火花點火發(fā)動機Pre-ignition形成機理及控制綜述*

石 玲 衛(wèi)海橋 吳國興 范錢旺

（1-上海師范大學天華學院 上海 201815 2-天津大學 3-知豆電動汽車技術集成有限公司）

引言

傳統(tǒng)石油供給的安全與可靠性及CO2減排的巨大壓力，迫使高效節(jié)能低排放發(fā)動機的研究與開發(fā)倍受關注與重視。直噴汽油機小型化是改善發(fā)動機燃油經濟性的有效措施之一，實現小型化的方法之一即為增壓。增壓技術提高發(fā)動機進氣密度，促使小排量發(fā)動機可以實現較大排量的功率，但是增壓同樣附帶了諸多不利于發(fā)動機運轉的情況-諸如增壓進一步惡化了發(fā)動機Pre-ignition現象。早燃（Preignition）現象是在傳統(tǒng)進氣道噴射（PFI）汽油機中存在的一種非正常燃燒[1]，且在現代直噴汽油機中更加頻繁發(fā)生，與其傳統(tǒng)爆震燃燒等有著顯著區(qū)別。另外，根據已有研究結果可知，非正常燃燒-早燃（Preignition）是抑制小型化增壓直噴汽油機發(fā)展的主要瓶頸之一。鑒于增壓小型化技術對發(fā)動機燃燒影響，本文重點進行如下工作：

1）分析了Pre-ignition現象的特征；

2）基于已有的資料和試驗結果綜合分析了發(fā)動機不同邊界條件（混合器濃度、點火時刻、噴油次數、燃油-潤滑油、進氣溫度、冷卻液溫度、壓縮比等）對Pre-ignition的影響；

3）基于現有技術總結了檢測和控制Pre-ignition的方法；

4）基于離子電流技術提出檢測和控制直噴汽油機Pre-ignition的方法。

該文分析總結有助于直噴汽油機設計開發(fā)過程中全面考慮pre-ignition促發(fā)的誘因，總結和提出了pre-ignition檢測與控制方法。

1 Pre-ignition現象

根據已有研究可知，直噴汽油機早燃（Pre-ignition）和正常燃燒的差異，如圖1所示[2]。Pre-ignition特征總結如下：

1）早燃（Pre-ignition）發(fā)生于點火之前；

2）初期燃燒速度緩慢；

3）燃燒速度陡然增加；

4）超級爆震；

5）隨機發(fā)生；

6）早燃出現位置的不確定性；

7）不連續(xù)性。

圖1 非正常燃燒Pre-ignition現象[2]

圖2 總結了火花點火汽油機Pre-ignition發(fā)生的運行工況區(qū)域。鑒于目前大部分試驗結果可知，Pre-ignition現象主要發(fā)生在低速大負荷的工況區(qū)域。

圖2 Pre-ignition現象發(fā)生的工況區(qū)域

2 Pre-ignition的形成機理

Pre-ignition現象明顯區(qū)別于爆震，與現在認同的終端混合氣自燃而引起的爆震形成機理也存在差別。Pre-ignition形成總結分析可以分為幾方面的原因：

1）缸內混合氣：增壓、混合氣質量、缸內溫度分布不均勻、缸內滯留廢氣、空燃比等；

2）缸內熱源：火花塞、氣門、燃燒室積碳、燃燒室內其他高溫熱點；

3）進入燃燒室的機油：機油可能是來源于活塞環(huán)、增壓器、汽缸墊、氣門桿密封等；

4）噴霧及燃油撞壁：噴霧質量、活塞頂/氣缸壁面濕壁等；

5）積碳：燃燒室內積碳可分為兩部分來源，一部分來源于機油；另一部分來源于汽油。

上述原因均屬于邊界參數或結構參數對Preignition的影響，但是根據燃燒理論，燃燒發(fā)生及維持的條件可知，Pre-ignition形成的基本機理如圖3所示。

