增壓直噴汽油機(jī)超級(jí)爆震發(fā)生機(jī)理以及爆震抑制的試驗(yàn)研究

苗瑞剛，曾小春，曹黎明，景國璽

(1.江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)總院，江西 南昌 330001；2.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300400；3.天津市新能源汽車動(dòng)力傳動(dòng)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130)

增壓和缸內(nèi)直接噴射(Turbo charged gasoline direct injection,TGDI)技術(shù)是汽油機(jī)小型化和提高燃油經(jīng)濟(jì)性的有效方法。由于均質(zhì)混合氣燃燒模式可以簡化發(fā)動(dòng)機(jī)的后處理，這種燃燒模式被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代高增壓直噴汽油機(jī)中。對(duì)于應(yīng)用這種燃燒模式的TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)，其在低速高負(fù)荷(轉(zhuǎn)速小于等于 2 500 r/min；平均有效壓力大于等于1.5 MPa)工作時(shí)會(huì)頻繁發(fā)生一種由進(jìn)入缸內(nèi)的潤滑油誘發(fā)的提前點(diǎn)火現(xiàn)象，被稱為低速提前點(diǎn)火(low-speed pre-ignition，LSPI)[1-2]。

LSPI導(dǎo)致非常高的缸內(nèi)壓力和嚴(yán)重的爆震，對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)壓力振幅高達(dá)10 MPa，這一現(xiàn)象稱為超級(jí)爆震(super knock or mega knock)[1-4]。超級(jí)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)為著火越來越早且缸內(nèi)最高燃燒壓力越來越高[5]。超級(jí)爆震發(fā)生前一定有低速早燃現(xiàn)象發(fā)生，但低速早燃現(xiàn)象不一定導(dǎo)致超級(jí)爆震[6]。

鑒于其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的破壞力，超級(jí)爆震是目前汽油機(jī)繼續(xù)提高升功率和降低油耗的主要障礙[7]，也是在國內(nèi)目前油品條件下提高缸內(nèi)直噴汽油機(jī)增壓水平面臨的最大挑戰(zhàn)。由于引發(fā)超級(jí)爆震的LSPI是由缸內(nèi)潤滑油自燃導(dǎo)致點(diǎn)火，有效控制超級(jí)爆震強(qiáng)度的措施應(yīng)該從以下兩個(gè)方面來考慮：1)盡可能削弱其產(chǎn)生的條件；2)通過控制點(diǎn)火的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及加速點(diǎn)火后火焰的傳播速度來削弱LSPI引發(fā)的超級(jí)爆震的強(qiáng)度。本研究針對(duì)上述兩個(gè)方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本信息

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)4缸、1.5 L高增壓TGDI汽油機(jī)，基本參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)排氣凸輪的配氣相位可獨(dú)立調(diào)整的范圍均為60°曲軸轉(zhuǎn)角。發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器側(cè)置安裝在進(jìn)氣側(cè)，每個(gè)噴油器有6個(gè)噴孔，最大噴射壓力為15 MPa?？稍诎l(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(ECU)許可的噴油時(shí)間內(nèi)根據(jù)需要實(shí)施多次噴油，主要在進(jìn)氣沖程進(jìn)行。圖1示出油束在活塞頂部的落點(diǎn)。圖2示出實(shí)測(cè)噴油器在15 MPa噴油壓力下的油束長度和噴油時(shí)間的關(guān)系。

圖1 噴油器布置及油束在活塞頂部的落點(diǎn)

圖2 噴油器在15 MPa噴油壓力下的噴油特性

圖3示出發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線的無量綱表示，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(dòng)機(jī)在2 500 r/min內(nèi)的低速段扭矩，利用可變氣門正時(shí)控制通過進(jìn)氣掃氣改善增壓器靠近喘振區(qū)低流量下的增壓性能，使發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速下延到1 500 r/min。

