氣道噴射增壓機型超級爆震問題解決與燃燒系統優化

　喬海波　劉黎敏　李克俊　張梓龍　石峻銘（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

氣道噴射增壓機型超級爆震問題解決與燃燒系統優化

喬海波1,2劉黎敏1,2李克俊1,2張梓龍1,2石峻銘1,2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

基于一臺1.5L氣道噴射增壓機型設計驗證過程中活塞燒蝕、環岸斷裂問題，引出近些年才逐漸暴露出的氣道噴射增壓機型超級爆震問題，并提供了一種質量問題分析解決辦法和正逆向燃燒系統優化思路。正向角度探究潛在失效問題真因，從根源方面消除潛在失效風險，逆向角度增強燃燒系統零部件的抗失效能力，最高效地降低甚至消除故障的潛在可能性。針對燃燒系統這一多因素綜合作用的復雜問題，不需要過多考慮單一因素對于目標的貢獻量大小，在不產生負面效果的基礎上，應盡可能地考慮各子因素的疊加作用，以消除潛在失效風險。

氣道噴射增壓活塞燒蝕環岸斷裂超級爆震

引言

隨著全球汽車保有量的增加，日益繁重的交通壓力所造成的安全問題不容忽視，各大汽車廠商均有因各種安全隱患而大量召回的實例，其中不乏一些因為發動機本身設計匹配所導致的質量問題。

活塞[1]，作為發動機燃燒系統中工作環境最為惡劣的運動件，其承受燃料燃燒所產生的高溫高壓和高頻沖擊，并將燃料發出的熱能通過曲柄連桿機構轉換為發動機的輸出轉矩，發揮著整個發動機的核心作用。當發動機出現超級爆震時，其爆壓可達正常值的2~3倍，遠超過發動機設計最大爆發壓力，對活塞及其他燃燒室零部件造成嚴重破壞。

1　活塞失效問題描述

某四缸氣道噴射汽油機整車試驗過程中出現多例加速無力、發動機鐺鐺異響，且排氣管冒藍煙等故障，對駕駛性造成了非常惡劣的影響，對于高速行駛的汽車也存在嚴重的安全隱患。拆解發動機發現均為活塞燒蝕、活塞環岸斷裂、活塞裙部碎裂等故障，并伴隨有不同程度的火花塞鼻端陶瓷體燒蝕、斷裂、碎裂等，詳見圖1。

圖1　活塞失效故障圖片

2　活塞失效故障分析

2.1活塞本體結構分析

以活塞裙部斷裂情況為例，對失效活塞進行常規觀察，如圖2所示，一環岸斷裂發生在次推力面，開始于一環槽，延伸至裙部。8倍率觀察失效起始區域，未見任何明顯鑄造缺陷。100倍率放大觀察斷裂區域，原始的硅晶體和金屬間化合物均勻一致地分布在各等大的固溶體基質中，屬常規現象，金相組織正常。在火力岸頂面能觀察到清晰的爆震痕跡，特征是存在陽極氧化層和鋁基層材料損失的明顯侵蝕痕跡，判定該斷裂形態具有典型的異常燃燒引起材料機械過載特征。

圖2　活塞失效觀察圖

2.2問題再現與確認

模擬故障車輛失效發生時的運行工況，對該發動機進行臺架試驗驗證，發現在低速大負荷區域存在異常燃燒，最大爆壓達到23MPa，并伴隨劇烈壓力震蕩，如圖3所示，也就是所謂的超級爆震，與失效活塞檢測得出的失效判定原因相吻合。

圖3　異常燃燒缸壓曲線

綜上,判定導致該機型活塞燒蝕、環岸斷裂等故障的原因是發動機異常燃燒產生了超級爆震，高溫、高壓和高頻壓力震蕩導致了失效發生，因此解決此問題的根本措施是優化燃燒系統、消除異常燃燒。

3　早燃影響因素分析

借鑒前期各機構研究成果，針對容易引起異常燃燒的發動機邊界條件一一進行排查驗證，總結各因素對燃燒的影響規律。

3.1汽油、機油油品分析

燃油品質一定程度上決定了燃燒質量的好壞[2]，劣質的機油不僅容易導致抗爆性能的不足，也會使燃燒室內嚴重積碳，導致壓縮比升高，進而引發異常燃燒。美國西南研究院研究發現[3]，芳香烴（汽油調和劑）含量的不同對早燃發生頻率有不同程度影響,如圖4所示,低的芳香烴含量有助于抑制早燃的發生。

