早燃對汽油機的影響及早燃控制措施

馬俊杰 史程中 成海元 尹建東 沈 源 王瑞平

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

汽油機早燃是指在火花塞點火之前，混合氣已被燃燒室內(nèi)的熾熱點點燃而提前燃燒的現(xiàn)象。隨著油耗和排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷加嚴(yán)，汽油機逐步向小型化發(fā)展[1]。為了保持動力性，小型化常常伴隨著高增壓，使得汽油機在點火前缸內(nèi)壓力和溫度都大幅升高，從而為早燃創(chuàng)造了必要條件。早燃是一種常見的非正常燃燒現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)在發(fā)動機低速大負荷工況，故也被稱之為低速早燃（LSPI）。但是早燃不僅出現(xiàn)在低速大負荷工況，在一些瞬態(tài)工況和高速大負荷工況也會偶發(fā)早燃。本文主要研究了早燃對汽油機的危害及控制早燃的有效措施。

早燃發(fā)生時，缸內(nèi)爆發(fā)壓力會大幅升高，且伴隨著高頻振蕩，會對火花塞、噴油器、活塞、氣門等造成危害。而燃油屬性、機油組分[2]、噴油策略、積碳等眾多因素都會影響早燃頻次，這些因素對早燃的影響機理和影響幅度以及控制早燃的措施是本文的研究內(nèi)容。

1 早燃的危害研究

1.1 發(fā)動機基本信息

本文的研究基于某1.0 L 3 缸增壓直噴汽油發(fā)動機，表1 為該發(fā)動機的主要參數(shù)。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

1.2 試驗方法

本試驗的主要目的是研究發(fā)動機在經(jīng)歷多次早燃后，各個零部件的變化情況。由于早燃的隨機性，為了提高試驗效率，采用手動創(chuàng)造早燃的試驗方法，具體操作如下：采用發(fā)動機標(biāo)定數(shù)據(jù)，使發(fā)動機平穩(wěn)運行在2 000 r/min、2.2 MPa（200 N·m）工況，通過手動將點火提前角加大10°CA，火花塞提前點火，使發(fā)動機發(fā)生早燃。手動觸發(fā)早燃時，發(fā)動機的氣缸壓力及爆震強度和隨機早燃相同，甚至大于隨機早燃。試驗證明，該方法90%的幾率會使發(fā)動機觸發(fā)早燃。

圖1 和圖2 分別為采用手動觸發(fā)早燃和隨機早燃的氣缸壓力pcyl和爆震指數(shù)KPPK 曲線對比。其中，KPPK 是評價爆震強度的參數(shù)，如果某一循環(huán)（cycle）的KPPK 突然升高，代表發(fā)生了一次早燃。

圖1 手動觸發(fā)早燃的氣缸壓力及KPPK

從圖1 和圖2 可以看出，采用手動觸發(fā)早燃，發(fā)動機的最大爆發(fā)壓力pmax=15.8 MPa、爆震指數(shù)KPPK=4.8 MPa，均高于隨機早燃的pmax=14.5 MPa、KPPK=4.3 MPa[3]，而且可以觸發(fā)ECU（發(fā)動機電子控制單元）的加濃保護。因此，用手動觸發(fā)早燃方法來近似模擬早燃的危害是合理的。

圖2 隨機早燃的氣缸壓力及KPPK

在發(fā)動機的生命周期內(nèi)，單缸最多會發(fā)生600次早燃。為了驗證單缸600 次早燃對發(fā)動機造成的損害，本文重點研究了發(fā)動機單缸發(fā)生600 次早燃即單個火花塞經(jīng)歷600 次早燃后的狀況。試驗用火花塞采用2 種：普通火花塞和金具突出火花塞。

1.3 試驗結(jié)果

試驗時，采用2 種火花塞，通過手動觸發(fā)早燃，使發(fā)動機單缸發(fā)生600 次早燃，單個火花塞經(jīng)歷600次早燃，使發(fā)動機累計發(fā)生1 800 次早燃。發(fā)動機性能試驗結(jié)果如圖3 所示。

從圖3 可以看出，發(fā)動機累計發(fā)生1 800 次早燃、單個普通火花塞經(jīng)歷600 次早燃后，發(fā)動機的高速油耗升高20 g，低速油耗升高8 g，平均油耗升高了5%，高速轉(zhuǎn)矩下降3 N·m，下降了2%。發(fā)動機累計發(fā)生1 800 次早燃、單個金具突出火花塞經(jīng)歷600次早燃后，發(fā)動機性能幾乎沒有降低。試驗表明，金具突出火花塞抵抗早燃沖擊的能力更強。