圖3 掃氣功能帶來的低端扭矩提升

圖4示出發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣區(qū)，其位于圖中左上角的低速高負(fù)荷區(qū)，圖中發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷以平均有效壓力(brake mean effective pressure，BMEP)表示。全負(fù)荷下的進(jìn)排氣管壓力也在圖4中示出。 在發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(jìn)入進(jìn)氣道的高溫廢氣最終隨進(jìn)氣流入氣缸。試驗(yàn)觀察到的LSPI區(qū)也在圖4中示出，其完全落入了掃氣區(qū)內(nèi)。圖5示出發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在1 500 r/min全負(fù)荷工況時(shí)發(fā)生的由LSPI引發(fā)的超級(jí)爆震現(xiàn)象，其燃燒壓力的峰值達(dá)到正常燃燒壓力峰值的2.5倍，爆震時(shí)的壓力波動(dòng)超過正常燃燒時(shí)的爆發(fā)壓力(peak firing pressure or PFP)。提前點(diǎn)火的時(shí)間和火花塞正常點(diǎn)火的時(shí)間在圖5中示出以進(jìn)行比較。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷下的掃氣區(qū)和觀測(cè)到的低速提前點(diǎn)火事件頻發(fā)區(qū)

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)在1 500 r/min全負(fù)荷下發(fā)生超級(jí)爆震和正常燃燒循環(huán)的氣缸壓力比較

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況從低速以升速方式穿越LSPI區(qū)時(shí)，LSPI總會(huì)發(fā)生；但從高速以降速方式穿越LSPI區(qū)時(shí)，LSPI幾乎不發(fā)生。這說明LSPI的誘發(fā)源和掃氣流動(dòng)有較強(qiáng)的相關(guān)性。

圖6示出全負(fù)荷工況下的噴油量，即各轉(zhuǎn)速下的最大循環(huán)噴油量。可以看出，低端最大扭矩和高端最大扭矩的噴油量僅相差20%。對(duì)于采用均勻混合氣的TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)，增壓壓力越高，要求的噴油量就越大，噴油遇到的挑戰(zhàn)就越大：在低端最大扭矩轉(zhuǎn)速的挑戰(zhàn)是活塞速度太低，雖然可以實(shí)施多次噴油，但噴油時(shí)間過早或任一次噴油時(shí)間過長都會(huì)引起高速油束和處于低速運(yùn)動(dòng)的活塞發(fā)生干涉；在高端最大扭矩轉(zhuǎn)速的挑戰(zhàn)是活塞完成一個(gè)沖程的時(shí)間太短，因而只能實(shí)施一次噴油，如噴油時(shí)間接近或大于180°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，也會(huì)引起油束和活塞的干涉。油束和活塞頂面的干涉會(huì)造成油束反彈到缸壁上，導(dǎo)致油底殼機(jī)油稀釋。

圖6 全負(fù)荷工況下各氣缸的循環(huán)噴油量

2 超級(jí)爆震強(qiáng)度和燃燒起始點(diǎn)的關(guān)系

發(fā)動(dòng)機(jī)的低速端最大扭矩工況是LSPI發(fā)生最頻繁的工況。因此，對(duì)LSPI特性的試驗(yàn)研究選定在1 500 r/min全負(fù)荷工況。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)采用的混合氣為計(jì)量混合氣(過量空氣系數(shù)φa= 1.0)，試驗(yàn)中冷卻液出口溫度控制在90 ℃。

試驗(yàn)觀察到的LSPI現(xiàn)象具有高度的隨機(jī)性：一般僅在單個(gè)氣缸發(fā)生，偶爾也會(huì)在兩個(gè)氣缸同時(shí)發(fā)生。LSPI現(xiàn)象以孤立單獨(dú)事件或連續(xù)事件的模式出現(xiàn)，后一種模式更常見。其共性是開始和結(jié)束都沒有預(yù)兆。對(duì)于連續(xù)發(fā)生的模式，最后一個(gè)LSPI事件結(jié)束后發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)有很長一段時(shí)間在完全正常燃燒的條件下工作，似乎引發(fā)LSPI事件的觸發(fā)源在最后一個(gè)事件中被消除。這意味著超級(jí)爆震引發(fā)的缸內(nèi)高頻壓力波可能對(duì)LSPI事件的觸發(fā)源具有某種清潔作用。盡管LSPI發(fā)生具有高度隨機(jī)性，但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況落入LSPI區(qū)內(nèi)時(shí)，LSPI事件具有較高的出現(xiàn)頻率。

