增壓直噴汽油發(fā)動機早燃現(xiàn)象改善的研究

喬佳偉 王義夫 王繼波 馬少康 喬闖 袁凌峰

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

增壓直噴汽油發(fā)動機早燃現(xiàn)象改善的研究

喬佳偉1，2王義夫1，2王繼波1，2馬少康1，2喬闖1，2袁凌峰1，2

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

低速大負(fù)荷早燃現(xiàn)象是制約增壓直噴汽油發(fā)動機低速性能提升的主要因素之一，早燃易導(dǎo)致發(fā)動機火花塞燒蝕、活塞熔頂?shù)荣|(zhì)量問題，所以在發(fā)動機設(shè)計開發(fā)過程中必須對早燃問題加以優(yōu)化改善。闡述了早燃產(chǎn)生的機理，更換不同機油、改變壓縮比以及空燃比進(jìn)行試驗，結(jié)果表明：更換機油以及改變空燃比能夠降低早燃頻次，改變壓縮比對早燃無影響。

早燃壓縮比空燃比機油

引言

早燃，即超級爆燃[1]，是指在正常點火之前，燃燒室內(nèi)的混合氣由氣缸內(nèi)的熱點引燃，發(fā)生的大面積自燃現(xiàn)象。

因此，早燃無法通過推遲點火提前角來阻止，這一點與常規(guī)爆燃完全不同。超級爆燃對發(fā)動機的危害極大，會使火花塞電極熔斷、活塞環(huán)斷裂、活塞頂部燒蝕、連桿彎曲等，甚至導(dǎo)致發(fā)動機損毀。

通過分析早燃產(chǎn)生的原因，本文從不同機油牌號、不同壓縮比、不同活塞火力岸高度等幾個方面對早燃現(xiàn)象進(jìn)行驗證測試。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 發(fā)動機

某工作狀態(tài)良好的2.0 L直噴汽油發(fā)動機[2]，能夠精確計算進(jìn)氣量、噴油量，試驗提供滿足發(fā)動機需求的低壓供油系統(tǒng)。發(fā)動機參數(shù)如表1所示。

1.2 測功機

裝備完好的電力測功機，包括機油外循環(huán)冷卻裝置、冷卻液外循環(huán)裝置、風(fēng)機、以及溫度、壓力傳感器數(shù)支。

1.3 輔助設(shè)備

測量HC、NOx的排放分析儀，測量各缸燃燒情況的燃燒分析儀，用于測量煙度的濾紙式煙度儀和不透光式煙度分析儀。

表1 試驗發(fā)動機主要參數(shù)

1.4 試驗方法

1）進(jìn)行全負(fù)荷性能摸底[3]，確定該發(fā)動機早燃發(fā)生的區(qū)域（本次試驗確定的轉(zhuǎn)速為1800 r/min、2000 r/min的全負(fù)荷工況）；

2）每個工況連續(xù)運轉(zhuǎn)50萬個工作循環(huán)，如2000 r/min運轉(zhuǎn)2.05 h；

3）記錄試驗過程中早燃發(fā)生的頻次，以及發(fā)生早燃時對應(yīng)的燃燒壓力Pmax，缸壓與曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)關(guān)系。

2 試驗內(nèi)容

2.1 機油驗證試驗

發(fā)動機運行過程中，有少量的機油會通過曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)以及活塞與氣缸壁之間的油膜進(jìn)入燃燒室參與燃燒。由于機油的燃點相對燃油較低，燃油室內(nèi)的熾熱點會首先引燃機油進(jìn)而點燃燃油，造成早燃現(xiàn)象出現(xiàn)。不同牌號機油含有的成分不一樣，其燃點也就不同，本次試驗過程中選用美孚1000#與美孚1#進(jìn)行試驗對比，如圖1所示。

圖1 機油驗證

試驗過程選擇1800 r/min、2000 r/min的全負(fù)荷工況點進(jìn)行測試，如圖2、3所示。

圖2 機油驗證，2000 r/min、350 N·m

圖3 機油驗證，1800 r/min、350 N·m

使用美孚1號機油可以有效地降低發(fā)動機運行過程中的早燃現(xiàn)象。由機油化驗結(jié)果可知美孚1號機油因其成分相比美孚1000，鈣含量低而鉬含量高，增加了機油的抗氧化性，這樣一來機油的燃點升高，由曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)、缸壁殘留以及活塞環(huán)泵油效應(yīng)等途徑進(jìn)入燃燒室的機油不易被引燃，從而降低了早燃現(xiàn)象發(fā)生。

