高壓縮比直噴汽油機離子電流與燃燒特性的研究*

薛忠業，劉寅童，胡敏彰，鄧 俊，李理光,2

(1.同濟大學汽車學院，上海 200092； 2.同濟大學中德學院，上海 200092)

前言

與進氣道噴射(port fuel injection, PFI)相比，汽油缸內直噴(gasoline direct injection, GDI)在燃油經濟性、瞬態響應特性、循環變動和各缸均勻性等方面具有明顯優勢[1]。從缸內混合氣形成過程來看，缸內直噴時，燃油在氣缸內蒸發，汽化潛熱主要來自新鮮充量，能夠有效降低進氣溫度、提高充氣效率[2]。進氣溫度的降低和GDI分層稀燃工作大大抑制了GDI發動機的爆燃傾向，使其能采用更高的壓縮比(可達12～14)來提升發動機的效率[3]。

研究表明，壓縮比提高后，較高的缸內壓力、溫度和強勁的缸內渦流與紊流，使油氣混合更加均勻，燃燒更加充分，發動機的動力性獲得增強，但也更容易發生爆燃[7]。因此，對于缸內直噴發動機來說，研究其在不同壓縮比，特別是高壓縮比下的燃燒特性，對充分發揮缸內直噴技術優勢具有重大意義。

本文中通過對一臺EA888 2.0L TFSI發動機活塞結構的改造，增大其壓縮比，研究了汽油直噴發動機在高壓縮比下的缸內燃燒和離子電流特性，并分析了提高壓縮比所帶來發動機性能的變化。

1 試驗臺架介紹

采用的GDI發動機試驗臺架和離子電流檢測電路如圖1和圖2所示，試驗發動機參數如表1所示。以火花塞作為傳感器對離子電流信號進行檢測，并設置兩塊高壓硅堆分別隔離蓄能和點火干擾，試驗臺架基于16位MC9S12XS128單片機搭建了控制單元，基于LABVIEW編寫了上位機控制程序，采用CAN總線進行通信，該控制系統能夠靈活地對各缸點火和噴油等參數進行實時調節和監控。

采用交流電力測功機對發動機進行測試。通過Kistler 6125B型缸壓傳感器，并配合Kistler 5007型電荷放大器對缸壓進行測量。采用LC-1寬域氧傳感器對發動機的空燃比進行監控。發動機缸壓、曲軸、凸輪軸、光電編碼器、進氣壓力、瞬態排放和氧傳感器等信號均通過NIPCI-6250高速數據采集卡同步采集。

表1 發動機技術參數

2 活塞的改造

為了對比研究高壓縮比直噴汽油機的離子電流及燃燒特性，完成原機壓縮比9.6下的試驗后，對活塞進行改造，將發動機壓縮比提高至11.5。采用SmartSCAN三維掃描儀對原機燃燒室和活塞進行掃描，建立三維模型，進而精確設計和計算活塞上墊塊的形狀和體積，確保兩者可靠連接和改造后發動機的壓縮比，活塞改造方案如圖3示。

3 試驗結果與分析

試驗發動機冷卻水溫為90℃，進氣溫度為16℃，分別在轉速為1 300、1 500和1 800r/min時，對壓縮比為9.6和11.5下的缸內壓力和離子電流信號進行了對比和分析。

3.1 壓縮比對燃燒相位和離子電流相位的影響分析

為了分析高壓縮比時直噴汽油機燃燒相位的變化，以CA10和CA50(燃燒10%和50%累積放熱量對應的曲軸轉角)來表征缸內燃燒的相位特性，以離子電流起始Ion10相位(10%離子電流積分值所對應的曲軸轉角)和離子電流差分谷值dIonvalley相位來表征離子電流的相位特性，研究了不同壓縮比發動機在各個轉速(1 300、1 500和1 800r/min)下，CA10、Ion10、CA50和dIonvalley等相位隨空燃比而變化的關系，結果如圖4和圖5所示。由圖可見：在不同的轉速和空燃比下，Ion10與CA10和dIonvalley與CA50的相位變化趨勢都很一致；Ion10和dIonvalley所反映的離子電流相位始終滯后于CA10和CA50所反映的燃燒相位，且在不同的轉速下相位差都基本保持在10°CA左右，表明離子電流信號能夠準確反映燃燒的相位信息。

對比不同壓縮比下的燃燒相位變化，壓縮比提高以后，CA10和CA50均顯著提前，Ion10和dIonvalley相位也相應提前，且在不同的轉速和空燃比下提前量基本保持在1.5°CA左右，再次證明了離子電流信號在反映缸內燃燒相位時的可靠性。

3.2 壓縮比對指示平均有效壓力的影響分析

為了分析提高壓縮比對發動機指示平均有效壓力(IMEP)的影響，對其在不同轉速、空燃比下的IMEP進行了對比研究。考慮到離子電流能夠完整地反映整個缸內燃燒過程，以Ionint作為離子電流信號的累積量必然能夠反映發動機的循環做功能力，進而與發動機IMEP直接相關，本文中同時分析了提高壓縮比前后IMEP和Ionint在不同轉速下隨空燃比變化的關系，結果如圖6所示。由圖可見，不同工況下，Ionint都能很好地與IMEP相對應，具有明顯的相關性。

對比不同壓縮比下的IMEP變化，提高壓縮比使發動機IMEP顯著上升，不同工況下，IMEP均增加約0.02MPa，相應的Ionint獲得20V·°CA左右的增幅，這是由于，根據汽油機熱效率公式提高壓縮比可以提高循環的熱效率[13]，節氣門開度、轉速和空燃比相同時，發動機噴油量相同，因此完全燃燒放出的總熱量相同，而熱效率的提高使循環做功增加，IMEP升高。根據發動機的指示熱效率公式[13]，由于活塞改造前后工作容積不變，IMEP提高0.02MPa可使發動機指示熱效率上升2%～3%。

