高增压直喷汽油机超级爆震现象及其燃烧特性分析

王怀安

江铃汽车股份有限公司,江西南昌 330001

0 引言

在发动机燃烧开发和试验过程中，经常会面临各种各样的问题，尤其是汽油发动机的全新开发。由于采用了自主开发设计的燃烧系统，对于发动机燃烧过程的点火时刻、燃烧的发生时刻、燃烧持续期等都需要精确控制和调校，经常会遇到不正常的燃烧过程，需要对其发生机制和特性进行深入的研究。

1 超级爆震现象介绍

增压和缸内直接喷射(turbo-charged gasoline direct injection，TGDI)技术是汽油机提高燃油经济性的有效方法，同时由于均质混合气的燃烧模式可以简化后处理方案，因此被广泛应用于现代高增压直喷汽油机中。采用均质燃烧的汽油发动机，在低速高负荷(转速不大于2 500 r/min、平均有效压力不小于1.5 MPa)工作时，且在火花塞正常点火之前，缸内混合气会频繁发生一种自燃的特殊现象，文献[1-2]中称其为低速提前点火(low-speed pre-ignition，LSPI)。

严重的低速提前点火会引起超出设计限值的缸内压力和严重的爆震，对应的缸内压力震荡高达10 MPa，这一现象称为超级爆震[1-4]。超级爆震具有间歇性发生的特征，在多次重复发生过程中表现为着火越来越早而缸内最高燃烧压力也越来越高[5]。超级爆震发生前一定有低速提前点火发生，但低速提前点火不一定导致超级爆震[6]。

鉴于其对发动机的破坏力，超级爆震是目前汽油机继续提升扭矩和降低油耗的主要障碍[7]，也是在国内油品条件下，提高缸内直喷汽油机增压水平和性能面临的最大挑战。

2 试验的基本信息及提前点火区域

试验用发动机是一台某公司自主开发的4缸、1.5 L排量的高增压TGDI汽油机，其中燃油为RON92汽油，基本参数见表1。发动机配置了高效率的电控放气阀式涡轮增压器及双可变气门相位器，进排气凸轮相位均可独立调整60 ℃A曲轴转角。发动机喷油器采用6孔侧置安装，最大喷射压力为15 MPa，喷油器在15 MPa压力下的喷油特性如图1所示，可根据发动机电子控制单元(ECU)的设定实施多次喷油。图2为喷油器布置及油束在活塞顶部的落点示意。

表1 发动机的基本参数

图1 喷油器在15 MPa压力下的喷油特性

图2 喷油器布置及油束在活塞顶部的落点示意

图3为发动机性能曲线，其最大扭矩覆盖的转速区为1 500～4 600 r/min。为了提高发动机在不大于2 500 r/min的低速段扭矩，利用可变配气正时系统，通过进排气门叠开的扫气功能，改善了增压器在靠近喘振区的低流量下的增压性能，使发动机最大扭矩转速下延到1 500 r/min。提升发动机的低端扭矩，从而提升了整车的低速加速能力。

图3 发动机性能曲线

图4为发动机全负荷下的进排气压力变化曲线。发动机的扫气区位于图中左上角的低速高负荷区，发动机负荷以平均有效压力(brake mean effective pressure，BMEP)表示。在发动机转速大于2 500 r/min的中高速区，由于排气道压力大于进气道压力，在气门重叠角内可能发生部分高温废气的反流，进入进气道的高温废气最终随进气流入气缸。试验观察到的LSPI区也完全落入扫气区内。

图4 发动机全负荷下的进排气压力变化曲线

图5为发动机在1 500 r/min转速下全负荷缸压曲线。图中示出了此工况时发生的由LSPI引发的超级爆震现象，最大缸内压力达到正常燃烧峰值的2.5倍，爆震时的压力波动超过正常燃烧的峰值压力(peak firing pressure，PFP)。图中也示出了提前点火的缸内压力曲线和火花塞正常点火的缸内压力曲线。

图5 发动机在1 500 r/min转速下的全负荷缸压曲线

试验中发现，当发动机运行工况从低速以升速方式穿越或者稳态运行于LSPI区时，LSPI事件总会发生；但从高速以降速方式穿越LSPI区时，LSPI事件很少发生。

3 LSPI的特性分析

3.1 提前点火出现模式及触发原因

发动机的最低转速最大扭矩点代表了低速提前点火发生最频繁工况。因此，观察低速提前点火特性的试验工况点选定1 500 r/min全负荷。主要边界条件为：过量空气系数λ=1.0，发动机冷却液出口温度90 °C。

