增压汽油机在高温环境下早燃实验及控制策略

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心 广西 柳州 545007）

引言

早燃是在火花塞点火之前，由于缸内温度过高将燃烧室内的混合气点燃而引起的一种汽油机异常燃烧现象。当汽油机发生早燃后，缸内压力会迅速上升并且超过缸内压缩压力。早燃的前期燃烧阶段会导致未燃的终燃混合气压力及温度上升速度远超过正常火花塞点火产生的火焰前锋面的速度。如果早燃是在远离火花塞正常点火提前角的角度上发生时，缸内的燃烧压力会远超过发动机在正常燃烧时的压力，即会导致非常剧烈的爆震--超级爆震。超级爆震产生的巨大的燃烧压力和剧烈的缸压震荡将会对发动机造成很大的危害[1-2]。普通增压机在开发匹配及耐久试验时往往仅在标准温度（环境温度为25±5℃，中冷后进气温度45±5℃）下进行。实际生活中汽车是在不同地区不同季节的各种道路上行驶，发动机就得跟随整车在不同环境温度下运转。而整车上的进气中冷器大部分是由环境中的空气进行冷却的，当环境温度升高后中冷器的冷却能力也会下降，这样进入发动机内的进气温度也会相应升高。因此，在标准条件下进行的试验发动机虽然无早燃发生或早燃发生的次数在可接受范围内，但是当环境温度和进气温度都升高后可能会引发发动机发生较多的早燃，从而导致火花塞或发动机的其它运转零部件损坏。

1 试验台架与发动机

本实验采用一台排量为1.5 L 四气门普通增压汽油发动机，安装缸压火花塞和燃烧分析仪等设备后在AVL 台架上进行。在进行实验前先将台架间进气空调和环境空调关闭，仅往室内送风和抽风让台架内有新鲜空气进行循环。然后通过把发动机调到高转速大负荷下运行来提升室内环境温度，当环境温度提高到目标值后关闭进气中冷器使中冷后的进气温度达到目标值。待环境温度和中冷后进气温度都达到目标值后就开始进行高温早燃试验。

试验发动机主要参数如表1 所示。

表1 发动机及实验调整参数

试验所用主要设备如表2 所示。

表2 实验设备清单

发动机燃烧室如图1 所示。

图1 发动机燃烧室

2 超级爆震测量及判断方法

目前汽油发动机的超级爆震判断标定标准主要是以测量缸内发生的最大压力值为判断标准。本试验采用的发动机，设计正常燃烧时的最大缸内压力为8 Mpa 左右，当发生超级爆震时缸内压力会远超正常燃烧值。对于本发动机，当缸内最大压力超过11 Mpa 时就可判定发生了超级爆震。通过采用缸压传感器将缸内压力信号接到燃烧分析仪后进行测量，并且同时接通爆震音箱通过音箱传出的燃烧声音进一步确认是否出现了超级爆震。图2 为燃烧分析仪测量出的早燃信号图[3-6]。

图2 缸压传感器测量早燃

3 实验过程及结果

把发动机的水温、油温及进气温度和环境温度调到目标值后调整发动机到目标转速和负荷，开始测量记录；当发动机发生早燃次数超过可接受范围时则停止实验，重新调整发动机的运行参数再继续试验。把满足早燃条件要求的发动机工况记录下来，主要记录在设定温度边界下满足早燃条件时发动机对应的转速，增压压力，进排气VVT，空燃比和点火角以及在该工况下早燃发生的次数等关键数据，为后期的数据预设提供参考。表3 为1 600 rpm 早燃发生次数最多的工况下调整各种参数的早燃测量过程结果。

表3 参数调整及超级爆震测量结果

由实验可得出随着环境温度及进气温度升高，进入燃烧室内的混合气温度也跟着升高，从而更容易引起汽油机发生早燃。图3 为中冷后进气温度为60 ℃时1 600 rpm 全负荷工况实验过程中INDICOM记录的早燃情况及超级爆震情况，温度升高到60℃后共触发早燃发生了13 次，有2 次压力超过11Mpa,为超级爆震。

图3 缸内压力及早燃记录

从以上实验结果可以看出，当进气温度升高后发动机早燃倾向变大，容易引起超级爆震。如果仅通过调整进、排气VVT 或喷油时刻，对发动机的高温早燃影响不大；通过加浓空燃比并同时调整点火提前角后可以比较有效抑制超级爆震发生的次数。当进气温度进一步升高后，把空燃比加浓到极限值也无法有效控制早燃的发生，此时只能在加浓空燃比和调整点火角的基础上再降低发动机的负荷才能够有效控制发动机早燃发生。

4 高温早燃新数据预设

根据实验测量出发动机不同环境温度和进气温度下的安全运行工况后，将实验所得数据预设到发动机的ECU 控制模块中，主要有不同进气歧管温度对空燃比的修正表、不同冷却水温和不同进气歧管温度的点火角修正表和不同进气歧管温度增压压力限值表共3 个预设表。以下为3 个表格的预设值：

5 新参数设置检查验证结果

将参数数据预设好后置于发动机上并在台架上再进行高温实验，新数据在发动机上只有通过在不同温度下各个工况运行的4 500 个循环出现的超级爆震次数均在可接受范围内，这个试验才算通过实验验证要求，新数据才可正式应用在整车上。以下为新数据使用在发动机上后，在台架上对发动机的超级爆震测量结果：

表4 进气温度空燃比修正系数表

表5 水温和进气温度的点火角修正表

表6 进气温度的增压压力限值表

表7 新数据验证超级爆震测量结果

6 结论

本文利用AVL 台架对一台普通增压汽油机进行模拟高环境温度和高进气温度下的早燃情况，并在实验中寻找出可以降低汽油机在高温环境和高进气温度下超级爆震发生次数的控制策略方法，使发动机能够在高温环境下安全运行。通过实验得到如下结论：

1）当环境温度与进气温度升高后发动机早燃倾向变大，增压汽油发动机在高温环境下更容易频繁早燃引发超级爆震。

2）通过调整发动机的进、排气VVT 角度和调整燃油在进气歧管喷射时间对早燃影响不明显，当环境温度和进气温度升高后无法通过调整VVT 和喷油时间来消除早燃或减少超级爆震。

3）当环境温度与进气温度升高幅度不大时（在60℃左右），可通过加浓空燃比和调整点火提前角来有效抑制早燃，减少超级爆震发生的次数，使汽油发动机在安全范围内正常运行。

4）当环境温度与进气温度进一步升高后，必须要通过加浓空燃比、减小点火提前角和降低发动机的负荷（降低增压压力）3 个方面同时共同调整才能够有效控制早燃发生，使超级爆震发生在可接受范围内[7]。