典型發(fā)生LSPI事件的氣缸和其他正常燃燒氣缸壓力的比較見圖5。超級(jí)爆震發(fā)生時(shí)缸內(nèi)壓力波動(dòng)峰值相當(dāng)于正常燃燒時(shí)的最大缸壓。在這種條件下，用不正常燃燒時(shí)的最大缸壓來表示超級(jí)爆震的強(qiáng)度對(duì)分析提前點(diǎn)火角對(duì)其影響更為合理。由于提前點(diǎn)火的時(shí)間是不可控的，本研究采用缸內(nèi)5%燃料燃燒(5% Mass of Fuel burned，MFB05)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角來定性分析提前點(diǎn)火開始發(fā)生的時(shí)間。圖7示出實(shí)測(cè)的最大缸壓和MFB05的關(guān)系，可見缸內(nèi)壓力隨提前點(diǎn)火發(fā)生時(shí)刻的前移而提高，但達(dá)到一定的提前角后似乎穩(wěn)定在一個(gè)范圍。

圖7 MFB05和氣缸內(nèi)最高燃燒壓力的關(guān)系

3 缸內(nèi)機(jī)油顆粒觸發(fā)提前點(diǎn)火的機(jī)理和觸發(fā)條件

3.1 觸發(fā)LSPI事件的機(jī)油顆粒來源

機(jī)油顆粒物有可能導(dǎo)致低速早燃的發(fā)生[8]。許多研究者[9-10]對(duì)于高增壓TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)中觸發(fā)提前點(diǎn)火(pre-ignition，PI)的機(jī)油顆粒位置進(jìn)行了缸內(nèi)可視化研究。Dahnz和Spicher[9]發(fā)現(xiàn)PI經(jīng)常開始于燃燒室壁面或氣缸體墊片間隙的某個(gè)位置。Zaccardi等[10]觀察到PI更多地發(fā)生在缸蓋排氣門的鼻梁區(qū)和燃燒室頂部的火花塞周圍。至今為止，幾乎所有研究報(bào)告都認(rèn)為觸發(fā)PI的機(jī)油顆粒進(jìn)入缸內(nèi)的途徑可能是活塞和缸體的間隙，并懸浮在缸內(nèi)氣體中，隨著氣流運(yùn)動(dòng)部分潤滑油顆粒附著在燃燒室頂部，形成潛在的提前點(diǎn)火源[1-2]。從活塞和缸體的間隙進(jìn)入缸內(nèi)的潤滑油一般稱為機(jī)油輸運(yùn)(oil transport)，它具有隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高而增加的性質(zhì)，因而這個(gè)機(jī)理無法解釋LSPI僅發(fā)生在低速高負(fù)荷區(qū)。

對(duì)于高增壓TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)，潤滑油進(jìn)入缸內(nèi)的另一個(gè)重要途徑是曲軸箱通風(fēng)再循環(huán)帶入的潤滑油(oil carryover)。由于缸內(nèi)直噴及噴油時(shí)間長，TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)不可避免地存在燃油對(duì)曲軸箱機(jī)油的稀釋現(xiàn)象。進(jìn)入曲軸箱的燃油使機(jī)油的揮發(fā)性提高，導(dǎo)致曲軸箱通風(fēng)再循環(huán)攜帶了大量的潤滑油顆粒。

圖8示出實(shí)測(cè)高負(fù)荷區(qū)曲軸箱通風(fēng)流量，可見低速高負(fù)荷區(qū)具有最大的曲軸箱通風(fēng)流量。由于中冷器的冷凝作用，曲軸箱通風(fēng)再循環(huán)攜帶的潤滑油顆粒在中冷后變大，且黏度提高，這使得在低速大負(fù)荷對(duì)應(yīng)的掃氣流動(dòng)中曲軸箱通風(fēng)再循環(huán)攜帶的潤滑油顆粒更容易滯留在燃燒室壁面上。圖9示出試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在低速大負(fù)荷下由曲軸箱通風(fēng)再循環(huán)攜帶的潤滑油顆粒造成的在進(jìn)氣門盤及桿上的積炭現(xiàn)象。這間接證實(shí)曲軸箱通風(fēng)再循環(huán)帶入缸內(nèi)的潤滑油顆粒經(jīng)中冷后由于黏度提高及蒸發(fā)性變差，更容易附著在燃燒室壁面上或活塞上止點(diǎn)以上的氣缸表面上。

