增壓直噴汽油機超級爆震發生機理以及爆震抑制的試驗研究

苗瑞剛，曾小春，曹黎明，景國璽

(1.江鈴汽車股份有限公司產品研發總院，江西 南昌 330001；2.河北工業大學機械工程學院，天津 300400；3.天津市新能源汽車動力傳動與安全技術重點實驗室，天津 300130)

增壓和缸內直接噴射(Turbo charged gasoline direct injection,TGDI)技術是汽油機小型化和提高燃油經濟性的有效方法。由于均質混合氣燃燒模式可以簡化發動機的后處理，這種燃燒模式被廣泛地應用于現代高增壓直噴汽油機中。對于應用這種燃燒模式的TGDI發動機，其在低速高負荷(轉速小于等于 2 500 r/min；平均有效壓力大于等于1.5 MPa)工作時會頻繁發生一種由進入缸內的潤滑油誘發的提前點火現象，被稱為低速提前點火(low-speed pre-ignition，LSPI)[1-2]。

LSPI導致非常高的缸內壓力和嚴重的爆震，對應的缸內壓力振幅高達10 MPa，這一現象稱為超級爆震(super knock or mega knock)[1-4]。超級爆震具有“間歇性發生”的特征，在多次重復發生過程中表現為著火越來越早且缸內最高燃燒壓力越來越高[5]。超級爆震發生前一定有低速早燃現象發生，但低速早燃現象不一定導致超級爆震[6]。

鑒于其對發動機的破壞力，超級爆震是目前汽油機繼續提高升功率和降低油耗的主要障礙[7]，也是在國內目前油品條件下提高缸內直噴汽油機增壓水平面臨的最大挑戰。由于引發超級爆震的LSPI是由缸內潤滑油自燃導致點火，有效控制超級爆震強度的措施應該從以下兩個方面來考慮：1)盡可能削弱其產生的條件；2)通過控制點火的化學反應動力學及加速點火后火焰的傳播速度來削弱LSPI引發的超級爆震的強度。本研究針對上述兩個方面進行了試驗研究。

1 發動機基本信息

試驗用發動機是一臺4缸、1.5 L高增壓TGDI汽油機，基本參數見表1。

表1 發動機的基本參數

發動機配置了高效率的電控放氣閥式渦輪增壓器及雙可變氣門相位器，進排氣凸輪的配氣相位可獨立調整的范圍均為60°曲軸轉角。發動機噴油器側置安裝在進氣側，每個噴油器有6個噴孔，最大噴射壓力為15 MPa。可在發動機電子控制單元(ECU)許可的噴油時間內根據需要實施多次噴油，主要在進氣沖程進行。圖1示出油束在活塞頂部的落點。圖2示出實測噴油器在15 MPa噴油壓力下的油束長度和噴油時間的關系。

圖1 噴油器布置及油束在活塞頂部的落點

圖2 噴油器在15 MPa噴油壓力下的噴油特性

圖3示出發動機性能曲線的無量綱表示，其最大扭矩覆蓋的轉速區為1 500～4 600 r/min。為了提高發動機在2 500 r/min內的低速段扭矩，利用可變氣門正時控制通過進氣掃氣改善增壓器靠近喘振區低流量下的增壓性能，使發動機最大扭矩轉速下延到1 500 r/min。

圖3 掃氣功能帶來的低端扭矩提升

圖4示出發動機的掃氣區，其位于圖中左上角的低速高負荷區，圖中發動機負荷以平均有效壓力(brake mean effective pressure，BMEP)表示。全負荷下的進排氣管壓力也在圖4中示出。 在發動機轉速大于2 500 r/min的中高速區，由于排氣道壓力大于進氣道壓力，在氣門重疊角內可能發生部分高溫廢氣的反流，進入進氣道的高溫廢氣最終隨進氣流入氣缸。試驗觀察到的LSPI區也在圖4中示出，其完全落入了掃氣區內。圖5示出發動機運行在1 500 r/min全負荷工況時發生的由LSPI引發的超級爆震現象，其燃燒壓力的峰值達到正常燃燒壓力峰值的2.5倍，爆震時的壓力波動超過正常燃燒時的爆發壓力(peak firing pressure or PFP)。提前點火的時間和火花塞正常點火的時間在圖5中示出以進行比較。

