發(fā)動機早燃與控制

趙世來，張治國

（華晨汽車工程研究院動力總成設(shè)計處，遼寧 沈陽 110141）

前言

缸蓋、活塞、活塞環(huán)、缸體組成密封的空間，成為發(fā)動機燃燒室，可燃氣體在這里參與燃燒，實現(xiàn)能力的轉(zhuǎn)化。汽油機的缸內(nèi)燃燒主要可以分為兩大類：一是正常燃燒，二是不正常燃燒。下文進行詳細介紹。

1 早燃背景

1.1 早燃的基本概念

正常燃燒現(xiàn)象是指油氣混合氣在特定的發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角時刻被火花塞點燃，火焰從火花塞處傳播到整個燃燒室，最后到達缸壁，點燃所有的混合氣。不正常燃燒有爆震燃燒和早燃。

爆震燃燒指缸內(nèi)局部混合氣在正常燃燒火焰之前達到自燃，氣缸內(nèi)有2個或以上的火焰團，燃燒所產(chǎn)生的巨大沖擊力與活塞運動的方向相反，對缸壁、活塞，活塞環(huán)等產(chǎn)生沖擊，引起發(fā)動機震動。

早燃是指油氣混合氣在火花塞點火之前，已被燃燒室內(nèi)的熾熱點點燃而提前燃燒的現(xiàn)象，如白熾的積炭顆粒、凸出的金屬飛刺、過熱的火花塞或燒紅的排氣門等，缸內(nèi)壓力急劇上升。

這里主要講一下不正常燃燒中的早燃現(xiàn)象，早燃發(fā)生時伴隨有突爆聲，并會出現(xiàn)功率下降和發(fā)動機過熱的現(xiàn)象。增壓發(fā)動機雖然在不增加發(fā)動機排量的情況下，實現(xiàn)了較高的平均有效壓力，顯著提升了車輛的動力性。但伴隨著早燃傾向的增強。由于早燃是在火花塞點火之前油氣混合氣滿足自燃條件所產(chǎn)生的。因此不同于普通爆震，推遲點火角無法抑制早燃的發(fā)生。

圖1 早燃發(fā)生時的缸內(nèi)燃燒壓力信號

不同燃燒類型的缸內(nèi)壓力信號如圖1所示，由圖可以看出早燃發(fā)生時，缸內(nèi)的壓力在點火時刻之前就開始急劇升高，并在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生強烈的壓力震蕩波。

1.2 早燃特征

早燃的特征是功率下降，發(fā)動機工作不穩(wěn)定且有敲缸聲（較為沉悶），并有過熱現(xiàn)象。功率下降是因為燃燒最高壓力出現(xiàn)在循環(huán)的不適當(dāng)時刻，在壓縮時又消耗了較多的功。同時，因為這時燃燒是在散熱面積較大的情況下進行的，因而使傳給冷卻水的熱量增加，發(fā)動機于是就過熱。早燃所產(chǎn)生的壓力升高會增加機件的負荷，使它們加速磨損。使用經(jīng)驗表明，不很嚴(yán)重的早燃，往往表現(xiàn)在停止火花塞點火后，發(fā)動機仍繼續(xù)著火運轉(zhuǎn)。

早燃在外表特征上和爆燃是有些相似的，但它們的性質(zhì)和產(chǎn)生的原因卻完全不同。早燃產(chǎn)生在火花塞跳火之前，且無沖擊波產(chǎn)生；爆燃是在燃燒后期才產(chǎn)生的，且有沖擊波產(chǎn)生。早燃時混合氣的燃燒速度仍然是正常的，而爆燃時的燃燒速度卻超過正常值許多倍。

爆燃時由于發(fā)動機過熱而可能引起混合氣的早燃，所以爆燃和早燃可以在發(fā)動機內(nèi)同時發(fā)生。

1.3 早燃危害

早燃通常會引起超級爆震，產(chǎn)生較強的壓力波動，最大缸內(nèi)壓力可能達到300bar以上，對發(fā)動機內(nèi)部零部件造成較大的應(yīng)力沖擊，嚴(yán)重時，強度較大的連續(xù)早燃會直接引起火花塞陶瓷體、活塞及活塞環(huán)、排氣門、噴油器等零部件損害。圖2—圖4為發(fā)動機零部件由于頻繁發(fā)生早燃導(dǎo)致的失效案例。