圖8 實(shí)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷下的曲軸箱通風(fēng)量

圖9 潤滑油顆粒在進(jìn)氣門上造成的積炭

Yilmaz在某直列4缸2 L自然吸氣汽油機(jī)上對(duì)曲軸箱通風(fēng)再循環(huán)帶入缸內(nèi)的潤滑油顆粒特性進(jìn)行了研究[11]。他通過試驗(yàn)方法研究了從不同途徑進(jìn)入缸內(nèi)的機(jī)油隨負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的變化。試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過活塞和缸套間隙進(jìn)入缸內(nèi)的機(jī)油量(oil transport)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而增加，在給定轉(zhuǎn)速下，其隨著負(fù)荷的升高而降低，即低速大負(fù)荷并不是機(jī)油從活塞和缸套間隙進(jìn)入缸內(nèi)的最優(yōu)條件。Yilmaz測(cè)定了從曲軸箱通風(fēng)出來的機(jī)油顆粒(oil carryover)在幾個(gè)微米的數(shù)量級(jí)。雖然機(jī)油顆粒大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化不敏感，但機(jī)油顆粒的顆粒濃度會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷提高而劇烈增加：從低負(fù)荷的106mL-1數(shù)量級(jí)跳躍向高負(fù)荷的107mL-1數(shù)量級(jí)。這反映了機(jī)油揮發(fā)性隨機(jī)油溫度的變化特性。

根據(jù)圖8所示的曲軸箱通風(fēng)流量，可近似地估計(jì)低速大負(fù)荷下進(jìn)入試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸每循環(huán)的潤滑油顆粒數(shù)為107～108。掃氣時(shí)，部分被從進(jìn)氣道流向排氣道的掃氣流動(dòng)攜帶的機(jī)油顆?？赡芨街谌紵翼敳?，燃燒室頂部的碳?xì)浠衔镌谌紵^程中如不能完全清理就會(huì)變成積炭。本研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的積炭進(jìn)行清洗后，LSPI事件的發(fā)生頻率明顯減少。因此，可以初步推論：觸發(fā)LSPI事件的機(jī)油顆粒主要來源可能是在掃氣時(shí)曲軸箱通風(fēng)再循環(huán)所攜帶的具有低揮發(fā)性和高黏度的潤滑油顆粒，其比來自活塞間隙的潤滑油顆粒更容易附著在燃燒室壁面上，而且也解釋了LSPI事件主要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣區(qū)的原因。

3.2 缸內(nèi)機(jī)油顆粒的燃燒特性

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的曲軸箱機(jī)油為SAE 5W30 合成油，其部分物理性質(zhì)如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的部分物理性質(zhì)

燃油對(duì)曲軸箱機(jī)油的稀釋(簡稱機(jī)油稀釋)是直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)遇到的另一個(gè)挑戰(zhàn)。造成機(jī)油稀釋的原因是燃油蒸氣在缸壁上的冷凝或噴油期間部分燃油顆粒和缸壁發(fā)生接觸引起濕壁，其結(jié)果都是少量液態(tài)燃油從活塞和氣缸間的間隙流到曲軸箱。發(fā)動(dòng)機(jī)增壓程度越高，所需要的循環(huán)噴油量就越大，對(duì)應(yīng)的噴油時(shí)間就越長，機(jī)油稀釋也就越嚴(yán)重。由于汽油的低黏度和高揮發(fā)性，進(jìn)入機(jī)油的汽油使機(jī)油的黏度降低、揮發(fā)性提高。度量機(jī)油揮發(fā)性的一個(gè)重要物理參數(shù)是閃點(diǎn)[12]。圖10示出實(shí)測(cè)的機(jī)油稀釋對(duì)機(jī)油黏度和閃點(diǎn)的影響。在機(jī)油稀釋率達(dá)到7.5%時(shí)，機(jī)油黏度下降了23%，接近更換機(jī)油的條件(在100 ℃時(shí)機(jī)油黏度下降25%)；閃點(diǎn)從230 ℃降低到 85 ℃，機(jī)油的揮發(fā)性大幅度提高。閃點(diǎn)越低，機(jī)油的揮發(fā)性就越好，曲軸箱通風(fēng)再循環(huán)攜帶的機(jī)油就越多。

圖10 機(jī)油稀釋率對(duì)機(jī)油黏度和閃點(diǎn)的影響

閃點(diǎn)小于160 ℃時(shí)機(jī)油顆粒的蒸發(fā)性和燃燒特性類似于分子碳鏈長度為16～18的生物柴油。 圖11示出由柴油和棕櫚油甲酯(palm oil methyl ester，PME)合成的生物柴油的閃點(diǎn)和十六烷值[13]。不同比例的PME和柴油構(gòu)成的生物柴油的閃點(diǎn)和具有相同閃點(diǎn)的機(jī)油對(duì)應(yīng)的汽油稀釋率見圖12，其中純PME(B100) 和50%PME合成的生物柴油B50的閃點(diǎn)對(duì)應(yīng)的機(jī)油稀釋率分別為1.1%和8.5%。

