王懷安

江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330001

0 引言

在發(fā)動機燃燒開發(fā)和試驗過程中，經(jīng)常會面臨各種各樣的問題，尤其是汽油發(fā)動機的全新開發(fā)。由于采用了自主開發(fā)設(shè)計的燃燒系統(tǒng)，對于發(fā)動機燃燒過程的點火時刻、燃燒的發(fā)生時刻、燃燒持續(xù)期等都需要精確控制和調(diào)校，經(jīng)常會遇到不正常的燃燒過程，需要對其發(fā)生機制和特性進行深入的研究。

1 超級爆震現(xiàn)象介紹

增壓和缸內(nèi)直接噴射(turbo-charged gasoline direct injection，TGDI)技術(shù)是汽油機提高燃油經(jīng)濟性的有效方法，同時由于均質(zhì)混合氣的燃燒模式可以簡化后處理方案，因此被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代高增壓直噴汽油機中。采用均質(zhì)燃燒的汽油發(fā)動機，在低速高負(fù)荷(轉(zhuǎn)速不大于2 500 r/min、平均有效壓力不小于1.5 MPa)工作時，且在火花塞正常點火之前，缸內(nèi)混合氣會頻繁發(fā)生一種自燃的特殊現(xiàn)象，文獻(xiàn)[1-2]中稱其為低速提前點火(low-speed pre-ignition，LSPI)。

嚴(yán)重的低速提前點火會引起超出設(shè)計限值的缸內(nèi)壓力和嚴(yán)重的爆震，對應(yīng)的缸內(nèi)壓力震蕩高達(dá)10 MPa，這一現(xiàn)象稱為超級爆震[1-4]。超級爆震具有間歇性發(fā)生的特征，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)最高燃燒壓力也越來越高[5]。超級爆震發(fā)生前一定有低速提前點火發(fā)生，但低速提前點火不一定導(dǎo)致超級爆震[6]。

鑒于其對發(fā)動機的破壞力，超級爆震是目前汽油機繼續(xù)提升扭矩和降低油耗的主要障礙[7]，也是在國內(nèi)油品條件下，提高缸內(nèi)直噴汽油機增壓水平和性能面臨的最大挑戰(zhàn)。

2 試驗的基本信息及提前點火區(qū)域

試驗用發(fā)動機是一臺某公司自主開發(fā)的4缸、1.5 L排量的高增壓TGDI汽油機，其中燃油為RON92汽油，基本參數(shù)見表1。發(fā)動機配置了高效率的電控放氣閥式渦輪增壓器及雙可變氣門相位器，進排氣凸輪相位均可獨立調(diào)整60 ℃A曲軸轉(zhuǎn)角。發(fā)動機噴油器采用6孔側(cè)置安裝，最大噴射壓力為15 MPa，噴油器在15 MPa壓力下的噴油特性如圖1所示，可根據(jù)發(fā)動機電子控制單元(ECU)的設(shè)定實施多次噴油。圖2為噴油器布置及油束在活塞頂部的落點示意。

表1 發(fā)動機的基本參數(shù)

圖1 噴油器在15 MPa壓力下的噴油特性

圖2 噴油器布置及油束在活塞頂部的落點示意

圖3為發(fā)動機性能曲線，其最大扭矩覆蓋的轉(zhuǎn)速區(qū)為1 500～4 600 r/min。為了提高發(fā)動機在不大于2 500 r/min的低速段扭矩，利用可變配氣正時系統(tǒng)，通過進排氣門疊開的掃氣功能，改善了增壓器在靠近喘振區(qū)的低流量下的增壓性能，使發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速下延到1 500 r/min。提升發(fā)動機的低端扭矩，從而提升了整車的低速加速能力。

圖3 發(fā)動機性能曲線

圖4為發(fā)動機全負(fù)荷下的進排氣壓力變化曲線。發(fā)動機的掃氣區(qū)位于圖中左上角的低速高負(fù)荷區(qū)，發(fā)動機負(fù)荷以平均有效壓力(brake mean effective pressure，BMEP)表示。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于2 500 r/min的中高速區(qū)，由于排氣道壓力大于進氣道壓力，在氣門重疊角內(nèi)可能發(fā)生部分高溫廢氣的反流，進入進氣道的高溫廢氣最終隨進氣流入氣缸。試驗觀察到的LSPI區(qū)也完全落入掃氣區(qū)內(nèi)。