圖2 火花塞電極燒蝕

圖3 氣門頭部金屬脫落

圖4 活塞被擊穿

圖5 活塞環(huán)岸斷裂

燃燒室內(nèi)的零部件損壞通常會進一步引起發(fā)動機外圍零部件的損壞，如缸體、連桿、曲軸等。因此，應(yīng)該需要及時檢測和控制早燃出現(xiàn)的頻次，降低發(fā)動機零部件損害的風(fēng)險。

1.4 誘發(fā)早燃的主要原因

致早燃產(chǎn)生的因素主要由以下幾種：1.4.1 機油液滴和沉積物

通過曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進入燃燒室的機油顆粒是誘發(fā)早燃的一部分原因；燃燒室內(nèi)的機油沉淀物，一部分會脫離缸蓋或活塞頂，懸浮在燃燒室內(nèi)。由于其自身熱容較高，且沒有合適的散熱條件，在隨后的換氣過程表面會維持相對較高的溫度，這些顆粒物可能會誘發(fā)前期的早燃。通常機油進入燃燒室的途徑有：（1）非正常的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)“竄油”；（2）通過氣門導(dǎo)管滲漏，缸壁刮入。

1.4.2 熱點

發(fā)動機在全負荷運行時，燃燒室內(nèi)的各零部件承受較高的熱負荷，缸內(nèi)混合氣很容易達到自燃溫度。熱負荷較高的零部件通常為：火花塞，排氣門，活塞，活塞環(huán)等。

1.4.3 缸內(nèi)的燃燒動力學(xué)

缸內(nèi)的滯留廢氣和回流廢氣對后續(xù)的燃燒有不利的影響，一方面影響新鮮充量的壓力和溫度，另一方面這些廢氣中包括一些活性元素，這些活性元素對燃燒動力學(xué)有很大影響，使得正常燃燒火焰在到達燃燒室各處前發(fā)生自燃現(xiàn)象，增加早燃傾向。

1.5 影響早燃傾向的因素

影響早燃傾向的原因有很多，大體可分為：發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計、燃油因素和發(fā)動機控制。如下圖6所示：

以上因素都可能誘發(fā)早燃的發(fā)生，如：發(fā)動機燃燒室的設(shè)計會影響缸內(nèi)熱點的分布（如鼻梁區(qū)附近的熱負荷），使缸內(nèi)熱應(yīng)力增大；燃油中所含有的不同C、H成分，促使缸內(nèi)形成較多的長碳鏈，這些較為穩(wěn)定的長碳鏈化合物，無法在燃燒中消除，沉積在燃燒室內(nèi)會形成熱點。

圖6 影響早燃傾向的因素

降低早燃傾向的根本措施，應(yīng)從發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計的源頭著手，減少缸內(nèi)熱點。這需要在發(fā)動機前期開發(fā)階段進行相關(guān)設(shè)計的優(yōu)化，例如：

（1）加裝活塞冷卻噴嘴，降低活塞表面的熱負荷，減少活塞表面形成熱點的幾率。

（2）增大火花塞自身的散熱，減少火花塞電極間形成熱點的幾率。

（3）采用高耐熱強度的氣門材料，減少進，排氣門處形成熱點的幾率。

（4）優(yōu)化進氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少進入缸內(nèi)雜質(zhì)顆粒物出現(xiàn)，減少顆粒物附著在缸內(nèi)形成炙熱點的幾率。

（5）優(yōu)化中冷器結(jié)構(gòu)，降低發(fā)動機進氣溫度。

（6）優(yōu)化發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，降低發(fā)動機機體溫度。

2 早燃控制策略

在發(fā)動機滿足一定運行條件時，早燃控制就能正常起作用，EMS系統(tǒng)會實時檢測爆震傳感器的信號，進行早燃強度計算，最終用于早燃識別。EMS系統(tǒng)識別到早燃后，需要通過合理的方式減少后續(xù)可能發(fā)生早燃的概率，達到保護發(fā)動機的目的。

