增压直喷汽油发动机早燃现象改善的研究

乔佳伟 王义夫 王继波 马少康 乔闯 袁凌峰

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

增压直喷汽油发动机早燃现象改善的研究

乔佳伟1，2王义夫1，2王继波1，2马少康1，2乔闯1，2袁凌峰1，2

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

低速大负荷早燃现象是制约增压直喷汽油发动机低速性能提升的主要因素之一，早燃易导致发动机火花塞烧蚀、活塞熔顶等质量问题，所以在发动机设计开发过程中必须对早燃问题加以优化改善。阐述了早燃产生的机理，更换不同机油、改变压缩比以及空燃比进行试验，结果表明：更换机油以及改变空燃比能够降低早燃频次，改变压缩比对早燃无影响。

早燃压缩比空燃比机油

引言

早燃，即超级爆燃[1]，是指在正常点火之前，燃烧室内的混合气由气缸内的热点引燃，发生的大面积自燃现象。

因此，早燃无法通过推迟点火提前角来阻止，这一点与常规爆燃完全不同。超级爆燃对发动机的危害极大，会使火花塞电极熔断、活塞环断裂、活塞顶部烧蚀、连杆弯曲等，甚至导致发动机损毁。

通过分析早燃产生的原因，本文从不同机油牌号、不同压缩比、不同活塞火力岸高度等几个方面对早燃现象进行验证测试。

1 试验装置与试验方法

1.1 发动机

某工作状态良好的2.0 L直喷汽油发动机[2]，能够精确计算进气量、喷油量，试验提供满足发动机需求的低压供油系统。发动机参数如表1所示。

1.2 测功机

装备完好的电力测功机，包括机油外循环冷却装置、冷却液外循环装置、风机、以及温度、压力传感器数支。

1.3 辅助设备

测量HC、NOx的排放分析仪，测量各缸燃烧情况的燃烧分析仪，用于测量烟度的滤纸式烟度仪和不透光式烟度分析仪。

表1 试验发动机主要参数

1.4 试验方法

1）进行全负荷性能摸底[3]，确定该发动机早燃发生的区域（本次试验确定的转速为1800 r/min、2000 r/min的全负荷工况）；

2）每个工况连续运转50万个工作循环，如2000 r/min运转2.05 h；

3）记录试验过程中早燃发生的频次，以及发生早燃时对应的燃烧压力Pmax，缸压与曲轴转角对应关系。

2 试验内容

2.1 机油验证试验

发动机运行过程中，有少量的机油会通过曲轴箱通风系统以及活塞与气缸壁之间的油膜进入燃烧室参与燃烧。由于机油的燃点相对燃油较低，燃油室内的炽热点会首先引燃机油进而点燃燃油，造成早燃现象出现。不同牌号机油含有的成分不一样，其燃点也就不同，本次试验过程中选用美孚1000#与美孚1#进行试验对比，如图1所示。

图1 机油验证

试验过程选择1800 r/min、2000 r/min的全负荷工况点进行测试，如图2、3所示。

图2 机油验证，2000 r/min、350 N·m

图3 机油验证，1800 r/min、350 N·m

使用美孚1号机油可以有效地降低发动机运行过程中的早燃现象。由机油化验结果可知美孚1号机油因其成分相比美孚1000，钙含量低而钼含量高，增加了机油的抗氧化性，这样一来机油的燃点升高，由曲轴箱通风系统、缸壁残留以及活塞环泵油效应等途径进入燃烧室的机油不易被引燃，从而降低了早燃现象发生。

由以上结果可知，发动机机油型号的选用直接影响发动机燃烧情况，甚至引起早燃。

2.2 压缩比验证试验

发动机压缩比的高低直接关系到发动机热效率的大小。提高压缩比可以增大发动机的热效率，改善燃油消耗率，从而降低整车油耗。但是高压缩比会增加发动机爆燃倾向，本试验过程中选用三种压缩比进行早燃验证试验，压缩比分别为9.3、9.6和10。试验结果如图4、5所示。

在本次试验过程中，压缩比的变化对早燃频次无明显影响。分析原因为，在火花塞点火前，小范围压缩比的变化对气缸内的温度场分布和压缩压力变化影响较小，在发动机运行过程中降低压缩比并不能抑制早燃现象的出现。

图4 不同压缩比验证，2000 r/min、350 N·m

图5 不同压缩比验证，1800 r/min、350 N·m

压缩比大小对压缩过程的湍动能、压力升高率、涡流比、滚流比都有一定影响，进而对火花塞点火后的燃烧运动影响较大。

2.3 活塞倒角验证试验

早燃发生的另一个主要原因为气缸内存在温度较高的残余废气，在发动机压缩过程中由残余废气在点火前引燃气缸内的混合燃气，如何减少气缸中间隙内的残余废气是改善早燃的措施之一。本次试验过程中将活塞火力岸进行倒角，以减少活塞与气缸壁之间的残留废气，如图6所示。

