某GDI發(fā)動(dòng)機(jī)早燃超級(jí)爆震控制策略試驗(yàn)研究

王福志 蘇方旭 劉廣豐

（北京汽車動(dòng)力總成有限公司 北京 101106）

引言

隨著能源問題的日趨嚴(yán)重，國(guó)際國(guó)內(nèi)汽車領(lǐng)域嚴(yán)厲的節(jié)能減排法律法規(guī)客觀上促使發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商尋求更高效的動(dòng)力總成方案。汽油機(jī)增壓直噴技術(shù)（TGDI）被很多發(fā)動(dòng)機(jī)廠商采用，并逐漸成為主流發(fā)展趨勢(shì)之一。然而，由于增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度很高，低速早燃問題亟需解決，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者和機(jī)構(gòu)都在積極開展研究[1-2]。

早燃與超級(jí)爆震關(guān)系緊密，清華大學(xué)的王志等人對(duì)早燃和超級(jí)爆震的定義作了闡述，認(rèn)為應(yīng)該清楚地區(qū)分早燃和超級(jí)爆震，早燃有可能導(dǎo)致超級(jí)爆震，但并不一定導(dǎo)致超級(jí)爆震，而超級(jí)爆震一定是早燃引起的[3]。國(guó)外學(xué)者和研究人員對(duì)早燃的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為早燃與點(diǎn)火時(shí)刻有關(guān)，將早燃定義為提前點(diǎn)火且導(dǎo)致超級(jí)爆震的行為[4-6]。

本文將早燃定義為發(fā)動(dòng)機(jī)接受正常點(diǎn)火信號(hào)前自發(fā)燃燒的行為，將誘發(fā)超級(jí)爆震的早燃現(xiàn)象定義為早燃超級(jí)爆震。正常點(diǎn)火所采用的點(diǎn)火提前角一般為最佳點(diǎn)火效率、發(fā)動(dòng)機(jī)爆震臨界點(diǎn)的點(diǎn)火提前角，或在爆震臨界點(diǎn)基礎(chǔ)上保留一定安全余量。國(guó)內(nèi)外研究早燃超級(jí)爆震的試驗(yàn)手段主要有2種，一種手段是采用可視化技術(shù)，包括光纖火花塞和光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)等，利用高速攝影來觀察缸內(nèi)非正常燃燒現(xiàn)象[7]，這種手段能比較準(zhǔn)確地檢測(cè)早燃超級(jí)爆震發(fā)生的位置，但成本很高。另一種手段是采用缸內(nèi)壓力傳感器，通過監(jiān)測(cè)缸內(nèi)爆發(fā)壓力，判斷是否有早燃超級(jí)爆震發(fā)生[8-9]。這種手段只需要缸內(nèi)壓力傳感器和燃燒分析儀，成本有所降低，但在缸蓋燃燒室上打孔的工藝要求很高，很多廠家和科研機(jī)構(gòu)都不具備這種加工能力。由于火花塞式缸內(nèi)壓力傳感器各種機(jī)型之間不能通用，無法排除對(duì)點(diǎn)火的影響，存在一定的局限性。

利用通過信號(hào)標(biāo)定的爆震傳感器檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)早燃超級(jí)爆震，判斷早燃超級(jí)爆震發(fā)生的次數(shù)和相對(duì)強(qiáng)度，很好地解決了燃燒室打孔安裝問題及火花塞式缸內(nèi)壓力傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒帶來的影響問題，簡(jiǎn)單且節(jié)約成本。

1 早燃超級(jí)爆震試驗(yàn)方法

1.1 設(shè)備連接

爆震信號(hào)標(biāo)定如圖1所示。電流卡鉗在測(cè)量點(diǎn)火信號(hào)的同時(shí)用于上止點(diǎn)標(biāo)定和判斷氣缸發(fā)火順序，角標(biāo)儀提供角域基礎(chǔ)，電荷放大器和缸內(nèi)壓力傳感器用于爆震信號(hào)標(biāo)定，示波器用于信號(hào)集成及對(duì)比。