圖11 柴油-生物柴油混合燃料的閃點(diǎn)和十六烷值

圖12 被稀釋機(jī)油和等效閃點(diǎn)的生物柴油比較

進(jìn)入氣缸的潤滑油顆粒成為提前點(diǎn)火源需要經(jīng)歷如圖13所示的物理過程。要達(dá)到點(diǎn)火條件，機(jī)油顆粒必須在其周圍形成如圖14所示的可燃混合氣的濃度和溫度條件。如顆粒不足夠大，很可能在達(dá)到著火條件前就完全氣化而且機(jī)油蒸氣會(huì)被缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)迅速稀釋到難以自燃的濃度。這樣的機(jī)油顆粒很難觸發(fā)提前點(diǎn)火。

圖13 缸內(nèi)機(jī)油液滴達(dá)到自燃的物理過程

圖14 機(jī)油液滴周圍可燃混合氣及溫度場(chǎng)分布

假定機(jī)油顆粒被燃油稀釋的稀釋率為4.7%(閃點(diǎn)約為100 ℃)，那么機(jī)油顆粒的蒸發(fā)特性可以用B70生物柴油的性質(zhì)來估算。圖15示出初始溫度為150 ℃時(shí)初始直徑為10 μm和15 μm的兩個(gè)機(jī)油液滴的蒸發(fā)時(shí)間，空氣環(huán)境條件為溫200 ℃，壓力0.2 MPa。機(jī)油顆粒的初始條件和環(huán)境條件分別相當(dāng)于燃燒室頂部的平均金屬溫度及壓縮沖程初期缸內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)。10 μm和15 μm的兩個(gè)機(jī)油顆粒完全蒸發(fā)所需的時(shí)間分別為8.5 ms和19 ms。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，這兩個(gè)機(jī)油顆粒的蒸發(fā)時(shí)間相當(dāng)于77°和171°曲軸轉(zhuǎn)角；只有15 μm的機(jī)油液滴才有條件觸發(fā)提前點(diǎn)火，因?yàn)?0 μm的液滴在達(dá)到試驗(yàn)觀察到的提前點(diǎn)火窗口前已完全蒸發(fā)，不可能成為點(diǎn)火源。

圖15 模擬的閃點(diǎn)為100 ℃的機(jī)油液滴蒸發(fā)時(shí)間

沒被稀釋的曲軸箱機(jī)油的著火點(diǎn)一般大于240 ℃[12]，也就是說未被稀釋的機(jī)油顆粒在溫度低于240 ℃時(shí)不可能產(chǎn)生提供穩(wěn)定燃燒所需的可燃蒸氣，當(dāng)然也就不可能成為提前點(diǎn)火源。要使機(jī)油顆粒在小于等于 240 ℃的溫度下成為提前點(diǎn)火源，必須存在一定程度的燃油稀釋使其著火點(diǎn)下降。這說明燃油對(duì)機(jī)油的稀釋對(duì)機(jī)油成為LSPI的提前點(diǎn)火源有很大的影響。

最易成為點(diǎn)火源的機(jī)油顆粒是相對(duì)較大并附著在缸內(nèi)熱金屬表面上的顆粒，因?yàn)檫@樣的顆粒容易從高溫金屬表面獲得蒸發(fā)所需的加熱能量。圖16示出模擬試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在4 600 r/min的高端最大扭矩點(diǎn)時(shí)燃燒室壁面的溫度。如圖所示，模擬的燃燒室最高壁溫為240 ℃，發(fā)生在兩個(gè)排氣門間的鼻梁區(qū)。在1 500 r/min的低端最大扭矩點(diǎn)的燃燒室壁面溫度不會(huì)有很大的不同，因?yàn)? 500 r/min對(duì)應(yīng)扭矩和4 600 r/min相同，但冷卻液流量只有4 600 r/min的30%。當(dāng)較大的機(jī)油顆粒在掃氣過程中進(jìn)入氣缸并附著在燃燒室熱表面上時(shí)(如圖16)，這些顆粒很有可能成為提前點(diǎn)火源。