圖3 Pre-ignition形成機理

2.1 混合氣濃度對pre-ignition的影響

缸內混合氣濃度是發(fā)動機燃燒過程及排放的關鍵決定因素，從內燃機學可知，過量空氣系數λ=0.8～0.9范圍內，燃燒速度最快，而λ=1.03～1.1范圍內，則燃油消耗率達到較佳值[3]。缸內混合氣濃度對早燃（Pre-ignition）的發(fā)生也有著重要影響。其中，稍稀薄的混合氣能夠促進增壓直噴汽油機的Preignition現象的發(fā)生頻率；加濃混合氣有助于降低Pre-ignition現象發(fā)生頻率，這主要可能是由于加濃混合氣，噴入缸內燃油量增加，燃油蒸發(fā)過程中吸熱量增加，導致缸內壓縮溫度下降所致。根據文獻中的研究結果可知，過量空氣系數λ=1.1時的條件下，Pre-ignition現象發(fā)生頻率較高，如圖4所示[4]。其中，圖中PI表示Pre-ignition發(fā)生次數。

2.2 點火時刻對Pre-ignition的影響

圖4 混合氣濃度對Pre-ignition的影響[4]

發(fā)動機點火時刻是影響發(fā)動機動力性、經濟性、排放性的重要參數之一，決定了火花點火發(fā)動機燃燒開始時刻，也是傳統(tǒng)爆震燃燒發(fā)生的關鍵控制參數。大量研究發(fā)現，調整點火時刻-推遲點火可以避免傳統(tǒng)爆震現象發(fā)生，但是這一舉措并不能有效控制早燃（Pre-ignition）發(fā)生。盡管調整點火時刻不能像控制傳統(tǒng)爆震而控制Pre-ignition現象，但是仍然存在一定的變化規(guī)律。適當提前點火時刻，則可以降低Pre-ignition發(fā)生的頻率。其中，根據文獻中研究結果可知，提前點火時刻，Pre-ignition現象發(fā)生頻率也降低，如圖5所示[5]。

圖5 點火時刻對Pre-ignition的影響[5]

2.3 噴油時刻對Pre-ignition的影響

噴油時刻是直噴汽油機燃油噴霧撞壁、缸內混合氣形成的關鍵參數之一。噴油時刻是決定噴霧發(fā)展和燃油濕壁的關鍵要素，較早和較晚的噴油時刻都會導致燃油濕壁，進而可能引起Pre-ignition發(fā)生。根據文獻中Takuya和Amann研究結果可知，就Pre-ignition而言，噴油時刻存在最佳位置，較晚的噴油時刻，則早燃（Pre-ignition）現象發(fā)生的頻率增加。如圖6所示[6-7]。噴射次數對Pre-ignition的影響如圖7所示。

2.4 燃油-潤滑油對Pre-ignition的影響

Pre-ignition產生最為主要的因素之一就是來自活塞與氣缸壁面縫隙的機油和汽油混合所致；另外主要因素之一是積碳形成。這兩者都與燃油組分有著密切的關系。

圖6 噴油時刻對Pre-ignition的影響[6]

圖7 噴射次數對Pre-ignition的影響[4]

根據文獻中Dahnz的研究可知，辛烷值增加，則有助于降低Pre-ignition現象發(fā)生，其結果如圖8所示[8]。但是存放時間較長的燃油更加易于發(fā)生Preignition現象，主要原因可能是存儲時間較長的燃油，其中輕餾分物質揮發(fā)，導致Pre-ignition發(fā)生頻率大幅度增加。

圖8 燃油對Pre-ignition的影響[8]

根據文獻可知，潤滑油對Pre-ignition的影響有著重要的作用。Akram關于潤滑油對Pre-ignition影響的試驗結果如圖9所示[4]。圖中，基礎燃油-年度等級5W-30，添加劑量-正常水平，潤滑油質量-GMLL-A-025；潤滑油 A-5W-30，添加劑量-減少，潤滑油質量-ACEAC3；潤滑油B0W-40，添加劑量-正常，潤滑油質量-GM-LL-AB-025；潤滑油C-5W-30，添加劑量-減少，潤滑油質量-ACEAC3。

圖9 潤滑油對Pre-ignition的影響[9]

2.5 冷卻液溫度對Pre-ignition的影響

根據試驗研究結果可知，冷卻液溫度增加，Preignition發(fā)生的頻率降低。這可能是一方面由于冷卻液溫度增加改善了缸內燃油霧化效果，降低燃油濕壁量；另一方面是改善了潤滑效果所致。試驗結果如圖 10所示[8]。

圖10 冷卻液溫度對Pre-ignition的影響[8]