圖1 爆震信號(hào)監(jiān)控早燃示意圖

1.2 爆震信號(hào)濾波及強(qiáng)度標(biāo)定

試驗(yàn)中，使用燃燒分析儀自帶的濾波功能，對(duì)爆震信號(hào)進(jìn)行濾波處理，如圖2所示，圖2中的濾波數(shù)值僅為示例，并不是唯一的，可根據(jù)實(shí)際情況處理。

圖2 爆震信號(hào)濾波處理圖

使用缸內(nèi)壓力傳感器時(shí)，通過放熱時(shí)間與正常點(diǎn)火時(shí)間的先后關(guān)系以及缸內(nèi)爆發(fā)壓力，可判斷早燃超級(jí)爆震。試驗(yàn)中，樣機(jī)在低速轉(zhuǎn)矩點(diǎn)正常燃燒時(shí)，缸內(nèi)爆發(fā)壓力約為7.5 MPa，發(fā)生正常爆震時(shí)，缸內(nèi)爆發(fā)壓力一般低于8.5 MPa，發(fā)生早燃超級(jí)爆震時(shí)，缸內(nèi)爆發(fā)壓力通常為12～25 MPa，因此，以缸內(nèi)爆發(fā)壓力超過10 MPa為標(biāo)準(zhǔn)界定早燃超級(jí)爆震是否發(fā)生。

缸內(nèi)爆發(fā)壓力對(duì)爆震信號(hào)標(biāo)定如圖3所示。當(dāng)缸內(nèi)爆發(fā)壓力分別為10 MPa和15 MPa時(shí)，確定爆震信號(hào)閾值分別為10和80。

1.3 早燃超級(jí)爆震觸發(fā)記錄設(shè)定

爆震信號(hào)標(biāo)定完成后，設(shè)置信號(hào)觸發(fā)記錄功能。通常設(shè)置信號(hào)觸發(fā)閾值略低于早燃超級(jí)爆震判斷閾值10。當(dāng)爆震信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到信號(hào)觸發(fā)閾值5（本文試驗(yàn)閾值）時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄觸發(fā)信號(hào)前后部分循環(huán)數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)早燃超級(jí)爆震次數(shù)。

2 早燃超級(jí)爆震策略優(yōu)化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)背景和方法

圖3 爆震信號(hào)標(biāo)定

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為某款1.5 L增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)設(shè)備包括AVL電力測(cè)功機(jī)、PUMA控制系統(tǒng)、735S燃油消耗測(cè)量?jī)x和HORIBA排放分析儀等。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)階段，對(duì)噴油策略、氣門正時(shí)策略和加濃策略進(jìn)行初步設(shè)定。低速最大轉(zhuǎn)矩工況為1 600 r/min、262 N·m，采用 2 次噴射，初始策略如表2所示。

表2 初始策略

表2中，進(jìn)排氣門正時(shí)“BTDC”表示進(jìn)氣上止點(diǎn)前，因此，正值表示上止點(diǎn)前，負(fù)值表示上止點(diǎn)后；2個(gè)數(shù)值中，正值和負(fù)值分別對(duì)應(yīng)進(jìn)氣門開啟時(shí)刻和排氣門關(guān)閉時(shí)刻；噴油開始時(shí)刻“ATDC”表示上一循環(huán)壓縮上止點(diǎn)后。由于低速大負(fù)荷存在掃氣，因此，通過CO排放來評(píng)價(jià)加濃情況，CO排放越大，表示混合氣加濃程度越大。

初始策略存在的問題是氣門重疊角過大，導(dǎo)致掃氣量過大。同時(shí)，混合氣加濃，使得排氣中含有約3%的氧氣和1.2%的CO。掃出的氣體在一級(jí)催化器處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致催化器溫度長(zhǎng)時(shí)間高達(dá)910℃，影響催化器使用壽命。