图6 活塞倒角

将活塞顶部进行45°倒角，活塞火力岸高度h由4.5 mm减小到3.2 mm。经CAE计算如果火力岸高度降低到3.2 mm以下，活塞强度不满足要求。

试验结果如图7、8所示。

活塞倒角对早燃现象有一定的改善效果，但是作用不明显。由试验结果分析可知该2.0L发动机的早燃现象，并非由燃烧室中间隙内的残余废气引起。

2.4 空燃比加浓试验

图7 活塞倒角试验，2000 r/min、350 N·m

图8 活塞倒角试验，1800 r/min、350 N·m

汽油发动机在燃烧过程中，通过加浓空燃比可以降低气缸内混合气的燃烧速率，进而降低排气温度。根据这一规律，我们在低转速早燃区域进行不同空燃比的验证试验，分析空燃比对发动机早燃的影响趋势，如图9、10所示。

图9 空燃比验证试验，2000r/min、350 N·m

图10 空燃比验证试验，2000 r/min、350 N·m

通过加浓空燃比可以有效地降低早燃发生的频次。主要原因有两个：一是由于有更多的燃油吸热，末端混合气温度降低，抑制了超级爆燃；二是同加浓混合气抑制普通爆燃一样，浓混合气的自燃温度较高，不容易形成早燃。但是加浓后比油耗大幅度增加，严重降低了发动机经济性，且加浓空燃比后排放、烟度都有不同程度的恶化[4]。

2.5 早燃影响因素

2.5.1 进排气相位

在低转速段加大进、排气门重叠角度，增加扫气效应，降低缸内热负荷和燃烧室壁面温度，抑制了诱导超级爆燃的早燃，使早燃发生的机率下降。

2.5.2 喷油供给

喷油器的设计安装角度应该避免燃油喷到气缸壁或者气门上，以免造成燃油与机油的混合或者加剧气门积碳，形成炽热点。

喷油相位以及多次喷射的选择同样会影响早燃发生的倾向，试验结果表明增大一喷相位与减小二喷相位能够降低早燃频次，但碳烟排放增加。

2.5.3 火花塞

火花塞直接暴露在燃烧室内，温度非常高，是引发早燃的炽热点之一。使用铜芯侧电极火花塞能够提高火花塞的导热能力，防止火花塞局部温度过高，从而抑制超级爆燃。但这也可能会影响点火能力，造成火花塞出现间歇性跳火。所以发动机开发初期需要严格匹配火花塞热值，避免因火花塞热值匹配不当引起早燃。

总之，早燃是发动机运行的异常燃烧表现[5]，与发动机设计的硬件如进排气系统、冷却系统、喷油器安装、气道滚流比、燃烧室形状、曲轴箱通风系统等等以及ECU控制参数，如点火时刻、喷油时刻、进排气相位角、燃油压力等均有直接关系，早燃因素分析结果如图11所示。

图11 早燃因素分析

3 结论

1）通过机油验证试验可知，由于不同牌号的机油中，其添加剂成分不同，如美孚1#机油中钙含量低而钼含量高），增加了机油的抗氧化性，通过改善发动机机油牌号可以有效降低发动机的早燃现象；

2）通过压缩比验证试验可知，在一定范围内加大或减小压缩比，对抑制早燃现象的出现效果不明显，通过优化压缩比并不能降低早燃现象发生频率；

3）通过活塞倒角试验可知，对本次试验用的2L增压直喷汽油机，增加活塞倒角的改善方案不能降低早燃发生的频率，其早燃的影响因素并非缸内残余废气所导致[6]；

4）通过空燃比加浓试验可知，加浓空燃比对于降低发动机的早燃频次有非常明显的效果，但是会严重降低发动机的油耗、排放水平。

1周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1999

2胡军军.采用两种燃烧模式的缸内直喷式汽油机的排放和性能研究[D].西安：西安交通大学，2002

3中国国家标准化管理委员会.GB/T 18297-2001汽车发动机性能试验方法[S].北京：中国标准出版社，2001

4李明.直喷汽油机稀薄燃烧与氮氧化物排放控制研究[D].天津：天津大学，2009

5王志，徐雅齐，王建昕，等.增压直喷汽油机扫气抑制爆震试验研究及模拟解析[J].内燃机工程，2013，34（4）：13~17

6Manfred Amann，Terrence Alger，Barry Westmoreland，et al.The effects of piston crevices and injection strategy on low-speed pre-ignition in boosted SI engines.SAE Paper 2012-01-1148

The Study of Pre-Ignition Improvement on TGDI Engine

Qiao Jiawei1，2，Wang Yifu1，2，Wang Jibo1，2，Ma Shaokang1，2，Qiao Chuang1，2，Yuan Lingfeng1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Pre-ignition is one of the disadvantage major elements to improve the performance of Turbocharged Direct Injection Gasoline（TGDI）engine at low speed&high load.A serious of quality problems such as spark plug ablation，piston damage were caused.The pre-ignition should be optimized during engine development.The mechanism was analyzed and different oil，compression ratio and air/fuel ratio was changed to improve the pre-ignition.The result shows that the frequency of pre-ignition was decreased by oil changing and air/fuel ratio.The compress ratio has no effect on pre-ignition.

Pre-ignition，Compression ratio，Air/fuel ratio，Oil

TK411+.2

A

2095-8234（2014）06-0044-04

2014-09-15）

乔佳伟（1985—），男，工程师，主要研究方向为发动机设计及性能开发。