2.6 壓縮比對Pre-ignition的影響

壓縮比是提高發(fā)動機熱效率的重要結構參數，提高壓縮比可以提高發(fā)動機動力性和經濟性，但是也會增加Pre-ignition現象發(fā)生。根據D.DOWN在PFI汽油中研究結果可知[1]，壓縮比從6∶1增加到8∶1后，促進了Pre-ignition的發(fā)生頻率。

2.7 進氣壓力對Pre-ignition的影響

進氣壓力對發(fā)動機性能及排放有著重要的影響。采用增壓技術提高了進氣壓力，增加了充氣效率，明顯提高發(fā)動機動力性能，且增壓比越大，發(fā)動機的比功率越高，熱效率也越高，燃油消耗率下降。但是同時，根據文獻中的研究結果可知，提高進氣壓力導致Pre-ignition發(fā)生頻率增加，其結果如圖11所示[4]。

圖11 進氣壓力對Pre-ignition的影響[4]

3 Pre-ignition檢測與控制

3.1 基于參數敏感性分析Pre-ignition檢測與控制

基于上文各參數對Pre-ignition影響的分析，總結出了各參數對Pre-ignition發(fā)生的影響程度可知，進氣溫度、冷卻液溫度、點火時刻以及混合氣濃度對Pre-ignition的發(fā)生有著重要作用。鑒于此，可以采用以下措施降低或避免Pre-ignition發(fā)生的頻率[10-11]。

1）增加點火提前角；

2）增加進氣冷卻，降低進氣溫度；

3）滿足目標轉矩的條件下，盡量降低增壓比；

4）降低缸內滯留的EGR，合理控制進排氣門重疊；

5）采用冷卻EGR；

6）采用分層燃燒；

7）采用稀薄燃燒；

8）采用兩次噴油策略：在全負荷和過量空氣系數為1條件下，分別在進氣和壓縮沖程各噴油一次，則對Pre-ignition發(fā)生有著顯著的抑制作用，其效果等效于有效壓縮比降低0.6；

9）采用VVT技術降低有效壓縮比：例如馬自達SKYACTIV-G發(fā)動機采用能夠實現推遲IVC的硬件系統(tǒng)將有效壓縮比控制到PI-Limit以下，再結合AFR調節(jié)（混合氣加濃），即使在最惡劣的情況下，依然能夠避免PI的發(fā)生。

3.2 基于預測燃燒相位的Pre-ignition檢測與控制

Pre-ignition發(fā)生具有隨機性，但是其發(fā)生也是需要滿足一定條件。如果能夠基于檢測到的某一參數，通過預測模型計算出其發(fā)生的邊界線，則可以有效借助降低進氣溫度或壓縮比等手段而降低或避免Pre-ignition的發(fā)生。例如：如果采用缸壓傳感器預測到燃燒始點的相位（如10%MBF），然后找到Preignition發(fā)生的邊界線與10%MBF之間關系，可以確定Pre-ignition發(fā)生的條件，即10%MBF發(fā)生在燃燒相位的有效壓縮比或進氣溫度等就是相應條件下降低Pre-ignition的邊界線，進而可以通過降低有效壓縮比等手段降低Pre-ignition的發(fā)生。

另外，根據馬自達的研究可知，利用Liven-Wood積分公式分析了達到PI-Limit時的缸內溫度和壓力之間的關系之后，開發(fā)了一個預測模型，使用發(fā)動機上的傳感器可以測得的參數，如充氣效率、進氣溫度、環(huán)境溫度、冷卻水溫度等，可以預測缸內溫度和壓力的情況；最終基于這組模型可以預測/計算出這些可測參數條件對應的PI-Limit，預測模型為標定和電控提供依據。當ECU監(jiān)測到運行條件惡化（如進氣溫度、冷卻水溫度異常與標準情況）時，可以根據預測模型計算出對應的PI-Limit，然后推遲IVC降低平均有效壓縮比，防止Pre-ignition的現象發(fā)生。