圖4　芳烴對早燃的影響

多家機構研究發現[4]，附著在缸孔內壁或者通過曲軸箱通風系統等各種途徑進入燃燒室的機油，與噴入燃燒室的燃油混合會發生復雜化學反應，生成一種自燃點較低的長鏈HC結構，在某些特定工況下被缸內高溫點燃,形成早燃,嚴重者引發超級爆震。

因此，車輛運行應盡可能使用主機廠經過試驗驗證的指定牌號機油以及不低于指定牌號的燃油，以保證發動機性能，防止因油品差異引起失效問題的發生。

3.2沉積物對燃燒的影響

燃油在貯存、運輸過程中，容易發生氧化反應，生成膠狀物質。這些膠狀物質按汽油的溶解性可分為：可溶膠質和不可溶膠質。可溶膠質進入燃燒室和汽油一起燃燒后，就會在進氣門、活塞頂部、活塞環槽、燃燒室、火花塞等部位形成許多堅硬的積碳。

發動機工作時，燃油或竄入燃燒室的潤滑油也不可能百分之百燃燒，未燃燒的部分油料在高溫和氧的催化作用下形成鹽酸和樹脂狀的膠質，粘附在零件表面上，再經過高溫作用進一步濃縮成瀝青質和油焦質等復雜的混合物，即所謂的積碳。

這些積碳主要通過三種方式影響超級爆震，一是阻礙燃燒室傳熱效果，使隨后換氣過程中的氣體溫度處于相對較高水平；二是這些積碳從燃燒室壁面脫離之后，成為熱點；三是減少了燃燒室容積,提高了壓縮比,造成燃燒室壓力溫度過高,引發早燃。

3.3燃燒室結構的影響

燃燒室是由缸蓋、缸體、活塞等零部件共同組合而成，對于非完全鑄造型的燃燒室，在加工過程中難免會形成一些尖點結構，在連續的缸內燃燒加熱下，這些尖點溫度逐漸升高，形成熾熱點，在某些特定工況引發混合氣的自燃。

在發動機詳細設計階段，應對影響燃燒系統冷卻的水套結構及活塞冷卻噴嘴的工作條件與燃燒室溫度進行充分的分析匹配，確保缸蓋、活塞燃燒室等工作在合理溫度范圍內。

3.4火花塞性能的影響

車用發動機依照負載、工作原理、壓縮比、轉速、冷卻方式、燃油的不同而具有不同的特性。同一支火花塞可能在一種發動機中形成高熱狀態，而在另一種發動機中僅僅達到較低的工作溫度。熱值過高，即散熱不夠，火花塞溫度過高，會導致爆燃，易使火花塞頭部陶瓷燒損、電極熔解等；而熱值過低，散熱過快，易使火花塞溫度過低，絕緣體尖端會被燃燒的沉積物嚴重淤塞，形成分流回路而使點火失敗。同樣有數據顯示，在火花塞熱值匹配試驗中，某一個循環失火后，下一個循環容易出現超級爆震。高、低熱值火花塞結構對比見圖5。

圖5　高、低熱值火花塞結構對比

4　改善措施及效果驗證

4.1汽油油品分析

針對該故障原因的分析，主要從燃油抗爆性、膠質含量、烴含量，機油的金屬成分含量等方面進行了檢測和分析。

相關檢測參數功能如表1所示，具體檢測結果如表2所示。

表1　相關檢測參數功能

表2　汽油檢測結果

根據GB 17930-2013《車用汽油》，故障機2所用燃油烯烴含量略高于標準，其他相關參數均滿足國標要求，未見明顯異常。

4.2積碳問題確認

4.2.1早燃試驗驗證

怠速工況燃燒穩定性較差，缸內易形成積碳，因此將此工況作為累積積碳的試驗工況，對該工況運行前后的超級爆震情況進行比較，確定積碳對發動機早燃問題的影響程度。

為確保試驗準確性，在相同條件下分別對三個轉速對比驗證三次，分別取三個轉速的平均值進行對比，如圖6所示。

圖6　怠速前后異常燃燒頻次

經驗證，怠速后的超級爆震出現頻次明顯高于怠速前。也就是說，沉積物的增加使缸內散熱不良，燃燒溫度升高，加重了超級爆震情況。

4.2.2空燃比確認

針對此問題，對整車NEDC工況空燃比閉環控制情況進行確認，驗證NEDC各運行工況下空燃比實際情況,如圖7所示。結果顯示過量空氣系數均在1左右，滿足該工況的理論混合氣要求。