在测试中，低速提前点火的出现是完全随机的，通常仅发生在单个气缸，偶尔会在两个气缸同时出现，各个气缸之间的出现并没有相关性。此外，尽管低速提前点火的出现比较随机，但是当发动机运行在特定负荷区域时，仍然是可重复观察的。低速提前点火的出现通常有3种模式：①单次孤立发生(图6)；②连续发生两次(图7)；③一次低速提前点火随后一次正常燃烧组成一对(图8)，然后会一对一对成串出现(图9)，最高可以出现8对。

图6 低速提前点火模式(单次孤立发生)

图7 低速提前点火模式(连续发生两次)

由图6可知，2#气缸单次低速提前点火，其余气缸正常燃烧，由低速提前点火触发的超级爆震使PFP高于正常燃烧的2.5倍；由图7可知，连续发生两次低速提前点火模式，两次现象非常类似；由图8可知，一次低速提前点火后跟随一次正常燃烧循环，两者交替出现;由图9可知，一连串按照交替模式出现的低速提前点火，这可以看作图8的更加普遍模式。图9中包含了低速提前点火的绝大部分出现模式，由于有一连串的低速提前点火，产生了发动机有较强烈的冲击，并显示出低速提前点火发生在3#缸。由图能够看到最后一次低速提前点火结束后，会连续出现多个正常燃烧循环。

图8 低速提前点火模式(一次低速提前点火随后一次正常燃烧组成一对)

图9 低速提前点火模式(一对一对成串出现)

图10展示了4个气缸p-V示功图，其时刻是图9中低速提前点火发生前的最末一个正常燃烧循环，本次循环第三缸没有明显的不正常燃烧；在紧随其后的循环中，3#缸发生了提前点火(pre-iqnition,PI)，缸内压力峰值出现在接近上止点的位置，数值超过了正常燃烧循环的1倍，如图11所示。

图10 在图9中第一次PI出现前一个循环的4个气缸的p-V示功图

图11 在第三缸出现不正常燃烧(超级爆震)时的各缸p-V示功图

图12为图9中第一次PI出现前一个循环的4个气缸各缸缸内压力曲线，展示的是图9的前两次PI ；图13显示的是介于两次PI之间的正常燃烧循环的p-V示功图，缸压显示发动机电子控制单元(ECU)通过爆震传感器检测到一次强烈的发动机爆震，并且通过推迟点火角度的策略来对其进行抑制。其结果是燃烧被推迟，峰值缸内压力相应降低。这种针对常规火花塞爆震的策略反应会导致排气温度升高，同时，如果引起提前点火的条件依然存在，在接下来的循环可能会持续触发PI。事实上，图12显示出下一个循环PI再一次出现了。

图12 图9中第一次PI出现前一个循环的4个气缸各缸缸内压力曲线

图13 介于两次PI之间的正常燃烧循环的p-V示功图

由图10至图13的两个正常燃烧循环的p-V示功图可看出：引起第一次PI和第二次交替模式PI的原因并不相同。根据PI的一些可视化研究[8-10]，第一次PI可能是由缸内机油颗粒的自燃触发，而触发后续PI则是因压力波冲击而从燃烧室顶部分离出来的高温碳颗粒。此高温颗粒在压缩冲程可以被观察到。因此，机油颗粒和因前一次超级爆震分离出来的燃烧室顶部高温积碳颗粒分别成为PI首次触发和第二次触发的根本原因。这种两次触发假设对于试验中观察到的PI出现模式提供了合理的解释：首次触发仅仅产生了单个孤立PI，也就是说，PI只发生一次是因为超级爆震带来的超声波清洁了附着在燃烧室顶部的残余机油颗粒。另外，二次触发机制会引起连续不断的PI，图7至图9显示了这种激励下的各种模式。当所有的二次触发条件全部消耗完毕，PI就会停止。

二次触发产生的PI数量取决于燃烧室顶部的清洁程度。顶部越不干净，越会产生更多的二次触发条件，更多的PI会随后出现。这种机制和观察到的现象吻合，因此也可以得出以下结论：提升曲轴箱通风系统的机油分离效率可以减少PI首次发生的数量，同样能减少PI第二次发生的数量和总体数量。

3.2 低速提前点火的燃烧特性

显然，图9显示的连续出现提前点火适合用来研究低速提前点火的燃烧特性。超级爆震时缸内压力波动没有与最大缸压在同一数量级，那么超级爆震的强度同样可以用缸压峰值来描述，在研究中用曲轴转角作为横坐标来显示。在研究中，PI的出现时刻用5%燃料燃烧完成(MFB05)来间接指示，MFB05的值来源于缸内压力的计算。图14为3#缸PI现象的PFP和MFB05，在第一次PI之前和最后一次PI之后分别增加了3个循环。