圖3 發(fā)生不同早燃次數(shù)后發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和油耗變化

ECU 檢測到早燃后，首先發(fā)出“加濃”指令來抑制早燃，如果加濃后，發(fā)動機仍然發(fā)生早燃，ECU 會采取“限制轉(zhuǎn)矩”措施來抑制早燃。通過加濃控制住的早燃叫“單次早燃”，這種早燃次數(shù)叫“早燃次數(shù)（加濃）”；如果加濃沒有控制住第一次早燃，會繼續(xù)發(fā)生第二次早燃，最后通過限制轉(zhuǎn)矩才控制住，這種早燃叫“連續(xù)早燃”，相應(yīng)的早燃次數(shù)叫“早燃次數(shù)（限制轉(zhuǎn)矩）”。

單個普通火花塞和單個金具突出火花塞經(jīng)歷600 次早燃后發(fā)動機的轉(zhuǎn)速波動情況分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 單個普通火花塞經(jīng)歷600 次早燃后轉(zhuǎn)速波動情況

圖5 單個金具突出火花塞經(jīng)歷600 次早燃后轉(zhuǎn)速波動情況

從圖4 可以看出，采用普通火花塞時，在單次早燃（加濃，圖中黑線）的情況下，會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速下降的現(xiàn)象；從圖5 可以看出，采用金具突出火花塞時，僅在連續(xù)早燃（限制轉(zhuǎn)矩，圖中白線）時才有轉(zhuǎn)速明顯下降的現(xiàn)象。這同樣可以證明，在發(fā)生早燃后，金具突出火花塞的穩(wěn)定性比普通火花塞好。隨后拆下火花塞，可以看到普通火花塞有輕微裂紋。

1.4 發(fā)動機拆解結(jié)果

拆機結(jié)果顯示，除了活塞環(huán)積碳較多之外，缸套網(wǎng)紋清晰無異常，2 種火花塞均無明顯異常，燃燒系統(tǒng)正常。

盡管發(fā)動機經(jīng)歷了多達1 800 次的早燃沖擊仍然能保持良好的狀態(tài)。但是，早燃次數(shù)依舊應(yīng)該減少。

2 早燃控制措施試驗研究

2.1 早燃工況

早燃主要發(fā)生在低速大負荷工況[4]，本文針對試驗用發(fā)動機的特點，選取2 000 r/min、200 N·m 作為試驗工況，試驗時間定為2 h，為了保證各個早燃控制措施具有可比性，試驗邊界控制完全相同，包括試驗前在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、BMEP 為1.6 MPa 的工況運行30 min 后清積碳。

2.2 試驗結(jié)果對比

整個試驗對比了清積碳與否、不同冷卻水溫度、不同燃油噴射策略、不同機油劣化程度、是否為抗早燃機油以及混合氣是否加濃（過量空氣系數(shù)是否小于1）對早燃次數(shù)的影響，

2.2.1 清積碳對早燃次數(shù)的影響

圖6 為清積碳對1 次噴射早燃次數(shù)的影響，圖7為清積碳對3 次噴射早燃次數(shù)的影響。

圖6 清積碳對1 次噴射早燃次數(shù)的影響

圖7 清積碳對3 次噴射早燃次數(shù)的影響

發(fā)動機積碳增多后，燃燒室熱點增多，為早燃提供了必要條件。圖6 和圖7 的試驗結(jié)果顯示，清積碳可以有效減少早燃次數(shù)。而燃油噴射策略不同，清積碳后，早燃次數(shù)減少幅度不同。從圖6 可以看出，1 次噴射，清積碳后，早燃次數(shù)減少35%；從圖7 可以看出，3 次噴射，清積碳后，早燃次數(shù)減少26%。

2.2.2 冷卻水溫度對早燃次數(shù)的影響

圖8 為冷卻水溫度對早燃次數(shù)影響。

圖8 的試驗結(jié)果顯示，大幅降低冷卻水溫度可以有效減少早燃次數(shù)，但冷卻水溫度對早燃次數(shù)的影響并非線性。原因是適當(dāng)升高冷卻水溫度，缸內(nèi)燃油霧化效果更好，燃燒速度更快，反而有利于減少早燃次數(shù)[5]。