圖4 發動機全負荷下的掃氣區和觀測到的低速提前點火事件頻發區

圖5 發動機在1 500 r/min全負荷下發生超級爆震和正常燃燒循環的氣缸壓力比較

試驗發現，當發動機運行工況從低速以升速方式穿越LSPI區時，LSPI總會發生；但從高速以降速方式穿越LSPI區時，LSPI幾乎不發生。這說明LSPI的誘發源和掃氣流動有較強的相關性。

圖6示出全負荷工況下的噴油量，即各轉速下的最大循環噴油量。可以看出，低端最大扭矩和高端最大扭矩的噴油量僅相差20%。對于采用均勻混合氣的TGDI發動機，增壓壓力越高，要求的噴油量就越大，噴油遇到的挑戰就越大：在低端最大扭矩轉速的挑戰是活塞速度太低，雖然可以實施多次噴油，但噴油時間過早或任一次噴油時間過長都會引起高速油束和處于低速運動的活塞發生干涉；在高端最大扭矩轉速的挑戰是活塞完成一個沖程的時間太短，因而只能實施一次噴油，如噴油時間接近或大于180°曲軸轉角時，也會引起油束和活塞的干涉。油束和活塞頂面的干涉會造成油束反彈到缸壁上，導致油底殼機油稀釋。

圖6 全負荷工況下各氣缸的循環噴油量

2 超級爆震強度和燃燒起始點的關系

發動機的低速端最大扭矩工況是LSPI發生最頻繁的工況。因此，對LSPI特性的試驗研究選定在1 500 r/min全負荷工況。發動機試驗采用的混合氣為計量混合氣(過量空氣系數φa= 1.0)，試驗中冷卻液出口溫度控制在90 ℃。

試驗觀察到的LSPI現象具有高度的隨機性：一般僅在單個氣缸發生，偶爾也會在兩個氣缸同時發生。LSPI現象以孤立單獨事件或連續事件的模式出現，后一種模式更常見。其共性是開始和結束都沒有預兆。對于連續發生的模式，最后一個LSPI事件結束后發動機會有很長一段時間在完全正常燃燒的條件下工作，似乎引發LSPI事件的觸發源在最后一個事件中被消除。這意味著超級爆震引發的缸內高頻壓力波可能對LSPI事件的觸發源具有某種清潔作用。盡管LSPI發生具有高度隨機性，但當發動機運行工況落入LSPI區內時，LSPI事件具有較高的出現頻率。

典型發生LSPI事件的氣缸和其他正常燃燒氣缸壓力的比較見圖5。超級爆震發生時缸內壓力波動峰值相當于正常燃燒時的最大缸壓。在這種條件下，用不正常燃燒時的最大缸壓來表示超級爆震的強度對分析提前點火角對其影響更為合理。由于提前點火的時間是不可控的，本研究采用缸內5%燃料燃燒(5% Mass of Fuel burned，MFB05)對應的曲軸轉角來定性分析提前點火開始發生的時間。圖7示出實測的最大缸壓和MFB05的關系，可見缸內壓力隨提前點火發生時刻的前移而提高，但達到一定的提前角后似乎穩定在一個范圍。

