增壓直噴汽油發動機早燃現象改善的研究

喬佳偉 王義夫 王繼波 馬少康 喬闖 袁凌峰

（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

增壓直噴汽油發動機早燃現象改善的研究

喬佳偉1，2王義夫1，2王繼波1，2馬少康1，2喬闖1，2袁凌峰1，2

（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

低速大負荷早燃現象是制約增壓直噴汽油發動機低速性能提升的主要因素之一，早燃易導致發動機火花塞燒蝕、活塞熔頂等質量問題，所以在發動機設計開發過程中必須對早燃問題加以優化改善。闡述了早燃產生的機理，更換不同機油、改變壓縮比以及空燃比進行試驗，結果表明：更換機油以及改變空燃比能夠降低早燃頻次，改變壓縮比對早燃無影響。

早燃壓縮比空燃比機油

引言

早燃，即超級爆燃[1]，是指在正常點火之前，燃燒室內的混合氣由氣缸內的熱點引燃，發生的大面積自燃現象。

因此，早燃無法通過推遲點火提前角來阻止，這一點與常規爆燃完全不同。超級爆燃對發動機的危害極大，會使火花塞電極熔斷、活塞環斷裂、活塞頂部燒蝕、連桿彎曲等，甚至導致發動機損毀。

通過分析早燃產生的原因，本文從不同機油牌號、不同壓縮比、不同活塞火力岸高度等幾個方面對早燃現象進行驗證測試。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 發動機

某工作狀態良好的2.0 L直噴汽油發動機[2]，能夠精確計算進氣量、噴油量，試驗提供滿足發動機需求的低壓供油系統。發動機參數如表1所示。

1.2 測功機

裝備完好的電力測功機，包括機油外循環冷卻裝置、冷卻液外循環裝置、風機、以及溫度、壓力傳感器數支。

1.3 輔助設備

測量HC、NOx的排放分析儀，測量各缸燃燒情況的燃燒分析儀，用于測量煙度的濾紙式煙度儀和不透光式煙度分析儀。

表1 試驗發動機主要參數

1.4 試驗方法

1）進行全負荷性能摸底[3]，確定該發動機早燃發生的區域（本次試驗確定的轉速為1800 r/min、2000 r/min的全負荷工況）；

2）每個工況連續運轉50萬個工作循環，如2000 r/min運轉2.05 h；

3）記錄試驗過程中早燃發生的頻次，以及發生早燃時對應的燃燒壓力Pmax，缸壓與曲軸轉角對應關系。

2 試驗內容

2.1 機油驗證試驗

發動機運行過程中，有少量的機油會通過曲軸箱通風系統以及活塞與氣缸壁之間的油膜進入燃燒室參與燃燒。由于機油的燃點相對燃油較低，燃油室內的熾熱點會首先引燃機油進而點燃燃油，造成早燃現象出現。不同牌號機油含有的成分不一樣，其燃點也就不同，本次試驗過程中選用美孚1000#與美孚1#進行試驗對比，如圖1所示。

圖1 機油驗證

試驗過程選擇1800 r/min、2000 r/min的全負荷工況點進行測試，如圖2、3所示。

圖2 機油驗證，2000 r/min、350 N·m

圖3 機油驗證，1800 r/min、350 N·m

使用美孚1號機油可以有效地降低發動機運行過程中的早燃現象。由機油化驗結果可知美孚1號機油因其成分相比美孚1000，鈣含量低而鉬含量高，增加了機油的抗氧化性，這樣一來機油的燃點升高，由曲軸箱通風系統、缸壁殘留以及活塞環泵油效應等途徑進入燃燒室的機油不易被引燃，從而降低了早燃現象發生。

由以上結果可知，發動機機油型號的選用直接影響發動機燃燒情況，甚至引起早燃。

2.2 壓縮比驗證試驗

發動機壓縮比的高低直接關系到發動機熱效率的大小。提高壓縮比可以增大發動機的熱效率，改善燃油消耗率，從而降低整車油耗。但是高壓縮比會增加發動機爆燃傾向，本試驗過程中選用三種壓縮比進行早燃驗證試驗，壓縮比分別為9.3、9.6和10。試驗結果如圖4、5所示。

在本次試驗過程中，壓縮比的變化對早燃頻次無明顯影響。分析原因為，在火花塞點火前，小范圍壓縮比的變化對氣缸內的溫度場分布和壓縮壓力變化影響較小，在發動機運行過程中降低壓縮比并不能抑制早燃現象的出現。

圖4 不同壓縮比驗證，2000 r/min、350 N·m

圖5 不同壓縮比驗證，1800 r/min、350 N·m

壓縮比大小對壓縮過程的湍動能、壓力升高率、渦流比、滾流比都有一定影響，進而對火花塞點火后的燃燒運動影響較大。

2.3 活塞倒角驗證試驗

早燃發生的另一個主要原因為氣缸內存在溫度較高的殘余廢氣，在發動機壓縮過程中由殘余廢氣在點火前引燃氣缸內的混合燃氣，如何減少氣缸中間隙內的殘余廢氣是改善早燃的措施之一。本次試驗過程中將活塞火力岸進行倒角，以減少活塞與氣缸壁之間的殘留廢氣，如圖6所示。