3.3 基于離子電流信號的Pre-ignition檢測與控制

根據Pre-ignition發(fā)生在點火之前的特征，可以采用缸內離子電流信號作為檢測Pre-ignition的反饋信號。針對不可測干擾因素變化的突發(fā)情況，如無法檢測或預測的積碳導致的壓縮比升高，使用辛烷值不合乎要求的汽油等，開發(fā)Pre-ignition現象控制系統(tǒng)（Pre-ignition Control System，PCS）進行被動處理。PCS系統(tǒng)應用離子電流技術來檢測發(fā)生在點火之前的燃燒，利用集成在點火線圈中的離子電流傳感器探測出離子電流出現的時間，可以獲知燃燒開始相位（10%MBF），并可以預先判斷Pre-ignition現象的強度。Pre-ignition現象控制系統(tǒng)探測出Preignition發(fā)生及強度后，通過控制進氣門相位（IVC）和噴油相位等做出反應，進而可以有效控制Preignition的發(fā)生。

3.4 基于焓原理的Pre-ignition檢測與控制

根據特定的燃燒現象發(fā)生需要達到一定的能量邊界-臨界值。而焓這一變量則是描述缸內氣體能力變化的有效參數。為了描述缸內能量變化，應用如下一些關鍵方程?；陟拭枋鰮Q氣過程中的能量變化如下所述：

基于熱力學第一定律能量守恒量化進入缸內新鮮空氣、滯留廢氣、熱交換以及做功過程進出氣缸的焓。如下述的方程：

另外，焓絕對值取決于氣體質量和發(fā)動機尺寸等，根據下面能量密度方程可以獲得單位壓縮體積下的比焓：

基于上述方程和焓原理控制Pre-ignition的方法即為缸內平均焓與發(fā)生Pre-ignition時的焓閾值進行比較，然后判斷是否發(fā)生Pre-ignition和調整參數避免或抑制Pre-ignition的發(fā)生。

3.5 基于可視化技術的Pre-ignition檢測與控制

可視化技術可采用AVL Visio scope等設備測試缸內燃燒情況。采用可視化技術主要可以量化Pre-ignition發(fā)生的空間位置，進一步可以分析Preignition產生的原因。

基于可視化技術控制Pre-ignition僅僅限于實驗室和發(fā)動機開發(fā)階段，而并不能應用于發(fā)動機實際運行過程中進行檢測和反饋控制，而且其成本高昂。

4 解決Pre-ignition的技術

基于Pre-ignition的特征及參數影響規(guī)律，本文提出2種解決Pre-ignition的控制技術。其一，基于發(fā)動機本體燃燒系統(tǒng)優(yōu)化降低Pre-ignition現象；其二，基于離子電流信號檢測和控制策略解決Preignition現象。

1）基于發(fā)動機本體燃燒系統(tǒng)優(yōu)化降低Preignition方法，采用缸內壓力傳感器檢測Pre-ignition現象，然后借助先進光學測試技術分析缸內Preignition現象，再進行燃燒系統(tǒng)優(yōu)化，具體流程如圖12所示。

圖12 基于燃燒系統(tǒng)優(yōu)化Pre-ignition的方法

2）鑒于發(fā)動機小型化、增壓比增加、壓縮比提高等發(fā)展趨勢，Pre-ignition現象在未來發(fā)動機中不可避免的發(fā)生，因此僅僅優(yōu)化燃燒系統(tǒng)解決Preignition有著較大的困難。因此，類似于爆震控制的思路本文提出了基于控制策略優(yōu)化Pre-ignition的方法，即采用離子電流信號檢測Pre-ignition現象，然后根據控制策略對比分析，采用當前循環(huán)不點火或大幅度推遲點火的手段抑制Pre-ignition導致的超級爆震惡性燃燒，降低了對發(fā)動機的損害，具體控制方法如圖13所示。

圖13 基于離子電流技術檢測和控制Pre-ignition的方法[9-10]

5 結論

本文總結了Pre-ignition現象、出現Pre-ignition現象時發(fā)動機運行工況以及各主要邊界參數對Preignition現象的影響。總結和提出了幾種檢測和控制方法。這一分析總結有助于進一步了解和分析Preignition現象，為開發(fā)直噴增壓發(fā)動機提供參考。

1）缸內局部溫度超過800℃，促進Pre-ignition發(fā)生。

2）壓縮比、冷卻液溫度、噴油策略以及潤滑油質量對Pre-ignition發(fā)生影響尤為顯著。

3）優(yōu)化缸內熱點、優(yōu)化噴霧、提高缸內氣流運動、采用兩次噴射可以改善Pre-ignition。

4）基于離子電流檢測技術是實現Pre-ignition控制的工程手段之一。