圖7 MFB05和氣缸內最高燃燒壓力的關系

3 缸內機油顆粒觸發提前點火的機理和觸發條件

3.1 觸發LSPI事件的機油顆粒來源

機油顆粒物有可能導致低速早燃的發生[8]。許多研究者[9-10]對于高增壓TGDI發動機中觸發提前點火(pre-ignition，PI)的機油顆粒位置進行了缸內可視化研究。Dahnz和Spicher[9]發現PI經常開始于燃燒室壁面或氣缸體墊片間隙的某個位置。Zaccardi等[10]觀察到PI更多地發生在缸蓋排氣門的鼻梁區和燃燒室頂部的火花塞周圍。至今為止，幾乎所有研究報告都認為觸發PI的機油顆粒進入缸內的途徑可能是活塞和缸體的間隙，并懸浮在缸內氣體中，隨著氣流運動部分潤滑油顆粒附著在燃燒室頂部，形成潛在的提前點火源[1-2]。從活塞和缸體的間隙進入缸內的潤滑油一般稱為機油輸運(oil transport)，它具有隨發動機轉速提高而增加的性質，因而這個機理無法解釋LSPI僅發生在低速高負荷區。

對于高增壓TGDI發動機，潤滑油進入缸內的另一個重要途徑是曲軸箱通風再循環帶入的潤滑油(oil carryover)。由于缸內直噴及噴油時間長，TGDI發動機不可避免地存在燃油對曲軸箱機油的稀釋現象。進入曲軸箱的燃油使機油的揮發性提高，導致曲軸箱通風再循環攜帶了大量的潤滑油顆粒。

圖8示出實測高負荷區曲軸箱通風流量，可見低速高負荷區具有最大的曲軸箱通風流量。由于中冷器的冷凝作用，曲軸箱通風再循環攜帶的潤滑油顆粒在中冷后變大，且黏度提高，這使得在低速大負荷對應的掃氣流動中曲軸箱通風再循環攜帶的潤滑油顆粒更容易滯留在燃燒室壁面上。圖9示出試驗發動機在低速大負荷下由曲軸箱通風再循環攜帶的潤滑油顆粒造成的在進氣門盤及桿上的積炭現象。這間接證實曲軸箱通風再循環帶入缸內的潤滑油顆粒經中冷后由于黏度提高及蒸發性變差，更容易附著在燃燒室壁面上或活塞上止點以上的氣缸表面上。

圖8 實測的發動機在高負荷下的曲軸箱通風量

圖9 潤滑油顆粒在進氣門上造成的積炭

Yilmaz在某直列4缸2 L自然吸氣汽油機上對曲軸箱通風再循環帶入缸內的潤滑油顆粒特性進行了研究[11]。他通過試驗方法研究了從不同途徑進入缸內的機油隨負荷和轉速的變化。試驗結果顯示，通過活塞和缸套間隙進入缸內的機油量(oil transport)隨發動機轉速升高而增加，在給定轉速下，其隨著負荷的升高而降低，即低速大負荷并不是機油從活塞和缸套間隙進入缸內的最優條件。Yilmaz測定了從曲軸箱通風出來的機油顆粒(oil carryover)在幾個微米的數量級。雖然機油顆粒大小對發動機負荷變化不敏感，但機油顆粒的顆粒濃度會隨發動機負荷提高而劇烈增加：從低負荷的106mL-1數量級跳躍向高負荷的107mL-1數量級。這反映了機油揮發性隨機油溫度的變化特性。

根據圖8所示的曲軸箱通風流量，可近似地估計低速大負荷下進入試驗發動機每個氣缸每循環的潤滑油顆粒數為107～108。掃氣時，部分被從進氣道流向排氣道的掃氣流動攜帶的機油顆粒可能附著在燃燒室頂部，燃燒室頂部的碳氫化合物在燃燒過程中如不能完全清理就會變成積炭。本研究發現，對進氣系統的積炭進行清洗后，LSPI事件的發生頻率明顯減少。因此，可以初步推論：觸發LSPI事件的機油顆粒主要來源可能是在掃氣時曲軸箱通風再循環所攜帶的具有低揮發性和高黏度的潤滑油顆粒，其比來自活塞間隙的潤滑油顆粒更容易附著在燃燒室壁面上，而且也解釋了LSPI事件主要發生在發動機掃氣區的原因。

