13 不同熱值超級爆燃頻次

4 結(jié)論

1）加濃混合氣是一種有效抑制超級爆燃的方法，但發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率和CO排放大幅升高。因此加濃混合氣抑制超級爆燃不是最佳的解決方案。

2）采用二次噴射方式，基于煙度最小等原則選擇噴油相位和噴油比例，對比兩種噴油方式下超級爆燃頻次，試驗(yàn)結(jié)果表明：

a）選擇適當(dāng)?shù)亩螄娚鋰娪拖辔缓蛧娪捅壤梢越档桶l(fā)動(dòng)機(jī)煙度，煙度下降幅度可以達(dá)到40%以上；

b）采用二次噴射后，超級爆燃頻次明顯降低，降低幅度可以達(dá)到55%；

c）通過減少煙度可抑制超級爆燃的發(fā)生。

3）降低火花塞熱值同時(shí)采取陶瓷體鼻端傘棱設(shè)計(jì)保證了低溫積碳問題，可以有效抑制超級爆燃發(fā)生。

1Bosch公司.BOSCH汽油機(jī)管理系統(tǒng)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002

2Takuya Inoue，Yoshiki Inoue，Masahiro Ishikawa.Abnormal combustion in a highly boosted SI engine-The occurrence of super knock[C].SAE Paper 2012-01-1141

3李元平，平銀生，尹琪．增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)早燃及超級爆震試驗(yàn)研究[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2012，33（5）：63～66

4Vangraefschèpe F，Zaccardi J．Analysis of destructive abnormal combustions appearing at high load and low engine speed on high performance gasoline engines[C]．France：SIA Conference：The Spark Ignition Engine of the Future－Strasbourg，November 28 and 29th，2007

5Inoue T，Inoue Y，Ishikawa M．Abnormal combustion in a highly boosted SI engine-the occurrence of super knock[R]．SAE Paper 2012-01-11416Amann M，Alger T，Westmoreland B，Rothmaier A．The effects of piston crevices and injection strategy on low－speed preignition in boosted SI engines[J]．SAE International，Journal of Engines，2012，5（3）：1216～1228

7Application and Test Specification.Robert Bosch GmbH，KH/EKE2，1999

8Ignition System for Gasoline Engines.Robert Bosch GmbH，2003

9張志福，舒歌群，梁興雨，等．增壓直噴汽油機(jī)超級爆震現(xiàn)象與初步試驗(yàn)[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2011，29（5）：422～426

Research of Super Knock in Turbocharged GDI Gasoline Engine

Su Bohao1，2，Wang Wei1，2，Qu Wei1，2，Sun Jianjun1，2，Zhao Yong1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Company Limited（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Gasoline direct injection and turbocharging have become the main trend in gasoline engine technology.However，while engines are prone to be downsized and to output higher power，a new abnormal phenomenon，known as pre-ignition or super knock，occurs in turbochared GDI engine，which has a severe influence on engine performance and service life.Based on the current researches on pre-ignition domestic and overseas，this paper studies the different suppression strategies for the super-knock.Study shows that mixture enrichment，double injection，cold spark plug could suppress the super-knock.

Super-knock，Mixture enrichment，Double injection，Cold spark plug，Lubricating

TK411

A

2095-8234（2014）04-0029-06

2014-05-29）

蘇博浩（1988-），男，工學(xué)學(xué)士，主要從事整機(jī)及電控系統(tǒng)開發(fā)與研究。