圖6 活塞倒角

將活塞頂部進行45°倒角，活塞火力岸高度h由4.5 mm減小到3.2 mm。經CAE計算如果火力岸高度降低到3.2 mm以下，活塞強度不滿足要求。

試驗結果如圖7、8所示。

活塞倒角對早燃現象有一定的改善效果，但是作用不明顯。由試驗結果分析可知該2.0L發動機的早燃現象，并非由燃燒室中間隙內的殘余廢氣引起。

2.4 空燃比加濃試驗

圖7 活塞倒角試驗，2000 r/min、350 N·m

圖8 活塞倒角試驗，1800 r/min、350 N·m

汽油發動機在燃燒過程中，通過加濃空燃比可以降低氣缸內混合氣的燃燒速率，進而降低排氣溫度。根據這一規律，我們在低轉速早燃區域進行不同空燃比的驗證試驗，分析空燃比對發動機早燃的影響趨勢，如圖9、10所示。

圖9 空燃比驗證試驗，2000r/min、350 N·m

圖10 空燃比驗證試驗，2000 r/min、350 N·m

通過加濃空燃比可以有效地降低早燃發生的頻次。主要原因有兩個：一是由于有更多的燃油吸熱，末端混合氣溫度降低，抑制了超級爆燃；二是同加濃混合氣抑制普通爆燃一樣，濃混合氣的自燃溫度較高，不容易形成早燃。但是加濃后比油耗大幅度增加，嚴重降低了發動機經濟性，且加濃空燃比后排放、煙度都有不同程度的惡化[4]。

2.5 早燃影響因素

2.5.1 進排氣相位

在低轉速段加大進、排氣門重疊角度，增加掃氣效應，降低缸內熱負荷和燃燒室壁面溫度，抑制了誘導超級爆燃的早燃，使早燃發生的機率下降。

2.5.2 噴油供給

噴油器的設計安裝角度應該避免燃油噴到氣缸壁或者氣門上，以免造成燃油與機油的混合或者加劇氣門積碳，形成熾熱點。

噴油相位以及多次噴射的選擇同樣會影響早燃發生的傾向，試驗結果表明增大一噴相位與減小二噴相位能夠降低早燃頻次，但碳煙排放增加。

2.5.3 火花塞

火花塞直接暴露在燃燒室內，溫度非常高，是引發早燃的熾熱點之一。使用銅芯側電極火花塞能夠提高火花塞的導熱能力，防止火花塞局部溫度過高，從而抑制超級爆燃。但這也可能會影響點火能力，造成火花塞出現間歇性跳火。所以發動機開發初期需要嚴格匹配火花塞熱值，避免因火花塞熱值匹配不當引起早燃。

總之，早燃是發動機運行的異常燃燒表現[5]，與發動機設計的硬件如進排氣系統、冷卻系統、噴油器安裝、氣道滾流比、燃燒室形狀、曲軸箱通風系統等等以及ECU控制參數，如點火時刻、噴油時刻、進排氣相位角、燃油壓力等均有直接關系，早燃因素分析結果如圖11所示。

圖11 早燃因素分析

3 結論

1）通過機油驗證試驗可知，由于不同牌號的機油中，其添加劑成分不同，如美孚1#機油中鈣含量低而鉬含量高），增加了機油的抗氧化性，通過改善發動機機油牌號可以有效降低發動機的早燃現象；

2）通過壓縮比驗證試驗可知，在一定范圍內加大或減小壓縮比，對抑制早燃現象的出現效果不明顯，通過優化壓縮比并不能降低早燃現象發生頻率；

3）通過活塞倒角試驗可知，對本次試驗用的2L增壓直噴汽油機，增加活塞倒角的改善方案不能降低早燃發生的頻率，其早燃的影響因素并非缸內殘余廢氣所導致[6]；

4）通過空燃比加濃試驗可知，加濃空燃比對于降低發動機的早燃頻次有非常明顯的效果，但是會嚴重降低發動機的油耗、排放水平。

1周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，1999

2胡軍軍.采用兩種燃燒模式的缸內直噴式汽油機的排放和性能研究[D].西安：西安交通大學，2002

3中國國家標準化管理委員會.GB/T 18297-2001汽車發動機性能試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2001

4李明.直噴汽油機稀薄燃燒與氮氧化物排放控制研究[D].天津：天津大學，2009

5王志，徐雅齊，王建昕，等.增壓直噴汽油機掃氣抑制爆震試驗研究及模擬解析[J].內燃機工程，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）

喬佳偉（1985—），男，工程師，主要研究方向為發動機設計及性能開發。