图14 3#缸PI现象的 PFP 和 MFB05

由图14可看出，对比第一次PI之后的燃烧循环和正常燃烧循环其MFB05对应的曲轴转角从上止点后15 ℃A移至25 ℃A，这是点火推迟的结果，这种动作并不能抑制PI，相反，6次PI紧随其后。因此PI并不因为点火时刻的推迟而停止，其结束是由于PI的触发条件消失或者缸内得到清洁。

图15a绘制了3#缸PI出现前的正常燃烧循环(该循环的p-V示功图在图10中显示)的已燃燃料质量分数。通过燃烧分析看到，正常燃烧循环的持续期(duration of combustion，DOC)约为35 ℃A曲轴转角，峰值压力位于燃料达到85%位置(MFB85)。图15b显示发生PI循环的燃烧质量消耗(该循环的p-V示功图在图11中显示)。根据对此不正常燃烧循环的分析，燃烧持续期(DOC)只有约20 ℃A曲轴转角，并且超级爆震发生在位于93%的燃料燃烧处(MFB93%)。由图15b可以看出，7%的未燃燃料几乎同时燃烧，产生了等于正常燃烧的压力峰值(图11)的缸内压力升高，之后跟随着压力波动，如图16所示。

图15 3#缸PI出现前一个循环的累积MFB和第一次PI的累积MFB

图16 3#缸第一次PI引起的超级爆震对应的压力波动

整个燃烧持续期和50%已燃点可以用曲轴转角来分别定义，即 90%已燃点—5%已燃点(MFB90—MFB05)和50%已燃点—5%已燃点(MFB50—MFB05)。3#缸的所有正常和不正常燃烧的燃烧持续期如图17所示。由图17可以看到，在大部分不正常燃烧中，PI不会很大程度地改变前一半MFB50—MFB05的燃烧速率，然而，它会加速剩余一半燃料的燃烧速度。因此，不正常燃烧循环的持续期会短于正常循环的持续期，有时只有一半的长度。

图17 3#缸的所有正常和不正常燃烧的燃烧持续期

图18对比了3#缸内正常燃烧和不正常燃烧的MFB90和PFP。在有超级爆震的循环中，发生爆震的曲轴转角是用缸压峰值点来估算的，因为这两者发生点几乎相同。在正常燃烧循环中，PFP出现在MFB90之前，基本上在火焰前锋触及气缸壁的时刻，剩余燃料的燃烧称为焰后区燃烧，PFP对应的曲轴转角和不正常燃烧的MFB90对应的曲轴转角在图19中有详细说明。在这些不正常燃烧循环中，除了提前幅度最少的PI的工况(此时PFP和MFB90出现在同一曲轴转角)，其他工况PFP出现在MFB90之后，这表明在这些非正常燃烧循环中不大于10%的燃料发生了自燃。大部分PI现象的缸压曲线显示MFB05的位置在-17 ℃A曲轴转角，提前最少PI的MFB05在-7 ℃A曲轴转角，显示于图20。尽管最小提前PI有10%的燃油同时燃烧，但它带来的爆震强度并没有最大提前的PI更大，尽管后者具有相对量更少的未燃燃料，但是因为后者具有持续5 ℃A曲轴转角的缸压超过14 MPa的区域。以上事实说明PI发生的时刻对超级爆震强度有直接影响。通过控制提前点火的发生时刻可以控制超级爆震的强度。

图18 3#缸内正常和不正常燃烧的MFB90和PFP对比

图19 3#缸内不正常燃烧的PFP和MFB90的关系

图20 缸压曲线

4 结束语

本文使用一台排量为1.5 L、四气门、双连续可变气门正时的高增压缸内直喷汽油机，运用试验方式对于低速提前点火以及由此引起的超级爆震进行了研究。针对低速提前点火的发生区域、出现原因以及出现模式进行了阐述。通过分析得出第一次PI可能是由缸内机油颗粒的自燃触发，而后续PI则是因压力波冲击从燃烧室顶部分离出来的高温积碳颗粒而触发。

运用燃烧分析的方式，对于提前点火的燃烧特性进行了分析。提前点火发生时，其90%燃料燃烧点缸内与最大缸压对应的曲轴转角重合，说明剩余10%燃料的急速燃烧带来了超级爆震的能量，造成了破坏；同时，提前点火的发生时刻与超级爆震的强度有直接关系，通过控制提前点火的发生时刻可以控制超级爆震的强度。