全負荷工況下為提升性能、降低排氣溫度以保護增壓器、催化器等，不可避免地需對混合氣有不同程度加濃，而且加濃后對降低燃燒室溫度，降低超級爆震問題發生概率是有利的。

圖7　 NEDC循環工況空燃比檢測

4.3燃燒室結構優化

4.3.1溫度場測量

FEV研究指出燃燒室壁面溫度大于680~1000K時都有可能引起混合物自燃，為確定組成燃燒室的活塞和缸蓋壁面是否因溫度過高而引起早燃，對缸蓋和活塞燃燒室進行溫度場測試，按照圖8中所示位置布置溫度場測點，測量發動機經0.5h磨合后在全速全負荷工況穩定運行2h，試驗后測量嵌入在測點的硬度塞的狀態變化以確定燃燒溫度。活塞和缸蓋測點的溫度測試結果如圖9所示。

圖8　溫度場測點分布

圖9　溫度場測量結果

由試驗結果可見，各缸溫度分布基本一致，其中活塞溫度場四缸測點6（前端火力岸）溫度最高，為239℃（512K）,燃燒室中心溫度232℃（505K）。缸蓋溫度場三缸測點15（排氣法蘭面）溫度最高，為279℃（552K），燃燒室最高溫度（排氣鼻梁區）為270℃（543K），均未達到FEV判定的自燃溫度。

4.3.2結構優化驗證

為確認尖角結構影響，對活塞及缸蓋燃燒室結構進行優化，去除缸蓋進排氣門間尖點，優化活塞鼻梁區擠氣結構，如圖10所示。

圖10　活塞、缸蓋優化前后結構對比

共進行三次反復驗證，試驗結果如圖11所示，可見燃燒室結構優化后對超級爆震問題并無明顯改善，并不是造成活塞失效問題的主因。

圖11　燃燒室結構優化驗證結果，1 800r/min工況

4.4火花塞熱值更改

4.4.1熱值更改及驗證

將火花塞熱值8調整到6，即增加火花塞中心電極鼻端陶瓷體與金屬殼體接觸面積，減小吸熱面積，增加散熱面積，以降低陶瓷體溫度，降低其溫度過高引起混合氣自燃的風險。試驗結果如圖12所示。

圖12　火花塞熱值更改驗證結構，1 800r/min工況

超級爆震頻次平均3×10-6，滿足行業內通用的5×10-6以內的接受標準。隨后對包含其他轉速在內的五個外特性點再次驗證，均滿足5×10-6接受標準，如圖13所示。

圖13　其他轉速驗證結果

由此確認，引起異常燃燒的根本原因為火花塞熱值不合理，火花塞局部高溫形成了缸內熱點，促使混合氣自燃。

4.4.2風險識別及確認

為防止火花塞熱值更改后所帶來的積碳嚴重和失火等失效風險，采用廠家推薦的鼻端傘棱結構型式，如圖14所示，該型式可避免鼻端陶瓷體表面積碳后火花爬至陶瓷體根部導致缸內失火的問題，如積碳嚴重，電火花在傘棱處對金屬殼體放電，可正常點燃缸內混合氣，并且對表面積碳起到清潔作用，如圖15所示。針對該型式火花塞，在經過試驗臺架上的火花塞匹配試驗、可靠性試驗，和參照日標JISD 1606《汽車火花塞適應性試驗》機型的低溫循環啟動試驗后，試驗結果通過，滿足使用要求。

圖14　火花塞結構優化對比

圖15　鼻端陶瓷體傘棱結構火花塞放電試驗

4.5標定策略優化

該項優化是對超級爆震問題解決效果的加強以及對汽車發動機提供逆向保護功能，目的是通過一系列標定數據動作防止發動機在某些異常情況下出現連續性的超級爆震導致嚴重失效問題出現。通常在增壓直噴機型中已經具備該功能。