本試驗(yàn)旨在通過爆震信號(hào)檢測(cè)早燃超級(jí)爆震，優(yōu)化控制策略，在降低催化器溫度的前提下，盡可能抑制早燃超級(jí)爆震。

2.2 噴油策略優(yōu)化

在1 600 r/min、262 N·m工況，進(jìn)排氣門正時(shí)分別為為9、-14°CA BTDC，催化器溫度低于910℃，CO排放控制在0.9%～1.3%范圍內(nèi)。

圖4為早燃次數(shù)隨第1次噴油時(shí)刻的變化規(guī)律。

圖4 第1次噴油時(shí)刻對(duì)早燃次數(shù)的影響

從圖4可以看出，隨著第1次噴油時(shí)刻的提前，早燃次數(shù)逐漸減少。當(dāng)噴油時(shí)刻從470°CA ATDC提前到 430°CA ATDC（提前 40°CA），早燃次數(shù)減少了約14次/h。需要注意的是，如果第1次噴油時(shí)刻進(jìn)一步提前，由于噴霧撞擊活塞，會(huì)使碳煙排放和早燃傾向顯著增加。因此，在噴油時(shí)刻為400～500°CA ATDC范圍內(nèi)，抑制早燃較理想的噴油時(shí)刻為410～430°CA ATDC。

圖5為第1次噴油時(shí)刻對(duì)煙度的影響。

圖5 第1次噴油時(shí)刻對(duì)煙度的影響

從圖5可以看出，隨著第1次噴油時(shí)刻的提前，煙度逐漸降低，這和圖4中噴油時(shí)刻對(duì)早燃次數(shù)的影響趨勢(shì)相同。可通過這一關(guān)系快速判斷不同噴油策略對(duì)早燃超級(jí)爆震的影響。另一方面反映出發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生早燃超級(jí)爆震的可能因素是碳煙顆粒，和文獻(xiàn)[4]的結(jié)論一致。

圖6為第2次噴油時(shí)刻對(duì)煙度的影響。

圖6 第2次噴油時(shí)刻對(duì)煙度的影響

從圖6可以看出，第2次噴油時(shí)刻提前，煙度增加。根據(jù)上述分析，第2次噴油時(shí)刻提前，會(huì)使早燃超級(jí)爆震情況惡化。因此，后續(xù)優(yōu)化建議第2次噴油時(shí)刻維持在600°CA ATDC或進(jìn)一步推遲。但推遲需結(jié)合第2次噴油比例，當(dāng)?shù)?次噴油比例為25%～40%時(shí)，第2次噴油時(shí)刻應(yīng)晚于600°CA ATDC。

圖7為第2次噴油比例對(duì)煙度的影響。

圖7 第2次噴油比例對(duì)煙度的影響

從圖7可以看出，隨著第2次噴油比例的減少，煙度逐漸降低，從而降低了早燃超級(jí)爆震趨勢(shì)。但第2次噴油比例在27%～30%范圍內(nèi)時(shí)，隨著第2次噴油比例的減少，煙度不再顯著降低。因此，后續(xù)優(yōu)化時(shí)，建議第2次噴油比例為27%～30%。

綜上所述，在1 600 r/min、262 N·m低速最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油策略為：第1次噴油時(shí)刻為420～430°CA ATDC，第 2 次噴油時(shí)刻約為 600°CA ATDC，第2次噴油比例為27%～30%。

2.3 氣門正時(shí)策略和加濃策略優(yōu)化

在試驗(yàn)工況為 1 600 r/min、240 N·m，第 1 次、第2次噴油時(shí)刻分別為450、600°CA ATDC，第2次噴油比例為29%時(shí)，探討氣門正時(shí)及加濃對(duì)早燃超級(jí)爆震的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 氣門正時(shí)及加濃對(duì)早燃超級(jí)爆震的影響

