利用扫气抑制增压直喷汽油机“超爆”的研究

贾志超，朱 航，张扬军，王 伟，杨万里

（1.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；2.奇瑞汽车股份有限公司发动机工程研究院，安徽 芜 湖 241009）

为了应对不可再生能源紧缺的问题，同时降低整车的CO2排放，各大汽车集团纷纷制定适合自身实际情况的燃料及动力总成战略，在研究革新技术和替代燃料（能源）的同时，不断提高传统汽油机的热效率。其中应用最普遍的发动机技术是涡轮增压和直喷技术，即采用增压和直喷技术提高发动机平均有效压力，缩小发动机排量，保持与大排量发动机输出扭矩在同一水平，这样小排量发动机由于减小了摩擦功损失和节流损失，扩大了在整车运行工况的燃油经济区，从而在保证车辆动力性能的前提下，降低车辆的燃油消耗［1－4］。

随着高增压比直喷汽油机技术的应用，汽油机在低转速大负荷下易发生 “超爆”现象，燃烧压力高达20MPa以上。这种不正常燃烧不同于普通的爆燃，推迟点火角无法避免，也不同于HCCI（均质压燃）燃烧。影响“超爆”发生的因素很多，相关研究表明，发动机使用的燃油及润滑油牌号，发动机运行条件，例如进气温度、冷却液温度、机油温度，发动机调整参数，例如过量空气系数、配气正时、喷油正时、点火提前角等都会对“超爆”产生一定的影响［5－10］。

1 扫气抑制“超爆”研究思路

“超爆”与常规爆燃、正常燃烧、HCCI均质压燃等4种燃烧模式的缸压及放热曲线对比见图1与图2。从图中可以看出，“超爆”产生剧烈的压力波，放热起始点在火花塞点火之前，放热速度与常规爆燃接近，慢于HCCI。相关研究表明，这种“超爆”不是由高温零部件表面点火造成，而是混合气自发的一种预燃现象，与混合气的成分及温度有关，着火时刻受化学反应动力学影响［11－12］。

德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）、美国西南研究院、日本丰田公司等通过研究指出［13－15］，“超爆”是混入燃烧室（尤其活塞余隙间隙）内的润滑油液滴挥发与混合气发生氧化反应，由于润滑油与燃油形成的混合气自燃温度远低于汽油混合气自燃温度，受高温零部件辐射及残余废气加热的影响，这种含有润滑油小液滴的混合气达到一定温度时，就会发生氧化自燃现象，并诱发混合气着火，在火花塞点火之前发生自燃现象，形成剧烈的压力波［6－7］。图3与图4示出了燃烧室润滑油诱发点火及润滑油小液滴与汽油混合气发生自燃的温度对比。

基于以上研究结果，可以归纳出发生“超爆”要具备两个主要条件，一个是混合气的成分，另一个是混合气的温度。图5示出了影响“超爆”的试验条件及发动机调整参数因素。

由于发动机活塞组件依靠储存在缸筒网纹的润滑油润滑，一定量的润滑油进入燃烧室内燃烧是不可避免的，因此，从混合气成分上控制“超爆”发生比较困难。如果利用直喷汽油机的可变气门正时机构调节VVT至一定的气门重叠角，则可以利用扫气功能来降低燃烧室及混合气的温度，从而一定程度上抑制了“超爆”发生。本研究采用不同的配气正时控制策略及空燃比控制方式，对扫气功能抑制“超爆”进行了相关试验研究。

2 试验设备与试验方法

2.1 试验设备

试验在1台涡轮增压中冷缸内直喷4缸汽油机上进行，该发动机可实现进排气正时的连续可变，其主要技术参数及指标见表1。

表1 试验发动机参数

试验台架为AVL PUMA Open1.3电力测功机，油耗仪为AVL 753S连续质量流量仪，燃烧分析仪为ALV IndiCom燃烧分析仪，气缸压力测量使用Kistler 6052U20打孔式缸压传感器，空燃比仪为ETAS LA4—4.9型，2支氧传感器分别安装在排气歧管及涡轮增压器前，测量缸内空燃比和排气空燃比。发动机台架系统见图6。

2.2 试验方法

本试验选取1 750r／min全负荷作为研究工况点，该工况点是“超爆”发生较为频繁的区域。通过电控标定软件调节进排气相位等调整参数，进排气气门正时初始位置在重叠角最小位置，可变正时调节范围均为45°（见图7）。

“超爆”采取稳态工况验证的方法，即在1 750r／min全负荷工况运行40min，通过燃烧分析仪采集的缸压信号记录各缸发生的总“超爆”次数，每次试验保证相同的冷却液温度、润滑油温度等试验条件，为了评价“超爆”在相同负荷下的可比性，通过调整涡轮增压器废气阀开度保持发动机相同的扭矩输出。