3.2 缸內機油顆粒的燃燒特性

試驗發動機所使用的曲軸箱機油為SAE 5W30 合成油，其部分物理性質如表2所示。

表2 發動機潤滑油的部分物理性質

燃油對曲軸箱機油的稀釋(簡稱機油稀釋)是直噴增壓發動機遇到的另一個挑戰。造成機油稀釋的原因是燃油蒸氣在缸壁上的冷凝或噴油期間部分燃油顆粒和缸壁發生接觸引起濕壁，其結果都是少量液態燃油從活塞和氣缸間的間隙流到曲軸箱。發動機增壓程度越高，所需要的循環噴油量就越大，對應的噴油時間就越長，機油稀釋也就越嚴重。由于汽油的低黏度和高揮發性，進入機油的汽油使機油的黏度降低、揮發性提高。度量機油揮發性的一個重要物理參數是閃點[12]。圖10示出實測的機油稀釋對機油黏度和閃點的影響。在機油稀釋率達到7.5%時，機油黏度下降了23%，接近更換機油的條件(在100 ℃時機油黏度下降25%)；閃點從230 ℃降低到 85 ℃，機油的揮發性大幅度提高。閃點越低，機油的揮發性就越好，曲軸箱通風再循環攜帶的機油就越多。

圖10 機油稀釋率對機油黏度和閃點的影響

閃點小于160 ℃時機油顆粒的蒸發性和燃燒特性類似于分子碳鏈長度為16～18的生物柴油。 圖11示出由柴油和棕櫚油甲酯(palm oil methyl ester，PME)合成的生物柴油的閃點和十六烷值[13]。不同比例的PME和柴油構成的生物柴油的閃點和具有相同閃點的機油對應的汽油稀釋率見圖12，其中純PME(B100) 和50%PME合成的生物柴油B50的閃點對應的機油稀釋率分別為1.1%和8.5%。

圖11 柴油-生物柴油混合燃料的閃點和十六烷值

圖12 被稀釋機油和等效閃點的生物柴油比較

進入氣缸的潤滑油顆粒成為提前點火源需要經歷如圖13所示的物理過程。要達到點火條件，機油顆粒必須在其周圍形成如圖14所示的可燃混合氣的濃度和溫度條件。如顆粒不足夠大，很可能在達到著火條件前就完全氣化而且機油蒸氣會被缸內氣流運動迅速稀釋到難以自燃的濃度。這樣的機油顆粒很難觸發提前點火。

圖13 缸內機油液滴達到自燃的物理過程

圖14 機油液滴周圍可燃混合氣及溫度場分布

假定機油顆粒被燃油稀釋的稀釋率為4.7%(閃點約為100 ℃)，那么機油顆粒的蒸發特性可以用B70生物柴油的性質來估算。圖15示出初始溫度為150 ℃時初始直徑為10 μm和15 μm的兩個機油液滴的蒸發時間，空氣環境條件為溫200 ℃，壓力0.2 MPa。機油顆粒的初始條件和環境條件分別相當于燃燒室頂部的平均金屬溫度及壓縮沖程初期缸內工質的狀態。10 μm和15 μm的兩個機油顆粒完全蒸發所需的時間分別為8.5 ms和19 ms。在發動機轉速為1 500 r/min時，這兩個機油顆粒的蒸發時間相當于77°和171°曲軸轉角；只有15 μm的機油液滴才有條件觸發提前點火，因為10 μm的液滴在達到試驗觀察到的提前點火窗口前已完全蒸發，不可能成為點火源。

