高壓縮比直噴汽油機離子電流與燃燒特性的研究*

薛忠業(yè)，劉寅童，胡敏彰，鄧 俊，李理光,2

(1.同濟大學汽車學院，上海 200092； 2.同濟大學中德學院，上海 200092)

前言

與進氣道噴射(port fuel injection, PFI)相比，汽油缸內直噴(gasoline direct injection, GDI)在燃油經濟性、瞬態(tài)響應特性、循環(huán)變動和各缸均勻性等方面具有明顯優(yōu)勢[1]。從缸內混合氣形成過程來看，缸內直噴時，燃油在氣缸內蒸發(fā)，汽化潛熱主要來自新鮮充量，能夠有效降低進氣溫度、提高充氣效率[2]。進氣溫度的降低和GDI分層稀燃工作大大抑制了GDI發(fā)動機的爆燃傾向，使其能采用更高的壓縮比(可達12～14)來提升發(fā)動機的效率[3]。

研究表明，壓縮比提高后，較高的缸內壓力、溫度和強勁的缸內渦流與紊流，使油氣混合更加均勻，燃燒更加充分，發(fā)動機的動力性獲得增強，但也更容易發(fā)生爆燃[7]。因此，對于缸內直噴發(fā)動機來說，研究其在不同壓縮比，特別是高壓縮比下的燃燒特性，對充分發(fā)揮缸內直噴技術優(yōu)勢具有重大意義。

本文中通過對一臺EA888 2.0L TFSI發(fā)動機活塞結構的改造，增大其壓縮比，研究了汽油直噴發(fā)動機在高壓縮比下的缸內燃燒和離子電流特性，并分析了提高壓縮比所帶來發(fā)動機性能的變化。

1 試驗臺架介紹

采用的GDI發(fā)動機試驗臺架和離子電流檢測電路如圖1和圖2所示，試驗發(fā)動機參數如表1所示。以火花塞作為傳感器對離子電流信號進行檢測，并設置兩塊高壓硅堆分別隔離蓄能和點火干擾，試驗臺架基于16位MC9S12XS128單片機搭建了控制單元，基于LABVIEW編寫了上位機控制程序，采用CAN總線進行通信，該控制系統(tǒng)能夠靈活地對各缸點火和噴油等參數進行實時調節(jié)和監(jiān)控。

采用交流電力測功機對發(fā)動機進行測試。通過Kistler 6125B型缸壓傳感器，并配合Kistler 5007型電荷放大器對缸壓進行測量。采用LC-1寬域氧傳感器對發(fā)動機的空燃比進行監(jiān)控。發(fā)動機缸壓、曲軸、凸輪軸、光電編碼器、進氣壓力、瞬態(tài)排放和氧傳感器等信號均通過NIPCI-6250高速數據采集卡同步采集。

表1 發(fā)動機技術參數

2 活塞的改造

為了對比研究高壓縮比直噴汽油機的離子電流及燃燒特性，完成原機壓縮比9.6下的試驗后，對活塞進行改造，將發(fā)動機壓縮比提高至11.5。采用SmartSCAN三維掃描儀對原機燃燒室和活塞進行掃描，建立三維模型，進而精確設計和計算活塞上墊塊的形狀和體積，確保兩者可靠連接和改造后發(fā)動機的壓縮比，活塞改造方案如圖3示。

3 試驗結果與分析

試驗發(fā)動機冷卻水溫為90℃，進氣溫度為16℃，分別在轉速為1 300、1 500和1 800r/min時，對壓縮比為9.6和11.5下的缸內壓力和離子電流信號進行了對比和分析。

3.1 壓縮比對燃燒相位和離子電流相位的影響分析

為了分析高壓縮比時直噴汽油機燃燒相位的變化，以CA10和CA50(燃燒10%和50%累積放熱量對應的曲軸轉角)來表征缸內燃燒的相位特性，以離子電流起始Ion10相位(10%離子電流積分值所對應的曲軸轉角)和離子電流差分谷值dIonvalley相位來表征離子電流的相位特性，研究了不同壓縮比發(fā)動機在各個轉速(1 300、1 500和1 800r/min)下，CA10、Ion10、CA50和dIonvalley等相位隨空燃比而變化的關系，結果如圖4和圖5所示。由圖可見：在不同的轉速和空燃比下，Ion10與CA10和dIonvalley與CA50的相位變化趨勢都很一致；Ion10和dIonvalley所反映的離子電流相位始終滯后于CA10和CA50所反映的燃燒相位，且在不同的轉速下相位差都基本保持在10°CA左右，表明離子電流信號能夠準確反映燃燒的相位信息。

對比不同壓縮比下的燃燒相位變化，壓縮比提高以后，CA10和CA50均顯著提前，Ion10和dIonvalley相位也相應提前，且在不同的轉速和空燃比下提前量基本保持在1.5°CA左右，再次證明了離子電流信號在反映缸內燃燒相位時的可靠性。