4.5.1控制策略

1）20s內出現1次早燃，系統加濃且作用一段時間；2）20s內出現2次早燃，系統減小氣門重疊角；3）20s內出現3次早燃，系統自動將最大負荷降低40%。

4.5.2策略設定

首先，對超級爆震燃燒數據進行大量的統計分析，如圖16所示，得出超級爆震爆發壓力峰值在10 ~20°CA ATDC范圍內，并對達到發動機設計最大爆發壓力的燃燒循環在該轉角范圍內轉化的爆震傳感器電壓信號強度進行積分計算，將積分值作為觸發超級爆震保護策略的閾值。設定ECU對該曲軸轉角內爆震信號積分值進行監控，并按照上述控制策略進行保護動作。

圖16　超級爆震燃燒數據

4.5.3小結

電控系統策略只能在出現超級爆震之后才開始采取保護措施，進行發動機保護，但已經出現的超級爆震對發動機的損壞無法避免。一定周期循環后，發動機未出現超級爆震，控制系統才能恢復正常，使發動機性能也恢復正常，待下一次超級爆震出現后再次進行保護控制。

5　結論

1）本文中涉及到的活塞燒蝕、環岸斷裂問題的真因，是發動機產生異常燃燒，即超級爆震，缸內高的爆發壓力、高頻壓力震蕩和高的燃燒溫度最終造成了活塞的燒蝕和斷裂失效。

2）火花塞熱值不合理，散熱不良，造成中心電極陶瓷體溫度過高，是本案例中引起早燃進而導致超級爆震的主要原因。

3）火花塞熱值由8改為6后，超級爆震的發生頻次由初始的40~50×10-6降低到5×10-6可接受范圍內。

4）為避免低熱值火花塞造成積碳過多引起點火失效問題，改良了鼻端陶瓷體結構，采用傘棱結構，有效降低了失火概率。

5）為進一步保證發動機的運行安全，開發并應用了氣道噴射控制系統的早燃保護策略，在發生超級爆震后實施一系列保護控制，避免連續的超級爆震造成發動機零部件失效。

6）因發動機設計形態各不相同，不同的機型所產生超級爆震的原因也不盡相同，本文中提到的各項驗證措施，均為潛在的早燃觸發原因，所采取的試驗驗證方法和思路可供后續機型的設計開發工作借鑒參考。

1周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，1999

2倪計民.汽車內燃機原理[M].上海：同濟大學出版社，1998

3 Manfred Amann，DariusMehta，Terrence Alger.Engine operating condition and gasoline fuel composition effects on lowspeed pre-ignition in high-performance spark ignited gasoline engines[R].SAE Paper 2011-01-0342

4 Manfred Amann，Terrence Alger，Barry Westmoreland.The Effects of piston crevices and injection strategy on lowspeed pre-ignition in boosted SI engines[R].SAE Paper 2012-01-1148

The Solution of Superknocking and Optim izing of Combustion System of a PFITurbocharged Engine

Qiao Haibo1,2,Liu Lim in1,2,LiKejun1,2,Zhang Zilong1,2,Shi junm ing1,2
1-Technical Center，GreatWallMotorCompany Limited（Baoding,Hebei,071000China）2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Based on the piston erosion and 1st land fracture problem ofa 1.5L PFIturbo charged engine, we focus on the Super Knock of PFI turbo charged engine in recent years,and present a quality problem solution and the forward-reverse direction thinking to optimize the combustion system.For the forward direction,we research the real reason of the Super Knocking,and remove the potential failuremode and effects,for the reverse direction,improving the intensity of related parts,and removing thebaneful influence to themarket.For the combustion system including many factors,it is unnecessary to take notice of how much each factor can influence combustion.If it is notbad for the engine theoretically,we should add all these factors together tomake theenginebetter.

PFI,Turbo charged,Piston erosion,Piston land fracture,Super Knocking

TK411+.2

A

2095-8234（2016）02-0032-07

2016-01-06）

喬海波（1987-），男，助理工程師，主要研究方向為汽車發動機燃燒系統零部件研究設計及整機性能開發。