圖15 模擬的閃點為100 ℃的機油液滴蒸發時間

沒被稀釋的曲軸箱機油的著火點一般大于240 ℃[12]，也就是說未被稀釋的機油顆粒在溫度低于240 ℃時不可能產生提供穩定燃燒所需的可燃蒸氣，當然也就不可能成為提前點火源。要使機油顆粒在小于等于 240 ℃的溫度下成為提前點火源，必須存在一定程度的燃油稀釋使其著火點下降。這說明燃油對機油的稀釋對機油成為LSPI的提前點火源有很大的影響。

最易成為點火源的機油顆粒是相對較大并附著在缸內熱金屬表面上的顆粒，因為這樣的顆粒容易從高溫金屬表面獲得蒸發所需的加熱能量。圖16示出模擬試驗發動機在4 600 r/min的高端最大扭矩點時燃燒室壁面的溫度。如圖所示，模擬的燃燒室最高壁溫為240 ℃，發生在兩個排氣門間的鼻梁區。在1 500 r/min的低端最大扭矩點的燃燒室壁面溫度不會有很大的不同，因為1 500 r/min對應扭矩和4 600 r/min相同，但冷卻液流量只有4 600 r/min的30%。當較大的機油顆粒在掃氣過程中進入氣缸并附著在燃燒室熱表面上時(如圖16)，這些顆粒很有可能成為提前點火源。

由于不能避免機油顆粒進入缸內，對于具有如圖3所示的扭矩曲線的TGDI發動機來說，要避免低速提前點火現象是不實際的。最有效的保護發動機的方式是削弱LSPI的觸發條件以及降低超級爆震強度，使得超級爆震發生時的缸內最大壓力處在設計限值之內，從而不會損壞發動機。除了限定PFP的最大值外，也必須對LSPI事件的發生頻率加以限制。 LSPI事件的發生頻率受過量空氣系數(φa)，發動機冷卻液溫度Tcoolant，及曲軸箱機油稀釋程度等因素影響。

4 抑制超級爆震的方法

4.1 在LSPI區使用濃混合氣

加濃混合氣能夠抑制爆震的原因在于含有更多燃油的混合氣的絕熱指數減小，發動機壓縮終了的混合氣溫度降低，發動機內熱點比較難達到混合氣自燃溫度，抑制了超級爆震[14]。

對混合氣加濃可以減弱點火化學反應動力學作用，增加點火延遲時間，從而減小LSPI事件發生的提前角。圖17示出過量空氣系數對LSPI事件發生頻率的影響，對應發動機轉速為1 500 r/min，冷卻液出口溫度為86 ℃。可以看出，當φa從1.0減小到 0.85時，LSPI事件的發生頻率會降低到計量混合氣的40%。需要指出，由于加濃導致發動機的經濟性下降，加濃措施應是只在LSPI事件發生時的瞬態控制策略，當LSPI事件不再發生時，燃燒控制應回到計量混合氣。

圖18示出在濃混合氣條件下發生PI事件時的缸內壓力，對應發動機工況為：1 500 r/min全負荷，φa= 0.75，Tcoolant=75 ℃。缸壓曲線顯示，雖然第3缸發生了LSPI事件，但并沒有引發超級爆震。由于提前點火，PFP值達到了12.5 MPa，比常規燃燒的PFP約高出4.5 MPa，因此仍不能將其定義為正常燃燒。如果PFP超出發動機的設計限值，可能導致發動機零部件因強度不足而損壞。

圖18 發生低速提前點火事件時的缸壓(Tcoolant=75 ℃，φa = 0.75)

圖19示出正常燃燒的第1缸和發生提前點火的第3缸的燃燒過程的比較。可以看出，兩者的燃燒特性是相似的，不同的是正常燃燒時PFP發生在MFB80(對應于火焰達到缸壁的時間)，而提前點火的燃燒PFP發生在MFB90以后，很接近于發生超級爆震時PFP的位置。