由以上結(jié)果可知，發(fā)動機機油型號的選用直接影響發(fā)動機燃燒情況，甚至引起早燃。

2.2 壓縮比驗證試驗

發(fā)動機壓縮比的高低直接關(guān)系到發(fā)動機熱效率的大小。提高壓縮比可以增大發(fā)動機的熱效率，改善燃油消耗率，從而降低整車油耗。但是高壓縮比會增加發(fā)動機爆燃傾向，本試驗過程中選用三種壓縮比進(jìn)行早燃驗證試驗，壓縮比分別為9.3、9.6和10。試驗結(jié)果如圖4、5所示。

在本次試驗過程中，壓縮比的變化對早燃頻次無明顯影響。分析原因為，在火花塞點火前，小范圍壓縮比的變化對氣缸內(nèi)的溫度場分布和壓縮壓力變化影響較小，在發(fā)動機運行過程中降低壓縮比并不能抑制早燃現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖4 不同壓縮比驗證，2000 r/min、350 N·m

圖5 不同壓縮比驗證，1800 r/min、350 N·m

壓縮比大小對壓縮過程的湍動能、壓力升高率、渦流比、滾流比都有一定影響，進(jìn)而對火花塞點火后的燃燒運動影響較大。

2.3 活塞倒角驗證試驗

早燃發(fā)生的另一個主要原因為氣缸內(nèi)存在溫度較高的殘余廢氣，在發(fā)動機壓縮過程中由殘余廢氣在點火前引燃?xì)飧變?nèi)的混合燃?xì)?，如何減少氣缸中間隙內(nèi)的殘余廢氣是改善早燃的措施之一。本次試驗過程中將活塞火力岸進(jìn)行倒角，以減少活塞與氣缸壁之間的殘留廢氣，如圖6所示。

圖6 活塞倒角

將活塞頂部進(jìn)行45°倒角，活塞火力岸高度h由4.5 mm減小到3.2 mm。經(jīng)CAE計算如果火力岸高度降低到3.2 mm以下，活塞強度不滿足要求。

試驗結(jié)果如圖7、8所示。

活塞倒角對早燃現(xiàn)象有一定的改善效果，但是作用不明顯。由試驗結(jié)果分析可知該2.0L發(fā)動機的早燃現(xiàn)象，并非由燃燒室中間隙內(nèi)的殘余廢氣引起。

2.4 空燃比加濃試驗

圖7 活塞倒角試驗，2000 r/min、350 N·m

圖8 活塞倒角試驗，1800 r/min、350 N·m

汽油發(fā)動機在燃燒過程中，通過加濃空燃比可以降低氣缸內(nèi)混合氣的燃燒速率，進(jìn)而降低排氣溫度。根據(jù)這一規(guī)律，我們在低轉(zhuǎn)速早燃區(qū)域進(jìn)行不同空燃比的驗證試驗，分析空燃比對發(fā)動機早燃的影響趨勢，如圖9、10所示。

圖9 空燃比驗證試驗，2000r/min、350 N·m

圖10 空燃比驗證試驗，2000 r/min、350 N·m

通過加濃空燃比可以有效地降低早燃發(fā)生的頻次。主要原因有兩個：一是由于有更多的燃油吸熱，末端混合氣溫度降低，抑制了超級爆燃；二是同加濃混合氣抑制普通爆燃一樣，濃混合氣的自燃溫度較高，不容易形成早燃。但是加濃后比油耗大幅度增加，嚴(yán)重降低了發(fā)動機經(jīng)濟性，且加濃空燃比后排放、煙度都有不同程度的惡化[4]。

2.5 早燃影響因素

2.5.1 進(jìn)排氣相位

在低轉(zhuǎn)速段加大進(jìn)、排氣門重疊角度，增加掃氣效應(yīng)，降低缸內(nèi)熱負(fù)荷和燃燒室壁面溫度，抑制了誘導(dǎo)超級爆燃的早燃，使早燃發(fā)生的機率下降。