圖4 發(fā)動機全負(fù)荷下的進排氣壓力變化曲線

圖5為發(fā)動機在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下全負(fù)荷缸壓曲線。圖中示出了此工況時發(fā)生的由LSPI引發(fā)的超級爆震現(xiàn)象，最大缸內(nèi)壓力達(dá)到正常燃燒峰值的2.5倍，爆震時的壓力波動超過正常燃燒的峰值壓力(peak firing pressure，PFP)。圖中也示出了提前點火的缸內(nèi)壓力曲線和火花塞正常點火的缸內(nèi)壓力曲線。

圖5 發(fā)動機在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下的全負(fù)荷缸壓曲線

試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)動機運行工況從低速以升速方式穿越或者穩(wěn)態(tài)運行于LSPI區(qū)時，LSPI事件總會發(fā)生；但從高速以降速方式穿越LSPI區(qū)時，LSPI事件很少發(fā)生。

3 LSPI的特性分析

3.1 提前點火出現(xiàn)模式及觸發(fā)原因

發(fā)動機的最低轉(zhuǎn)速最大扭矩點代表了低速提前點火發(fā)生最頻繁工況。因此，觀察低速提前點火特性的試驗工況點選定1 500 r/min全負(fù)荷。主要邊界條件為：過量空氣系數(shù)λ=1.0，發(fā)動機冷卻液出口溫度90 °C。

在測試中，低速提前點火的出現(xiàn)是完全隨機的，通常僅發(fā)生在單個氣缸，偶爾會在兩個氣缸同時出現(xiàn)，各個氣缸之間的出現(xiàn)并沒有相關(guān)性。此外，盡管低速提前點火的出現(xiàn)比較隨機，但是當(dāng)發(fā)動機運行在特定負(fù)荷區(qū)域時，仍然是可重復(fù)觀察的。低速提前點火的出現(xiàn)通常有3種模式：①單次孤立發(fā)生(圖6)；②連續(xù)發(fā)生兩次(圖7)；③一次低速提前點火隨后一次正常燃燒組成一對(圖8)，然后會一對一對成串出現(xiàn)(圖9)，最高可以出現(xiàn)8對。

圖6 低速提前點火模式(單次孤立發(fā)生)

圖7 低速提前點火模式(連續(xù)發(fā)生兩次)

由圖6可知，2#氣缸單次低速提前點火，其余氣缸正常燃燒，由低速提前點火觸發(fā)的超級爆震使PFP高于正常燃燒的2.5倍；由圖7可知，連續(xù)發(fā)生兩次低速提前點火模式，兩次現(xiàn)象非常類似；由圖8可知，一次低速提前點火后跟隨一次正常燃燒循環(huán)，兩者交替出現(xiàn);由圖9可知，一連串按照交替模式出現(xiàn)的低速提前點火，這可以看作圖8的更加普遍模式。圖9中包含了低速提前點火的絕大部分出現(xiàn)模式，由于有一連串的低速提前點火，產(chǎn)生了發(fā)動機有較強烈的沖擊，并顯示出低速提前點火發(fā)生在3#缸。由圖能夠看到最后一次低速提前點火結(jié)束后，會連續(xù)出現(xiàn)多個正常燃燒循環(huán)。

圖8 低速提前點火模式(一次低速提前點火隨后一次正常燃燒組成一對)

圖9 低速提前點火模式(一對一對成串出現(xiàn))

圖10展示了4個氣缸p-V示功圖，其時刻是圖9中低速提前點火發(fā)生前的最末一個正常燃燒循環(huán)，本次循環(huán)第三缸沒有明顯的不正常燃燒；在緊隨其后的循環(huán)中，3#缸發(fā)生了提前點火(pre-iqnition,PI)，缸內(nèi)壓力峰值出現(xiàn)在接近上止點的位置，數(shù)值超過了正常燃燒循環(huán)的1倍，如圖11所示。