圖8 冷卻水溫度對早燃次數(shù)的影響

2.2.3 燃油噴射策略對早燃次數(shù)的影響

本次試驗共使用了4 種燃油噴射策略，分別是1次噴射、2 次噴射、3 次噴射2 種（3.1：噴射比例為4 ∶4 ∶2，3.2：噴射比例為2 ∶7 ∶1，詳細策略見表2）。

圖9 為燃油噴射策略對比示意圖，圖10 為燃油噴射策略對早燃次數(shù)的影響。

圖9 燃油噴射策略對比示意圖

圖10 燃油噴射策略對早燃次數(shù)影響

圖10 的試驗結(jié)果顯示，2 次噴射可以有效減少早燃次數(shù)，3 次噴射策略1 由于第1 次噴油時刻過早，早燃次數(shù)大幅增加，推遲第1 次噴油時刻，即采用3 次噴射策略2 后，早燃次數(shù)明顯減少，但仍然處于較多的水平。

2.2.4 機油劣化及機油抗早燃性對早燃次數(shù)的影響

機油在長時間使用后會發(fā)生劣化，因此會導(dǎo)致早燃。圖11 為新舊機油對早燃的影響對比，圖12 為機油抗早燃性對早燃次數(shù)的影響。

圖11 的試驗結(jié)果顯示，機油劣化后，早燃次數(shù)增多33%。圖12 的試驗結(jié)果顯示，使用含鈣量低的抗早燃機油后，早燃次數(shù)明顯減少。本試驗采用抗早燃機油5W30 后，已經(jīng)沒有早燃發(fā)生，多次重復(fù)試驗，結(jié)果一樣，證明抗早燃機油對減少早燃次數(shù)有明顯作用。

圖11 新舊機油對早燃的影響對比

圖12 機油抗早燃性對早燃次數(shù)的影響

2.2.5 混合氣加濃對早燃次數(shù)的影響

混合氣加濃可以有效降低缸內(nèi)溫度，從而抑制早燃發(fā)生。圖13 為混合氣加濃對早燃次數(shù)的影響。

圖13 混合氣加濃對早燃次數(shù)的影響

圖13 的試驗結(jié)果顯示，混合氣加濃至過量空氣系數(shù)為0.85 時，早燃沒有發(fā)生。

不同早燃控制措施對早燃的控制效果匯總見表2。

表2 不同早燃措施對早燃的控制效果匯總

綜上所述，使用抗早燃機油和混合氣加濃可以大幅減少早燃發(fā)生頻次，是目前普遍采用的控制早燃技術(shù)；清積碳和使用新機油也可以一定程度減少早燃次數(shù)，但這需要駕駛員有良好的駕駛習(xí)慣并按時保養(yǎng)；燃油噴射策略對早燃有很大影響，通過調(diào)整噴射策略來減少早燃次數(shù)有很大的潛力；將發(fā)動機冷卻水溫度降低到60 ℃也可以減少早燃次數(shù)，但是目前該技術(shù)很難實現(xiàn)。

3 結(jié)論

1）早燃是高增壓汽油機普遍存在的一種非正常燃燒現(xiàn)象，本試驗采用的某1.0 L 3 缸增壓直噴汽油發(fā)動機單缸發(fā)生600 次早燃，單個火花塞經(jīng)歷600次早燃，發(fā)動機累計發(fā)生1 800 次早燃后，發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性略有下降，整個燃燒系統(tǒng)無明顯異常。

2）金具突出火花塞抵抗早燃的能力更強，更適用于早燃嚴(yán)重的燃燒系統(tǒng)及由于早燃引起的火花塞容易失效的發(fā)動機。

3）目前，抑制早燃最有效的措施是采用抗早燃機油和混合氣加濃。而抗早燃機油最重要的添加劑是鈣，減少鈣含量，可以有效減少早燃頻次。另外，燃油噴射策略、清積碳、機油劣化及冷卻水溫度對早燃也有不同程度的影響。合理的噴射策略對減少早燃次數(shù)有很大的潛力，但噴油過早不利于抑制早燃；清積碳可以有效減少早燃次數(shù)；機油劣化后早燃頻次會增加，按時保養(yǎng)可以有效減小早燃對發(fā)動機的損害。