從圖8可以看出，進(jìn)氣門提前開啟，排氣門適當(dāng)滯后關(guān)閉，采用大掃氣策略并且控制加濃，可以降低早燃趨勢(shì)。這是因?yàn)椋ㄟ^掃氣減少了缸內(nèi)殘余廢氣，降低了缸內(nèi)溫度，加濃可以進(jìn)一步降低缸內(nèi)氣體溫度。但正如上述試驗(yàn)背景和方法中所提到的問題，這種策略在抑制早燃的同時(shí)，存在催化器超溫的風(fēng)險(xiǎn)，如圖8d所示。氣門重疊角小于16°CA時(shí)，催化器溫度隨加濃先升后降，拐點(diǎn)溫度低于920℃，加濃到CO約為0.9%時(shí)，催化器溫度在870～910℃。氣門重疊角大于16°CA時(shí)，加濃使催化器溫度升高。因此，大氣門重疊角不應(yīng)過度加濃，避免催化器燒毀。

綜上所述，以1600r/min、240N·m 和 1600r/min、262 N·m工況為研究對(duì)象，縮小氣門正時(shí)，將催化器溫度900℃作為加濃邊界，CO排放大約為0.9～1.2%。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同負(fù)荷不同氣門正時(shí)的早燃超級(jí)爆震及加濃情況

從圖9可以看出，進(jìn)氣門開啟時(shí)刻提前，可減弱早燃超級(jí)爆震趨勢(shì)；排氣門關(guān)閉時(shí)刻在-14°CA BTDC的早燃情況比-8°CA BTDC稍有改善。加大氣門重疊角，增強(qiáng)了掃氣效果；同時(shí)，加濃有助于降低早燃傾向。而且，氣門重疊角過小，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。氣門重疊角小于16°CA時(shí)，轉(zhuǎn)矩?zé)o法達(dá)到262 N·m。氣門重疊角越大，負(fù)荷越高，催化器溫度為900℃時(shí)允許的加濃水平越高。但氣門重疊角增加，負(fù)荷的影響程度減弱。

根據(jù)氣門正時(shí)和加濃試驗(yàn)結(jié)果，得出如下控制策略：

1）1 600 r/min、262 N·m 工況，進(jìn)排氣正時(shí)分別為 21、-14°CA BTDC，CO 排放約為 1.2%。

2）1 600 r/min、240 N·m 工況，轉(zhuǎn)矩降低，加濃水平應(yīng)適當(dāng)降低，進(jìn)排氣正時(shí)分別為21、-8°CA BTDC，CO排放約為1%。

隨后，在另外2臺(tái)樣機(jī)上進(jìn)行了的驗(yàn)證試驗(yàn)，工況為1 600 r/min、262 N·m，參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 優(yōu)化后策略

進(jìn)一步提前進(jìn)氣門開啟角度，滯后排氣門關(guān)閉角度，并加濃混合氣，發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)4 h沒有早燃發(fā)生，且催化器溫度在安全范圍以內(nèi)，因此，這套策略非常有效。

考慮到試驗(yàn)邊界條件控制差異、油品差異以及樣機(jī)的制造一致性等問題，應(yīng)進(jìn)行更多的驗(yàn)證試驗(yàn)。

3 結(jié)論

1）利用爆震傳感器采集的爆震信號(hào)，經(jīng)過濾波和標(biāo)定后，能用來監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)早燃超級(jí)爆震。與其它手段相比，簡(jiǎn)單且節(jié)約成本。

2）根據(jù)噴油策略對(duì)早燃超級(jí)爆震和碳煙顆粒排放的影響規(guī)律，可快速判斷不同噴油策略對(duì)早燃超級(jí)爆震的影響。

3）在低速早燃超級(jí)爆震工況點(diǎn)，采用提前第1次噴油、推遲第2次噴油，并適當(dāng)降低第2次噴油比例，可減少早燃超級(jí)爆震次數(shù)。

4）在一定范圍內(nèi)，提前進(jìn)氣門開啟角度，滯后排氣門關(guān)閉角度來增大掃氣效果，同時(shí)加濃混合氣，能有效抑制早燃超級(jí)爆震。

5）試驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化策略能在催化器溫度不超溫的前提下顯著改善發(fā)動(dòng)機(jī)早燃超級(jí)爆震狀況。