3 试验结果与分析

为了研究扫气对“超爆”的抑制效果，本研究设计了3种试验方案：第1种方案是“稀燃”状态，即不考虑因扫气导致的排气混合气过稀，仅控制缸内混合气为当量空燃比，对比大扫气率和小扫气率“超爆”发生频次；第2种方案控制排气混合气为当量比状态，而不考虑缸内混合气状态，对比大扫气率和小扫气率“超爆”发生频次；第3种方案是在近似的扫气率下，采取两种不同的气门正时控制策略，研究气门正时控制策略对抑制“超爆”的影响。

3.1 稀燃状态不同扫气率抑制“超爆”对比

本试验方案采取两种气门正时组合，气门在1mm升程的重叠角分别为 ATDC 40°和 ATDC 18°，控制缸内混合气为当量空燃比，主要试验数据见表2。

从表2中可以看出，相对于小重叠角，大重叠角扫气率明显提高，在达到相同的平均有效压力下，大重叠角的涡轮废气阀进行了放气，相对于小重叠角涡前温度及排气温度都大幅下降，其中1缸排气温度下降幅度达到131℃。这主要是由于大气门重叠角下，发动机的空气输送效率（进入发动机的总空气量，与按照进气状态计算充满缸内的理论进气量之比）较高，提高了进气流量，有19%的低温新鲜空气直接进入排气系统，“稀释”了排气温度。

表2 稀燃状态下大小重叠角的性能参数对比（1 750 r／min）

图8示出了在两种不同气门正时重叠角下缸内气体温度随曲轴转角的变化对比。从图中可看出，大气门重叠角下由于排气门较晚打开，在排气冲程末期阶段缸内气体温度较高，但在进气冲程上止点附近温度相对较低，较低的进气温度也导致了在压缩冲程上止点附近混合气温度相对较低，幅度达到6～7℃。稳态“超爆”试验结果显示，40min内大重叠角共发生 “超爆”1次，而小重叠角发生5次。

3.2 当量比状态不同扫气率抑制“超爆”对比

本试验方案采用与稀燃状态相同的两种气门正时，排气混合气采取当量比控制模式，由于在大气门重叠角下有较大的扫气率，如果控制排气为当量比状态，则缸内混合气偏浓，偏浓的混合气有利于加快燃烧速度，相同的条件下输出扭矩较高，为了与小气门重叠角保持相同的扭矩输出，大气门重叠角下通过增加废气阀开度降低负荷。

表3示出了两种气门重叠角下主要试验数据对比。从表中可以看出，在排气当量比状态下，气门重叠角较大时缸内混合气较浓，喷油量较多，由于较浓的混合气燃烧速度较快，并且在进气冲程蒸发吸收更多的热量，1缸的排温明显低于气门重叠角较小的状态，但是由于缸内未完全燃烧的燃油在三元催化器内部与过量的氧气发生氧化反应，导致三元催化器中心温度达到1 030℃。

表3 当量空燃比状态下大小重叠角的性能参数对比（1 750 r／min）

图9示出了在两种不同气门正时重叠角下缸内气体温度随曲轴转角的变化对比。从图中可看出，大气门重叠角下由于缸内混合气较浓，燃油蒸发吸收较多的热量，在上止点及燃烧区间混合气温度相对小气门重叠角明显降低，其中压缩上止点温度降低幅度达到21℃，最高燃烧温度降低幅度达到80℃。

由于采用当量比，大扫气率下缸内混合气较浓，虽然一定程度上降低了缸内混合气在上止点前的温度，但是由于较多的喷油量也易于与润滑油成分形成积炭，增加小液滴浓度而诱发“超爆”。稳态“超爆”试验结果显示，40min内大重叠角共发生 “超爆”3次，而小重叠角发生7次。

3.3 不同气门控制策略抑制“超爆”对比

发动机的扫气率主要是由气门重叠角决定，但对于相同的气门重叠角，气门正时有不同的控制策略，一种是“前前”策略，一种是“后后”策略。“前前”策略指进排气门都提前打开和关闭，“后后”策略指进排气门都滞后打开和关闭。

本方案选择两种气门正时组合方案，“前前”策略θIVO和θEVC分别是ATDC－30°和0°，“后后”策略θIVO和θEVC分别是 ATDC－8°和25°，空燃比为排气稀燃状态，涡轮增压器废气阀全部关闭，在这两种气门正时组合下，发动机输出扭矩相同。表4示出了主要试验数据对比。

