發動機早燃與控制

趙世來，張治國

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處，遼寧 沈陽 110141）

前言

缸蓋、活塞、活塞環、缸體組成密封的空間，成為發動機燃燒室，可燃氣體在這里參與燃燒，實現能力的轉化。汽油機的缸內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

正常燃燒現象是指油氣混合氣在特定的發動機曲軸轉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。

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

早燃是指油氣混合氣在火花塞點火之前，已被燃燒室內的熾熱點點燃而提前燃燒的現象，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，缸內壓力急劇上升。

這里主要講一下不正常燃燒中的早燃現象，早燃發生時伴隨有突爆聲，并會出現功率下降和發動機過熱的現象。增壓發動機雖然在不增加發動機排量的情況下，實現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生的。因此不同于普通爆震，推遲點火角無法抑制早燃的發生。

圖1 早燃發生時的缸內燃燒壓力信號

不同燃燒類型的缸內壓力信號如圖1所示，由圖可以看出早燃發生時，缸內的壓力在點火時刻之前就開始急劇升高，并在燃燒室內產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，發動機工作不穩定且有敲缸聲（較為沉悶），并有過熱現象。功率下降是因為燃燒最高壓力出現在循環的不適當時刻，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，發動機于是就過熱。早燃所產生的壓力升高會增加機件的負荷，使它們加速磨損。使用經驗表明，不很嚴重的早燃，往往表現在停止火花塞點火后，發動機仍繼續著火運轉。

早燃在外表特征上和爆燃是有些相似的，但它們的性質和產生的原因卻完全不同。早燃產生在火花塞跳火之前，且無沖擊波產生；爆燃是在燃燒后期才產生的，且有沖擊波產生。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動機內同時發生。

1.3 早燃危害

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

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 活塞環岸斷裂

燃燒室內的零部件損壞通常會進一步引起發動機外圍零部件的損壞，如缸體、連桿、曲軸等。因此，應該需要及時檢測和控制早燃出現的頻次，降低發動機零部件損害的風險。

1.4 誘發早燃的主要原因

致早燃產生的因素主要由以下幾種：1.4.1 機油液滴和沉積物

通過曲軸箱通風系統進入燃燒室的機油顆粒是誘發早燃的一部分原因；燃燒室內的機油沉淀物，一部分會脫離缸蓋或活塞頂，懸浮在燃燒室內。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系統“竄油”；（2）通過氣門導管滲漏，缸壁刮入。

1.4.2 熱點

發動機在全負荷運行時，燃燒室內的各零部件承受較高的熱負荷，缸內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，活塞環等。

1.4.3 缸內的燃燒動力學

缸內的滯留廢氣和回流廢氣對后續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有很大影響，使得正常燃燒火焰在到達燃燒室各處前發生自燃現象，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：發動機結構設計、燃油因素和發動機控制。如下圖6所示：

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

圖6 影響早燃傾向的因素

降低早燃傾向的根本措施，應從發動機結構設計的源頭著手，減少缸內熱點。這需要在發動機前期開發階段進行相關設計的優化，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）優化進氣系統的結構設計，減少進入缸內雜質顆粒物出現，減少顆粒物附著在缸內形成炙熱點的幾率。

（5）優化中冷器結構，降低發動機進氣溫度。

（6）優化發動機冷卻系統，降低發動機機體溫度。

2 早燃控制策略

在發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系統識別到早燃后，需要通過合理的方式減少后續可能發生早燃的概率，達到保護發動機的目的。

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系統識別到早燃后，會優先選擇加濃混合氣，降低缸內溫度，降低后續發生早燃現象的風險。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。偏濃的混合氣持續約10～15s。

2.2 減小氣門重疊角

EMS系統識別到早燃次數超過VVT動作的閥值，會觸發 VVT往氣門重疊角減小的方向調節，此目的是為了降低缸內殘余廢氣量，抑制早燃傾向。對于帶掃氣功能的發動機，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時間應大于混合氣加濃的持續時間。

2.3 優化氣道

增壓發動機因為進氣壓力和進氣量比自然吸氣發動機要高出很多，所以在混合氣的形成上與自然吸氣發動機有很大不同，增壓發動機進氣道的設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化后的氣道方案。

圖8 原機進氣道

圖9 優化后的氣道

2.4 限制缸內最大充量

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

2.5 優化燃燒室

優化燃燒室是在優化氣道的基礎上，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傳播形式得到改變，火焰傳播距離相對縮短，燃燒更加完全，燃燒后整個氣缸內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，特別是排氣側的擠氣面，會減少排氣階段殘余廢氣的殘留，氣缸內的殘余廢氣也會相應減少，對發動機下一個工況的燃燒有好處。

2.6 斷油控制

當加濃混合氣和限制缸內最大充量的措施都無法有效抑制早燃現象的發生，為了快速保護發動機，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 結論

經過以上的機理分析，為更好的控制早燃，系統供應商與主機廠協商溝通對已批產和正在開發的發動機進行早燃相關驗證，來滿足更加嚴苛的法規要求。

參考文獻

[1] 王志,等.增壓汽油機中早燃和超級爆震的研究進展.[J]汽車安全與節能學報,2015年,第6卷第1期.

[2] 鄭九昂編著.發動機維修問答 445題.[M]北京:金盾出版社,2013年.

[3] 申立影,教傳海,李國強.某汽油增壓發動機早燃的解決方案.[C]中國汽車工程學會年會,2015.