增壓汽油機在高溫環境下早燃實驗及控制策略

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心 廣西 柳州 545007）

引言

早燃是在火花塞點火之前，由于缸內溫度過高將燃燒室內的混合氣點燃而引起的一種汽油機異常燃燒現象。當汽油機發生早燃后，缸內壓力會迅速上升并且超過缸內壓縮壓力。早燃的前期燃燒階段會導致未燃的終燃混合氣壓力及溫度上升速度遠超過正常火花塞點火產生的火焰前鋒面的速度。如果早燃是在遠離火花塞正常點火提前角的角度上發生時，缸內的燃燒壓力會遠超過發動機在正常燃燒時的壓力，即會導致非常劇烈的爆震--超級爆震。超級爆震產生的巨大的燃燒壓力和劇烈的缸壓震蕩將會對發動機造成很大的危害[1-2]。普通增壓機在開發匹配及耐久試驗時往往僅在標準溫度（環境溫度為25±5℃，中冷后進氣溫度45±5℃）下進行。實際生活中汽車是在不同地區不同季節的各種道路上行駛，發動機就得跟隨整車在不同環境溫度下運轉。而整車上的進氣中冷器大部分是由環境中的空氣進行冷卻的，當環境溫度升高后中冷器的冷卻能力也會下降，這樣進入發動機內的進氣溫度也會相應升高。因此，在標準條件下進行的試驗發動機雖然無早燃發生或早燃發生的次數在可接受范圍內，但是當環境溫度和進氣溫度都升高后可能會引發發動機發生較多的早燃，從而導致火花塞或發動機的其它運轉零部件損壞。

1 試驗臺架與發動機

本實驗采用一臺排量為1.5 L 四氣門普通增壓汽油發動機，安裝缸壓火花塞和燃燒分析儀等設備后在AVL 臺架上進行。在進行實驗前先將臺架間進氣空調和環境空調關閉，僅往室內送風和抽風讓臺架內有新鮮空氣進行循環。然后通過把發動機調到高轉速大負荷下運行來提升室內環境溫度，當環境溫度提高到目標值后關閉進氣中冷器使中冷后的進氣溫度達到目標值。待環境溫度和中冷后進氣溫度都達到目標值后就開始進行高溫早燃試驗。

試驗發動機主要參數如表1 所示。

表1 發動機及實驗調整參數

試驗所用主要設備如表2 所示。

表2 實驗設備清單

發動機燃燒室如圖1 所示。

圖1 發動機燃燒室

2 超級爆震測量及判斷方法

目前汽油發動機的超級爆震判斷標定標準主要是以測量缸內發生的最大壓力值為判斷標準。本試驗采用的發動機，設計正常燃燒時的最大缸內壓力為8 Mpa 左右，當發生超級爆震時缸內壓力會遠超正常燃燒值。對于本發動機，當缸內最大壓力超過11 Mpa 時就可判定發生了超級爆震。通過采用缸壓傳感器將缸內壓力信號接到燃燒分析儀后進行測量，并且同時接通爆震音箱通過音箱傳出的燃燒聲音進一步確認是否出現了超級爆震。圖2 為燃燒分析儀測量出的早燃信號圖[3-6]。

圖2 缸壓傳感器測量早燃

3 實驗過程及結果

把發動機的水溫、油溫及進氣溫度和環境溫度調到目標值后調整發動機到目標轉速和負荷，開始測量記錄；當發動機發生早燃次數超過可接受范圍時則停止實驗，重新調整發動機的運行參數再繼續試驗。把滿足早燃條件要求的發動機工況記錄下來，主要記錄在設定溫度邊界下滿足早燃條件時發動機對應的轉速，增壓壓力，進排氣VVT，空燃比和點火角以及在該工況下早燃發生的次數等關鍵數據，為后期的數據預設提供參考。表3 為1 600 rpm 早燃發生次數最多的工況下調整各種參數的早燃測量過程結果。

表3 參數調整及超級爆震測量結果

由實驗可得出隨著環境溫度及進氣溫度升高，進入燃燒室內的混合氣溫度也跟著升高，從而更容易引起汽油機發生早燃。圖3 為中冷后進氣溫度為60 ℃時1 600 rpm 全負荷工況實驗過程中INDICOM記錄的早燃情況及超級爆震情況，溫度升高到60℃后共觸發早燃發生了13 次，有2 次壓力超過11Mpa,為超級爆震。

圖3 缸內壓力及早燃記錄

從以上實驗結果可以看出，當進氣溫度升高后發動機早燃傾向變大，容易引起超級爆震。如果僅通過調整進、排氣VVT 或噴油時刻，對發動機的高溫早燃影響不大；通過加濃空燃比并同時調整點火提前角后可以比較有效抑制超級爆震發生的次數。當進氣溫度進一步升高后，把空燃比加濃到極限值也無法有效控制早燃的發生，此時只能在加濃空燃比和調整點火角的基礎上再降低發動機的負荷才能夠有效控制發動機早燃發生。

4 高溫早燃新數據預設

根據實驗測量出發動機不同環境溫度和進氣溫度下的安全運行工況后，將實驗所得數據預設到發動機的ECU 控制模塊中，主要有不同進氣歧管溫度對空燃比的修正表、不同冷卻水溫和不同進氣歧管溫度的點火角修正表和不同進氣歧管溫度增壓壓力限值表共3 個預設表。以下為3 個表格的預設值：

5 新參數設置檢查驗證結果

將參數數據預設好后置于發動機上并在臺架上再進行高溫實驗，新數據在發動機上只有通過在不同溫度下各個工況運行的4 500 個循環出現的超級爆震次數均在可接受范圍內，這個試驗才算通過實驗驗證要求，新數據才可正式應用在整車上。以下為新數據使用在發動機上后，在臺架上對發動機的超級爆震測量結果：

表4 進氣溫度空燃比修正系數表

表5 水溫和進氣溫度的點火角修正表

表6 進氣溫度的增壓壓力限值表

表7 新數據驗證超級爆震測量結果

6 結論

本文利用AVL 臺架對一臺普通增壓汽油機進行模擬高環境溫度和高進氣溫度下的早燃情況，并在實驗中尋找出可以降低汽油機在高溫環境和高進氣溫度下超級爆震發生次數的控制策略方法，使發動機能夠在高溫環境下安全運行。通過實驗得到如下結論：

1）當環境溫度與進氣溫度升高后發動機早燃傾向變大，增壓汽油發動機在高溫環境下更容易頻繁早燃引發超級爆震。

2）通過調整發動機的進、排氣VVT 角度和調整燃油在進氣歧管噴射時間對早燃影響不明顯，當環境溫度和進氣溫度升高后無法通過調整VVT 和噴油時間來消除早燃或減少超級爆震。

3）當環境溫度與進氣溫度升高幅度不大時（在60℃左右），可通過加濃空燃比和調整點火提前角來有效抑制早燃，減少超級爆震發生的次數，使汽油發動機在安全范圍內正常運行。

4）當環境溫度與進氣溫度進一步升高后，必須要通過加濃空燃比、減小點火提前角和降低發動機的負荷（降低增壓壓力）3 個方面同時共同調整才能夠有效控制早燃發生，使超級爆震發生在可接受范圍內[7]。