圖10 在圖9中第一次PI出現(xiàn)前一個循環(huán)的4個氣缸的p-V示功圖

圖11 在第三缸出現(xiàn)不正常燃燒(超級爆震)時的各缸p-V示功圖

圖12為圖9中第一次PI出現(xiàn)前一個循環(huán)的4個氣缸各缸缸內(nèi)壓力曲線，展示的是圖9的前兩次PI ；圖13顯示的是介于兩次PI之間的正常燃燒循環(huán)的p-V示功圖，缸壓顯示發(fā)動機電子控制單元(ECU)通過爆震傳感器檢測到一次強烈的發(fā)動機爆震，并且通過推遲點火角度的策略來對其進行抑制。其結(jié)果是燃燒被推遲，峰值缸內(nèi)壓力相應(yīng)降低。這種針對常規(guī)火花塞爆震的策略反應(yīng)會導(dǎo)致排氣溫度升高，同時，如果引起提前點火的條件依然存在，在接下來的循環(huán)可能會持續(xù)觸發(fā)PI。事實上，圖12顯示出下一個循環(huán)PI再一次出現(xiàn)了。

圖12 圖9中第一次PI出現(xiàn)前一個循環(huán)的4個氣缸各缸缸內(nèi)壓力曲線

圖13 介于兩次PI之間的正常燃燒循環(huán)的p-V示功圖

由圖10至圖13的兩個正常燃燒循環(huán)的p-V示功圖可看出：引起第一次PI和第二次交替模式PI的原因并不相同。根據(jù)PI的一些可視化研究[8-10]，第一次PI可能是由缸內(nèi)機油顆粒的自燃觸發(fā)，而觸發(fā)后續(xù)PI則是因壓力波沖擊而從燃燒室頂部分離出來的高溫碳顆粒。此高溫顆粒在壓縮沖程可以被觀察到。因此，機油顆粒和因前一次超級爆震分離出來的燃燒室頂部高溫積碳顆粒分別成為PI首次觸發(fā)和第二次觸發(fā)的根本原因。這種兩次觸發(fā)假設(shè)對于試驗中觀察到的PI出現(xiàn)模式提供了合理的解釋：首次觸發(fā)僅僅產(chǎn)生了單個孤立PI，也就是說，PI只發(fā)生一次是因為超級爆震帶來的超聲波清潔了附著在燃燒室頂部的殘余機油顆粒。另外，二次觸發(fā)機制會引起連續(xù)不斷的PI，圖7至圖9顯示了這種激勵下的各種模式。當(dāng)所有的二次觸發(fā)條件全部消耗完畢，PI就會停止。

二次觸發(fā)產(chǎn)生的PI數(shù)量取決于燃燒室頂部的清潔程度。頂部越不干凈，越會產(chǎn)生更多的二次觸發(fā)條件，更多的PI會隨后出現(xiàn)。這種機制和觀察到的現(xiàn)象吻合，因此也可以得出以下結(jié)論：提升曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的機油分離效率可以減少PI首次發(fā)生的數(shù)量，同樣能減少PI第二次發(fā)生的數(shù)量和總體數(shù)量。

3.2 低速提前點火的燃燒特性

顯然，圖9顯示的連續(xù)出現(xiàn)提前點火適合用來研究低速提前點火的燃燒特性。超級爆震時缸內(nèi)壓力波動沒有與最大缸壓在同一數(shù)量級，那么超級爆震的強度同樣可以用缸壓峰值來描述，在研究中用曲軸轉(zhuǎn)角作為橫坐標(biāo)來顯示。在研究中，PI的出現(xiàn)時刻用5%燃料燃燒完成(MFB05)來間接指示，MFB05的值來源于缸內(nèi)壓力的計算。圖14為3#缸PI現(xiàn)象的PFP和MFB05，在第一次PI之前和最后一次PI之后分別增加了3個循環(huán)。

圖14 3#缸PI現(xiàn)象的 PFP 和 MFB05

由圖14可看出，對比第一次PI之后的燃燒循環(huán)和正常燃燒循環(huán)其MFB05對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角從上止點后15 ℃A移至25 ℃A，這是點火推遲的結(jié)果，這種動作并不能抑制PI，相反，6次PI緊隨其后。因此PI并不因為點火時刻的推遲而停止，其結(jié)束是由于PI的觸發(fā)條件消失或者缸內(nèi)得到清潔。

圖15a繪制了3#缸PI出現(xiàn)前的正常燃燒循環(huán)(該循環(huán)的p-V示功圖在圖10中顯示)的已燃燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)。通過燃燒分析看到，正常燃燒循環(huán)的持續(xù)期(duration of combustion，DOC)約為35 ℃A曲軸轉(zhuǎn)角，峰值壓力位于燃料達(dá)到85%位置(MFB85)。圖15b顯示發(fā)生PI循環(huán)的燃燒質(zhì)量消耗(該循環(huán)的p-V示功圖在圖11中顯示)。根據(jù)對此不正常燃燒循環(huán)的分析，燃燒持續(xù)期(DOC)只有約20 ℃A曲軸轉(zhuǎn)角，并且超級爆震發(fā)生在位于93%的燃料燃燒處(MFB93%)。由圖15b可以看出，7%的未燃燃料幾乎同時燃燒，產(chǎn)生了等于正常燃燒的壓力峰值(圖11)的缸內(nèi)壓力升高，之后跟隨著壓力波動，如圖16所示。