由于不能避免機(jī)油顆粒進(jìn)入缸內(nèi)，對(duì)于具有如圖3所示的扭矩曲線的TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)來說，要避免低速提前點(diǎn)火現(xiàn)象是不實(shí)際的。最有效的保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的方式是削弱LSPI的觸發(fā)條件以及降低超級(jí)爆震強(qiáng)度，使得超級(jí)爆震發(fā)生時(shí)的缸內(nèi)最大壓力處在設(shè)計(jì)限值之內(nèi)，從而不會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。除了限定PFP的最大值外，也必須對(duì)LSPI事件的發(fā)生頻率加以限制。 LSPI事件的發(fā)生頻率受過量空氣系數(shù)(φa)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度Tcoolant，及曲軸箱機(jī)油稀釋程度等因素影響。

4 抑制超級(jí)爆震的方法

4.1 在LSPI區(qū)使用濃混合氣

加濃混合氣能夠抑制爆震的原因在于含有更多燃油的混合氣的絕熱指數(shù)減小，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)到混合氣自燃溫度，抑制了超級(jí)爆震[14]。

對(duì)混合氣加濃可以減弱點(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)作用，增加點(diǎn)火延遲時(shí)間，從而減小LSPI事件發(fā)生的提前角。圖17示出過量空氣系數(shù)對(duì)LSPI事件發(fā)生頻率的影響，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，冷卻液出口溫度為86 ℃?？梢钥闯觯?dāng)φa從1.0減小到 0.85時(shí)，LSPI事件的發(fā)生頻率會(huì)降低到計(jì)量混合氣的40%。需要指出，由于加濃導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性下降，加濃措施應(yīng)是只在LSPI事件發(fā)生時(shí)的瞬態(tài)控制策略，當(dāng)LSPI事件不再發(fā)生時(shí)，燃燒控制應(yīng)回到計(jì)量混合氣。

圖18示出在濃混合氣條件下發(fā)生PI事件時(shí)的缸內(nèi)壓力，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況為：1 500 r/min全負(fù)荷，φa= 0.75，Tcoolant=75 ℃。缸壓曲線顯示，雖然第3缸發(fā)生了LSPI事件，但并沒有引發(fā)超級(jí)爆震。由于提前點(diǎn)火，PFP值達(dá)到了12.5 MPa，比常規(guī)燃燒的PFP約高出4.5 MPa，因此仍不能將其定義為正常燃燒。如果PFP超出發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)限值，可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)零部件因強(qiáng)度不足而損壞。

圖18 發(fā)生低速提前點(diǎn)火事件時(shí)的缸壓(Tcoolant=75 ℃，φa = 0.75)

圖19示出正常燃燒的第1缸和發(fā)生提前點(diǎn)火的第3缸的燃燒過程的比較?？梢钥闯?，兩者的燃燒特性是相似的，不同的是正常燃燒時(shí)PFP發(fā)生在MFB80(對(duì)應(yīng)于火焰達(dá)到缸壁的時(shí)間)，而提前點(diǎn)火的燃燒PFP發(fā)生在MFB90以后，很接近于發(fā)生超級(jí)爆震時(shí)PFP的位置。

圖19 正常燃燒和不正常燃燒燃的放熱規(guī)律比較

4.2 在LSPI區(qū)采用高溫冷卻

提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻溫度會(huì)促進(jìn)附著在燃燒室壁面和進(jìn)氣道壁面潤滑油顆粒的蒸發(fā)，有利于削弱 LSPI事件的發(fā)生。本研究中TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)配置了電子節(jié)溫器，可以根據(jù)需要對(duì)不同工況采取不同水溫的冷卻策略。圖20示出1 500 r/min全負(fù)荷下實(shí)測(cè)的LSPI事件發(fā)生頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度的關(guān)系，對(duì)應(yīng)的混合氣濃度φa=0.90。試驗(yàn)揭示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫由85 ℃提升到105 ℃時(shí)，LSPI事件的發(fā)生頻率減少到85 ℃時(shí)的1/3。結(jié)果表明，對(duì)于配置電子節(jié)溫器的TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)可以在LSPI區(qū)實(shí)施高溫冷卻以減少LSPI事件的發(fā)生頻率。圖21所示的發(fā)動(dòng)機(jī)工況條件同于圖18，不同只是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻溫度提高到Tcoolant= 90 ℃，及LSPI事件發(fā)生在第4缸。對(duì)比圖18和圖21可知，提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻溫度使提前點(diǎn)火角推后，而且PFP也下降到11 MPa，這個(gè)爆壓值對(duì)大多數(shù)TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)是安全的。