圖19 正常燃燒和不正常燃燒燃的放熱規律比較

4.2 在LSPI區采用高溫冷卻

提高發動機冷卻溫度會促進附著在燃燒室壁面和進氣道壁面潤滑油顆粒的蒸發，有利于削弱 LSPI事件的發生。本研究中TGDI發動機配置了電子節溫器，可以根據需要對不同工況采取不同水溫的冷卻策略。圖20示出1 500 r/min全負荷下實測的LSPI事件發生頻率與發動機冷卻液溫度的關系，對應的混合氣濃度φa=0.90。試驗揭示，當發動機出口水溫由85 ℃提升到105 ℃時，LSPI事件的發生頻率減少到85 ℃時的1/3。結果表明，對于配置電子節溫器的TGDI發動機可以在LSPI區實施高溫冷卻以減少LSPI事件的發生頻率。圖21所示的發動機工況條件同于圖18，不同只是發動機冷卻溫度提高到Tcoolant= 90 ℃，及LSPI事件發生在第4缸。對比圖18和圖21可知，提高發動機冷卻溫度使提前點火角推后，而且PFP也下降到11 MPa，這個爆壓值對大多數TGDI發動機是安全的。

圖20 冷卻液溫度對低速提前點火事件發生頻率的影響

圖21 發生低速提前點火事件時的缸壓(Tcoolant=90 ℃，φa = 0.75)

4.3 控制燃油對曲軸箱機油的稀釋

一般來說，潤滑油的揮發性、閃點和著火點都隨其SAE標號提高而提高，這是由潤滑油的揮發性和可燃性的內在關系決定的。汽油對曲軸箱機油的稀釋改變了其揮發性，因而也改變了其可燃性。滯留在機油中的是汽油中具有低燃點的重組分(即碳鏈較長的大分子組分)，由于汽油黏度低、揮發性高，進入機油的汽油低燃點組分很大程度地改變了機油的黏度、揮發性及可燃性。提高機油的溫度可以提高機油中汽油的揮發性，減少滯留在機油中的汽油含量，減弱其對機油的黏度、揮發性及可燃性的影響。

圖22示出不同SAE標號機油的著火點、閃點和100 ℃時的黏度。高SAE標號的機油揮發性較低，可以接受較高程度的機油稀釋率，因而有利于削弱LSPI事件的發生頻率。圖23示出試驗發動機在1 500 r/min全負荷下采用兩個不同SAE標號機油時LSPI事件發生頻率的比較，對應的φa=1.0，冷卻液溫度Tcoolant=86 ℃。如圖所示，采用高SAE標號潤滑油有助于降低LSPI事件的發生頻率。

圖22 不同SAE等級機油的著火點、閃點和黏度

圖23 不同SAE黏度等級的機油對LSPI頻率的影響

5 結論

a) LSPI事件頻繁發生在低速大負荷區，和發動機的掃氣區重合，LSPI事件發生的頻率和曲軸箱通風再循環攜帶潤滑油顆粒的蒸發性及可燃性有很強的相關性；

b) 對混合氣加濃可以減弱點火化學反應動力學作用，增加點火延遲時間，有利于減小LSPI事件發生的提前角，加濃同時也可以加速點火后火焰的傳播速度，減少火焰未達到前發生自燃的混合氣的質量，減弱爆震強度；

c) 提高發動機在LSPI區的冷卻溫度會促進附著在燃燒室壁面和進氣道壁面的潤滑油顆粒的蒸發，有利于消弱LSPI事件發生的觸發源；

d) 進入缸內的機油顆粒的著火點大于燃燒室壁面的最高金屬溫度時，很難產生可以提供穩定燃燒所需的可燃蒸氣，不可能成為提前點火源；減小曲軸箱機油被燃油的稀釋率可以提高著火點，有助于抑制LSPI事件的發生；

e) 對缸內混合氣加濃及采用高溫冷卻雖不能消除LSPI事件的發生，但合適的燃燒控制可以完全抑制超級爆震的發生；對應的燃燒仍不屬于正常燃燒，但如果把PFP下降到小于等于11 MPa，對大多數TGDI發動機是安全的。