3.2 壓縮比對指示平均有效壓力的影響分析

為了分析提高壓縮比對發(fā)動機指示平均有效壓力(IMEP)的影響，對其在不同轉速、空燃比下的IMEP進行了對比研究。考慮到離子電流能夠完整地反映整個缸內燃燒過程，以Ionint作為離子電流信號的累積量必然能夠反映發(fā)動機的循環(huán)做功能力，進而與發(fā)動機IMEP直接相關，本文中同時分析了提高壓縮比前后IMEP和Ionint在不同轉速下隨空燃比變化的關系，結果如圖6所示。由圖可見，不同工況下，Ionint都能很好地與IMEP相對應，具有明顯的相關性。

對比不同壓縮比下的IMEP變化，提高壓縮比使發(fā)動機IMEP顯著上升，不同工況下，IMEP均增加約0.02MPa，相應的Ionint獲得20V·°CA左右的增幅，這是由于，根據汽油機熱效率公式提高壓縮比可以提高循環(huán)的熱效率[13]，節(jié)氣門開度、轉速和空燃比相同時，發(fā)動機噴油量相同，因此完全燃燒放出的總熱量相同，而熱效率的提高使循環(huán)做功增加，IMEP升高。根據發(fā)動機的指示熱效率公式[13]，由于活塞改造前后工作容積不變，IMEP提高0.02MPa可使發(fā)動機指示熱效率上升2%～3%。

3.3 高壓縮比發(fā)動機的爆燃特性分析

提高壓縮比導致發(fā)動機的爆燃傾向加劇，為了分析爆燃發(fā)生的劇烈程度，并探索高壓縮比直噴汽油機規(guī)避爆燃的途徑，對爆燃工況時的缸壓和離子電流信號進行了采集，并在所采集的67個循環(huán)中發(fā)現爆燃循環(huán)14個。針對每個爆燃循環(huán)的缸壓和離子電流，本文中采用頻譜分析和高通濾波等方法，對其特征值進行了提取。圖7(a)為同一爆燃循環(huán)的缸壓、離子電流和離子電流差分信號，根據爆燃信號一般所在頻率范圍6～8kHz[4]，對缸壓和離子電流信號高通濾波，濾掉4kHz以下部分，得到高頻壓力和離子電流，見圖7(b)。以高頻壓力振蕩的最大幅值(圖7(b))作為該循環(huán)爆燃強度的評價指標(KIA，爆燃評價指標的一種[5])，同時提取相應曲軸相位時高頻離子電流振蕩的最大幅值fIonm(圖7(b))和離子電流差分峰值dIonpeak(圖7(a))作為參考，研究了爆燃強度指標KIA分別與fIonm和dIonpeak的線性相關性，結果如圖8所示。

發(fā)動機爆燃時，缸內壓力振蕩引發(fā)混合氣導電性變動，使爆燃特征較為完整地反映到離子電流信號中[6]，從圖8中可以發(fā)現，隨著爆燃強度的增加，爆燃相位處，離子電流中高頻信號幅值的分布呈增大趨勢，且其與爆燃強度KIA有較為明顯的線性相關性(相關系數為0.79)；本文中進一步研究了同出現于爆燃相位附近的dIonpeak值的變化，統(tǒng)計發(fā)現，隨著爆燃強度的增加，dIonpeak的分布亦呈增大趨勢，且其與爆燃強度KIA的線性相關性要稍優(yōu)于fIonm(相關系數為0.82)，表明dIonpeak能有效地表示當前的爆燃劇烈程度，且在其特征值提取過程中無需濾波和頻譜分析，能夠有效縮短計算時間，適于作為反饋信號來控制缸內燃燒狀況，抑制爆燃的發(fā)生。

4 結論

(1) 提高壓縮比使整體燃燒相位和離子電流相位提前，且在不同工況下，反映離子電流相位信息的Ion10相位和dIonvalley相位分別與燃燒始點CA10和燃燒中心CA50始終保持一致的對應關系，表明離子電流信號能夠準確反映燃燒相位的變化，非常適于作為反饋控制信號控制、優(yōu)化缸內燃燒特性。

(2) 壓縮比的提高，使發(fā)動機熱效率提高，有效功增加，IMEP上升；離子電流積分值Ionint與IMEP大小有很強的對應關系，可準確反映IMEP的變動。

(3) 高壓縮比增加了原發(fā)動機的爆燃傾向，限制了發(fā)動機工況向高負荷拓展，離子電流振蕩幅值fIonm和離子電流差分峰值dIonpeak均與爆燃強度評價指標KIA有較為明顯的線性關系，能夠較為準確地反映當前的爆燃劇烈程度。

(4) 通過改造活塞形狀來增加壓縮比的同時，使原有缸內流場受到一定影響，循環(huán)間變動有所加劇，試驗中不同工況下，循環(huán)變動系數均上升1.5%左右，在后續(xù)研究中，將配合三維模擬軟件對燃燒室流場進行模擬，指導改造活塞形狀，改善發(fā)動機在高壓縮比下的循環(huán)變動特性。

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