3.3 高壓縮比發動機的爆燃特性分析

提高壓縮比導致發動機的爆燃傾向加劇，為了分析爆燃發生的劇烈程度，并探索高壓縮比直噴汽油機規避爆燃的途徑，對爆燃工況時的缸壓和離子電流信號進行了采集，并在所采集的67個循環中發現爆燃循環14個。針對每個爆燃循環的缸壓和離子電流，本文中采用頻譜分析和高通濾波等方法，對其特征值進行了提取。圖7(a)為同一爆燃循環的缸壓、離子電流和離子電流差分信號，根據爆燃信號一般所在頻率范圍6～8kHz[4]，對缸壓和離子電流信號高通濾波，濾掉4kHz以下部分，得到高頻壓力和離子電流，見圖7(b)。以高頻壓力振蕩的最大幅值(圖7(b))作為該循環爆燃強度的評價指標(KIA，爆燃評價指標的一種[5])，同時提取相應曲軸相位時高頻離子電流振蕩的最大幅值fIonm(圖7(b))和離子電流差分峰值dIonpeak(圖7(a))作為參考，研究了爆燃強度指標KIA分別與fIonm和dIonpeak的線性相關性，結果如圖8所示。

發動機爆燃時，缸內壓力振蕩引發混合氣導電性變動，使爆燃特征較為完整地反映到離子電流信號中[6]，從圖8中可以發現，隨著爆燃強度的增加，爆燃相位處，離子電流中高頻信號幅值的分布呈增大趨勢，且其與爆燃強度KIA有較為明顯的線性相關性(相關系數為0.79)；本文中進一步研究了同出現于爆燃相位附近的dIonpeak值的變化，統計發現，隨著爆燃強度的增加，dIonpeak的分布亦呈增大趨勢，且其與爆燃強度KIA的線性相關性要稍優于fIonm(相關系數為0.82)，表明dIonpeak能有效地表示當前的爆燃劇烈程度，且在其特征值提取過程中無需濾波和頻譜分析，能夠有效縮短計算時間，適于作為反饋信號來控制缸內燃燒狀況，抑制爆燃的發生。

4 結論

(1) 提高壓縮比使整體燃燒相位和離子電流相位提前，且在不同工況下，反映離子電流相位信息的Ion10相位和dIonvalley相位分別與燃燒始點CA10和燃燒中心CA50始終保持一致的對應關系，表明離子電流信號能夠準確反映燃燒相位的變化，非常適于作為反饋控制信號控制、優化缸內燃燒特性。

(2) 壓縮比的提高，使發動機熱效率提高，有效功增加，IMEP上升；離子電流積分值Ionint與IMEP大小有很強的對應關系，可準確反映IMEP的變動。

(3) 高壓縮比增加了原發動機的爆燃傾向，限制了發動機工況向高負荷拓展，離子電流振蕩幅值fIonm和離子電流差分峰值dIonpeak均與爆燃強度評價指標KIA有較為明顯的線性關系，能夠較為準確地反映當前的爆燃劇烈程度。

(4) 通過改造活塞形狀來增加壓縮比的同時，使原有缸內流場受到一定影響，循環間變動有所加劇，試驗中不同工況下，循環變動系數均上升1.5%左右，在后續研究中，將配合三維模擬軟件對燃燒室流場進行模擬，指導改造活塞形狀，改善發動機在高壓縮比下的循環變動特性。

[1] Zhao F Q, Lai M C, Harrington D. Automotive Gasoline Direct-Injection Engines[M]. SAE Int.Ed,2002.

[2] 蔣堅,高希彥.汽油缸內直噴式技術的研究與應用[J].內燃機工程,2003,24(5):39-44.

[3] 夏淑敏,邱先文,趙新順,等.車用汽油機缸內直噴技術的研究現狀與展望[J].農業機械學報,2003,34(5):168-171.

[4] Heywood J B. Internal Combustion Engine Fundamentals[M]. New York: Mcgraw-hill,1988.

[5] 武得鈺,顧笑映.火花點火發動機爆燃強度評價指標的研究[J].內燃機學報,1997,15(1):62-70.

[6] Nick Collings, Steve Dinsdale, Derek Eade. Knock Detection by Means of the Spark Plug[C]. SAE Paper 860635.

[7] 李東福,王振權.淺談發動機壓縮比[J].農機使用與維修,2004(1):32-32.

[8] Ayala F A, Gerty M D, Heywood J B. Effects of Combustion Phrasing, Relative Air-fuel Ratio, Compression Ratio, and Load on SI Engine Efficiency[C]. SAE Paper 2006-01-0229.

[9] 阮見明,董健,潘志翔,等.壓縮比對內燃機性能的影響研究[J].內燃機,2011,(3):13-15.

[10] 張運泰,伊學軍,王利,等.汽油機爆燃的原因分析及對策[J].內燃機配件,2004,(6):26-27.

[11] 張力,李玉華,朱長友,等.時域缸壓信號爆燃識別及強度評價的動態窗口域方法[J].內燃機工程,2009,30(6):88-92.

[12] Munoz R H, Han Zhiyu, et al. Effect of Compression Ratio on Stratified-charge Direct-Injection Gasoline Combustion[C]. SAE Paper 2005-01-0100.

[13] 周龍保,劉巽俊,高宗英.內燃機學[M].北京:機械工業出版社,2005.