2.5.2 噴油供給

噴油器的設(shè)計安裝角度應(yīng)該避免燃油噴到氣缸壁或者氣門上，以免造成燃油與機油的混合或者加劇氣門積碳，形成熾熱點。

噴油相位以及多次噴射的選擇同樣會影響早燃發(fā)生的傾向，試驗結(jié)果表明增大一噴相位與減小二噴相位能夠降低早燃頻次，但碳煙排放增加。

2.5.3 火花塞

火花塞直接暴露在燃燒室內(nèi)，溫度非常高，是引發(fā)早燃的熾熱點之一。使用銅芯側(cè)電極火花塞能夠提高火花塞的導(dǎo)熱能力，防止火花塞局部溫度過高，從而抑制超級爆燃。但這也可能會影響點火能力，造成火花塞出現(xiàn)間歇性跳火。所以發(fā)動機開發(fā)初期需要嚴(yán)格匹配火花塞熱值，避免因火花塞熱值匹配不當(dāng)引起早燃。

總之，早燃是發(fā)動機運行的異常燃燒表現(xiàn)[5]，與發(fā)動機設(shè)計的硬件如進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、噴油器安裝、氣道滾流比、燃燒室形狀、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)等等以及ECU控制參數(shù)，如點火時刻、噴油時刻、進(jìn)排氣相位角、燃油壓力等均有直接關(guān)系，早燃因素分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 早燃因素分析

3 結(jié)論

1）通過機油驗證試驗可知，由于不同牌號的機油中，其添加劑成分不同，如美孚1#機油中鈣含量低而鉬含量高），增加了機油的抗氧化性，通過改善發(fā)動機機油牌號可以有效降低發(fā)動機的早燃現(xiàn)象；

2）通過壓縮比驗證試驗可知，在一定范圍內(nèi)加大或減小壓縮比，對抑制早燃現(xiàn)象的出現(xiàn)效果不明顯，通過優(yōu)化壓縮比并不能降低早燃現(xiàn)象發(fā)生頻率；

3）通過活塞倒角試驗可知，對本次試驗用的2L增壓直噴汽油機，增加活塞倒角的改善方案不能降低早燃發(fā)生的頻率，其早燃的影響因素并非缸內(nèi)殘余廢氣所導(dǎo)致[6]；

4）通過空燃比加濃試驗可知，加濃空燃比對于降低發(fā)動機的早燃頻次有非常明顯的效果，但是會嚴(yán)重降低發(fā)動機的油耗、排放水平。

1周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999

2胡軍軍.采用兩種燃燒模式的缸內(nèi)直噴式汽油機的排放和性能研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2002

3中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 18297-2001汽車發(fā)動機性能試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001

4李明.直噴汽油機稀薄燃燒與氮氧化物排放控制研究[D].天津：天津大學(xué)，2009

5王志，徐雅齊，王建昕，等.增壓直噴汽油機掃氣抑制爆震試驗研究及模擬解析[J].內(nèi)燃機工程，2013，34（4）：13~17

6Manfred Amann，Terrence Alger，Barry Westmoreland，et al.The effects of piston crevices and injection strategy on low-speed pre-ignition in boosted SI engines.SAE Paper 2012-01-1148

The Study of Pre-Ignition Improvement on TGDI Engine

Qiao Jiawei1，2，Wang Yifu1，2，Wang Jibo1，2，Ma Shaokang1，2，Qiao Chuang1，2，Yuan Lingfeng1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Pre-ignition is one of the disadvantage major elements to improve the performance of Turbocharged Direct Injection Gasoline（TGDI）engine at low speed&high load.A serious of quality problems such as spark plug ablation，piston damage were caused.The pre-ignition should be optimized during engine development.The mechanism was analyzed and different oil，compression ratio and air/fuel ratio was changed to improve the pre-ignition.The result shows that the frequency of pre-ignition was decreased by oil changing and air/fuel ratio.The compress ratio has no effect on pre-ignition.

Pre-ignition，Compression ratio，Air/fuel ratio，Oil

TK411+.2

A

2095-8234（2014）06-0044-04

2014-09-15）

喬佳偉（1985—），男，工程師，主要研究方向為發(fā)動機設(shè)計及性能開發(fā)。