圖15 3#缸PI出現(xiàn)前一個循環(huán)的累積MFB和第一次PI的累積MFB

圖16 3#缸第一次PI引起的超級爆震對應(yīng)的壓力波動

整個燃燒持續(xù)期和50%已燃點可以用曲軸轉(zhuǎn)角來分別定義，即 90%已燃點—5%已燃點(MFB90—MFB05)和50%已燃點—5%已燃點(MFB50—MFB05)。3#缸的所有正常和不正常燃燒的燃燒持續(xù)期如圖17所示。由圖17可以看到，在大部分不正常燃燒中，PI不會很大程度地改變前一半MFB50—MFB05的燃燒速率，然而，它會加速剩余一半燃料的燃燒速度。因此，不正常燃燒循環(huán)的持續(xù)期會短于正常循環(huán)的持續(xù)期，有時只有一半的長度。

圖17 3#缸的所有正常和不正常燃燒的燃燒持續(xù)期

圖18對比了3#缸內(nèi)正常燃燒和不正常燃燒的MFB90和PFP。在有超級爆震的循環(huán)中，發(fā)生爆震的曲軸轉(zhuǎn)角是用缸壓峰值點來估算的，因為這兩者發(fā)生點幾乎相同。在正常燃燒循環(huán)中，PFP出現(xiàn)在MFB90之前，基本上在火焰前鋒觸及氣缸壁的時刻，剩余燃料的燃燒稱為焰后區(qū)燃燒，PFP對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角和不正常燃燒的MFB90對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角在圖19中有詳細(xì)說明。在這些不正常燃燒循環(huán)中，除了提前幅度最少的PI的工況(此時PFP和MFB90出現(xiàn)在同一曲軸轉(zhuǎn)角)，其他工況PFP出現(xiàn)在MFB90之后，這表明在這些非正常燃燒循環(huán)中不大于10%的燃料發(fā)生了自燃。大部分PI現(xiàn)象的缸壓曲線顯示MFB05的位置在-17 ℃A曲軸轉(zhuǎn)角，提前最少PI的MFB05在-7 ℃A曲軸轉(zhuǎn)角，顯示于圖20。盡管最小提前PI有10%的燃油同時燃燒，但它帶來的爆震強度并沒有最大提前的PI更大，盡管后者具有相對量更少的未燃燃料，但是因為后者具有持續(xù)5 ℃A曲軸轉(zhuǎn)角的缸壓超過14 MPa的區(qū)域。以上事實說明PI發(fā)生的時刻對超級爆震強度有直接影響。通過控制提前點火的發(fā)生時刻可以控制超級爆震的強度。

圖18 3#缸內(nèi)正常和不正常燃燒的MFB90和PFP對比

圖19 3#缸內(nèi)不正常燃燒的PFP和MFB90的關(guān)系

圖20 缸壓曲線

4 結(jié)束語

本文使用一臺排量為1.5 L、四氣門、雙連續(xù)可變氣門正時的高增壓缸內(nèi)直噴汽油機，運用試驗方式對于低速提前點火以及由此引起的超級爆震進行了研究。針對低速提前點火的發(fā)生區(qū)域、出現(xiàn)原因以及出現(xiàn)模式進行了闡述。通過分析得出第一次PI可能是由缸內(nèi)機油顆粒的自燃觸發(fā)，而后續(xù)PI則是因壓力波沖擊從燃燒室頂部分離出來的高溫積碳顆粒而觸發(fā)。

運用燃燒分析的方式，對于提前點火的燃燒特性進行了分析。提前點火發(fā)生時，其90%燃料燃燒點缸內(nèi)與最大缸壓對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角重合，說明剩余10%燃料的急速燃燒帶來了超級爆震的能量，造成了破壞；同時，提前點火的發(fā)生時刻與超級爆震的強度有直接關(guān)系，通過控制提前點火的發(fā)生時刻可以控制超級爆震的強度。