圖7 早燃控制方式

一般識別到早燃后采取的控制方式有：（1）混合氣加濃，（2）減小氣門重疊角，（3）限制負荷，（4）斷油。在識別到早燃后的控制策略上不能采取較為激進的方式（如立即斷油等），這會帶來較差的駕駛感受。因此，早燃控制需要平衡發(fā)動機保護和駕駛性，找到適宜的控制方式。

2.1 混合氣加濃

EMS系統(tǒng)識別到早燃后，會優(yōu)先選擇加濃混合氣，降低缸內(nèi)溫度，降低后續(xù)發(fā)生早燃現(xiàn)象的風(fēng)險。通常識別到早燃后將混合氣空燃比加濃到0.75～0.8，混合氣太稀達不到抑制早燃的目的，混合氣太濃油耗排放會更惡化。偏濃的混合氣持續(xù)約10～15s。

2.2 減小氣門重疊角

EMS系統(tǒng)識別到早燃次數(shù)超過VVT動作的閥值，會觸發(fā) VVT往氣門重疊角減小的方向調(diào)節(jié)，此目的是為了降低缸內(nèi)殘余廢氣量，抑制早燃傾向。對于帶掃氣功能的發(fā)動機，減小其門重疊角也可以防止催化器溫度升高。VVT在沒有氣門重疊角下持續(xù)時間應(yīng)大于混合氣加濃的持續(xù)時間。

2.3 優(yōu)化氣道

增壓發(fā)動機因為進氣壓力和進氣量比自然吸氣發(fā)動機要高出很多，所以在混合氣的形成上與自然吸氣發(fā)動機有很大不同，增壓發(fā)動機進氣道的設(shè)計要考慮到滾流比的大小，滾流比可以增加混合氣在氣缸內(nèi)的混合強度，提高燃燒速度。如圖8、圖9所示分別為原機進氣道和優(yōu)化后的氣道方案。

圖8 原機進氣道

圖9 優(yōu)化后的氣道

2.4 限制缸內(nèi)最大充量

減小缸內(nèi)最大充量可以降低發(fā)動機負荷，從而降低缸內(nèi)溫度，降低早燃傾向。通常設(shè)置成與減小氣門重疊角相同的開啟閥值，避免出現(xiàn)壓力超調(diào)。負面結(jié)果是影響動力性，使加速性能變差。

2.5 優(yōu)化燃燒室

優(yōu)化燃燒室是在優(yōu)化氣道的基礎(chǔ)上，加上擠氣面，擠氣面如圖10所示。

圖10 非擠氣面

圖11 擠氣面

擠氣面可以提高混合氣的燃燒速度，提高燃燒效率， 原擠氣面位置的火焰?zhèn)鞑バ问降玫礁淖儯鹧鎮(zhèn)鞑ゾ嚯x相對縮短，燃燒更加完全，燃燒后整個氣缸內(nèi)的溫度會較以前相對降低一些；而擠氣面加工在進排氣兩側(cè)，特別是排氣側(cè)的擠氣面，會減少排氣階段殘余廢氣的殘留，氣缸內(nèi)的殘余廢氣也會相應(yīng)減少，對發(fā)動機下一個工況的燃燒有好處。

2.6 斷油控制

當(dāng)加濃混合氣和限制缸內(nèi)最大充量的措施都無法有效抑制早燃現(xiàn)象的發(fā)生，為了快速保護發(fā)動機，需要采取更為緊急的保護方式。即直接對早燃較多的氣缸采取斷油控制。斷油控制對駕駛性的影響最大，因此斷油控制的開啟閥值相對較高。

3 結(jié)論

經(jīng)過以上的機理分析，為更好的控制早燃，系統(tǒng)供應(yīng)商與主機廠協(xié)商溝通對已批產(chǎn)和正在開發(fā)的發(fā)動機進行早燃相關(guān)驗證，來滿足更加嚴(yán)苛的法規(guī)要求。

參考文獻

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