圖20 冷卻液溫度對(duì)低速提前點(diǎn)火事件發(fā)生頻率的影響

圖21 發(fā)生低速提前點(diǎn)火事件時(shí)的缸壓(Tcoolant=90 ℃，φa = 0.75)

4.3 控制燃油對(duì)曲軸箱機(jī)油的稀釋

一般來說，潤滑油的揮發(fā)性、閃點(diǎn)和著火點(diǎn)都隨其SAE標(biāo)號(hào)提高而提高，這是由潤滑油的揮發(fā)性和可燃性的內(nèi)在關(guān)系決定的。汽油對(duì)曲軸箱機(jī)油的稀釋改變了其揮發(fā)性，因而也改變了其可燃性。滯留在機(jī)油中的是汽油中具有低燃點(diǎn)的重組分(即碳鏈較長的大分子組分)，由于汽油黏度低、揮發(fā)性高，進(jìn)入機(jī)油的汽油低燃點(diǎn)組分很大程度地改變了機(jī)油的黏度、揮發(fā)性及可燃性。提高機(jī)油的溫度可以提高機(jī)油中汽油的揮發(fā)性，減少滯留在機(jī)油中的汽油含量，減弱其對(duì)機(jī)油的黏度、揮發(fā)性及可燃性的影響。

圖22示出不同SAE標(biāo)號(hào)機(jī)油的著火點(diǎn)、閃點(diǎn)和100 ℃時(shí)的黏度。高SAE標(biāo)號(hào)的機(jī)油揮發(fā)性較低，可以接受較高程度的機(jī)油稀釋率，因而有利于削弱LSPI事件的發(fā)生頻率。圖23示出試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在1 500 r/min全負(fù)荷下采用兩個(gè)不同SAE標(biāo)號(hào)機(jī)油時(shí)LSPI事件發(fā)生頻率的比較，對(duì)應(yīng)的φa=1.0，冷卻液溫度Tcoolant=86 ℃。如圖所示，采用高SAE標(biāo)號(hào)潤滑油有助于降低LSPI事件的發(fā)生頻率。

圖22 不同SAE等級(jí)機(jī)油的著火點(diǎn)、閃點(diǎn)和黏度

圖23 不同SAE黏度等級(jí)的機(jī)油對(duì)LSPI頻率的影響

5 結(jié)論

a) LSPI事件頻繁發(fā)生在低速大負(fù)荷區(qū)，和發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣區(qū)重合，LSPI事件發(fā)生的頻率和曲軸箱通風(fēng)再循環(huán)攜帶潤滑油顆粒的蒸發(fā)性及可燃性有很強(qiáng)的相關(guān)性；

b) 對(duì)混合氣加濃可以減弱點(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)作用，增加點(diǎn)火延遲時(shí)間，有利于減小LSPI事件發(fā)生的提前角，加濃同時(shí)也可以加速點(diǎn)火后火焰的傳播速度，減少火焰未達(dá)到前發(fā)生自燃的混合氣的質(zhì)量，減弱爆震強(qiáng)度；

c) 提高發(fā)動(dòng)機(jī)在LSPI區(qū)的冷卻溫度會(huì)促進(jìn)附著在燃燒室壁面和進(jìn)氣道壁面的潤滑油顆粒的蒸發(fā)，有利于消弱LSPI事件發(fā)生的觸發(fā)源；

d) 進(jìn)入缸內(nèi)的機(jī)油顆粒的著火點(diǎn)大于燃燒室壁面的最高金屬溫度時(shí)，很難產(chǎn)生可以提供穩(wěn)定燃燒所需的可燃蒸氣，不可能成為提前點(diǎn)火源；減小曲軸箱機(jī)油被燃油的稀釋率可以提高著火點(diǎn)，有助于抑制LSPI事件的發(fā)生；

e) 對(duì)缸內(nèi)混合氣加濃及采用高溫冷卻雖不能消除LSPI事件的發(fā)生，但合適的燃燒控制可以完全抑制超級(jí)爆震的發(fā)生；對(duì)應(yīng)的燃燒仍不屬于正常燃燒，但如果把PFP下降到小于等于11 MPa，對(duì)大多數(shù)TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)是安全的。