表4 两种气门正时策略下的性能参数对比

从表中可以看出，采用两种气门正时扫气率相差不大，但压气机后的温度和压力有较大的差异，“前前”策略压气机负荷明显低于“后后”策略，这种差异主要是由于泵气损失功不同导致的。“后后”策略由于排气门开启较晚，排气冲程泵气功较高，达到－0.369MPa，而“前前”策略排气冲程泵气功较少，仅为－0.244MPa，两种策略进气冲程泵气功均为正值，相差不大。为补偿排气泵气功的差异，“后后”策略增加气门重叠角以提高充量，这样就导致了压气机后的其他温度和压力相对“前前”策略都较高，压气机前气体温度相对高7℃，在相同的中冷效率下，中冷器后面的温度有约2℃的差异，从而也导致混合气在上止点附近温度高3°～4°，这给“超爆”带来不利的影响。

图10和图11示出了两种气门正时策略下缸内压力和温度对比曲线。从图中可以看出，“后后”策略在排气末期，由于排气门滞后开启，相对“前前”策略，泵气功有一块较大面积的增加，而缸内混合气在上止点的温度也较高。稳态“超爆”试验结果显示，40min内“前前”策略共发生 “超爆”4次，而“后后”策略发生12次。

4 结论

a）无论是采用当量比还是稀燃燃烧模式，增大气门重叠角提高扫气率都可以降低“超爆”发生的频次；

b）由于利用扫气功能，采用当量比燃烧模式易造成缸内混合气较浓，导致三元催化器中心温度过高，在达到同等负荷下采取稀燃燃烧模式，可以有效降低三元催化器中心温度；

c）利用气门正时“前前”和“后后”策略都可以达到扫气效果，但利用“前前”策略的排气泵气功较小，压气机后温度和压力较低，在相同负荷下能有效降低“超爆”发生频次。

［1］ 张扬军，张树勇，徐建中.内燃机流动热力学与涡轮增压技术研究［J］.内燃机学报，2008，26（增刊）：90－95.

［2］ Ruediger Szengel，Hermann Middendorf.The TSI with 90kW－the expansion of the Volkswagen family of fuel efficient gasoline engines［J］.MTZ，2007，68（07／08）：8－11.

［3］ Dave Hancock，Neil Fraser，Mike Jeremy，et al.A New 3Cylinder 1.2LAdvanced Downsizing Technology Demonstrator Engine［C］.SAE Paper 2008－01－0611.

［4］ Neil Fraser，Hugh Blaxill，Grant Lumsden，et al.Challenges for increased efficiency through gasloine engine downsizing［C］.SAE Paper 2009－01－1053.

［5］ Nozomi Sasaki，Koichi Nakata.Effect of Fuel Components on Engine Super knock［C］.SAE Paper 2012－01－1276.

［6］ Manfred Amann，Terrence Alger，Barry Westmorel，et al.The Effects of Piston Crevices and Injection Strategy on Low－speed Pre－ignition in Boosted SI Engines［C］.SAE Paper 2012－01－1148.

［7］ Amann M，Alger T，Mehta D.The Effect of EGR on Low Speed Pre Ignition in Boosted SI Engines［C］.SAE Paper 2011－01－0339.

［8］ Nozomi Sasaki，Koichi Nakata，Katsunori Kawatake，et al.The Effect of Fuel Compounds on Pre－ignition under High Temperature and High Pressure Condition［C］.SAE Paper 2011－01－1984.

［9］ Amer Hassan Babiker，Junseok Chang，Gautam Kalghatgi.Fuel Effects on Knock in a Highly Boosted Direct Injection Spark Ignition Engine［C］.SAE Paper 2012－01－1634.

［10］ 张志福，梁兴雨，刘国庆，等.增压缸内直喷汽油机抑制预燃试验 ［J］.燃烧科学与技 术，2012，18（2）：156－160.

［11］ Akram Zahdeh，Peter Rothenberger，Wai Nguyen，et al.Fundamental Approach to Investigate Super knock in Boosted SI Engines［C］.SAE Paper 2011－01－0340.

［12］ Jurgen Willand，Marc Daniel，Emanuela Monte－franc esco.Limits on Downsizing in Spark Ignition Engines due to Super Knock［J］.MTZ，2009，70（5）：56－61.

［13］ Christoph Dahnz，Kyung－Man Han，Ulrich Spicher.Investigations on Super Knock in Highly Supercharged SI Engines［C］.SAE Paper 2010－01－0355.

［14］ Kosuke Fujimoto，Satoshi Hirano，Minoru Yamashita.Investigation of Engine Oil Effect on Abnormal Combustion in Turbocharged Direct Injection－Spark Ignition Engines［C］.SAE Paper 2012－01－1615.

［15］ Manfred Amann，Terrence Alger.Lubricant Reactivity Effects on Gasoline Spark Ignition Engine Knock［C］.SAE Paper 2012－01－1140.