高增壓直噴汽油機(jī)超級(jí)爆震現(xiàn)象及其燃燒特性分析

王懷安

江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330001

0 引言

在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒開發(fā)和試驗(yàn)過程中，經(jīng)常會(huì)面臨各種各樣的問題，尤其是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的全新開發(fā)。由于采用了自主開發(fā)設(shè)計(jì)的燃燒系統(tǒng)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的點(diǎn)火時(shí)刻、燃燒的發(fā)生時(shí)刻、燃燒持續(xù)期等都需要精確控制和調(diào)校，經(jīng)常會(huì)遇到不正常的燃燒過程，需要對(duì)其發(fā)生機(jī)制和特性進(jìn)行深入的研究。

1 超級(jí)爆震現(xiàn)象介紹

增壓和缸內(nèi)直接噴射(turbo-charged gasoline direct injection，TGDI)技術(shù)是汽油機(jī)提高燃油經(jīng)濟(jì)性的有效方法，同時(shí)由于均質(zhì)混合氣的燃燒模式可以簡化后處理方案，因此被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代高增壓直噴汽油機(jī)中。采用均質(zhì)燃燒的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，在低速高負(fù)荷(轉(zhuǎn)速不大于2 500 r/min、平均有效壓力不小于1.5 MPa)工作時(shí)，且在火花塞正常點(diǎn)火之前，缸內(nèi)混合氣會(huì)頻繁發(fā)生一種自燃的特殊現(xiàn)象，文獻(xiàn)[1-2]中稱其為低速提前點(diǎn)火(low-speed pre-ignition，LSPI)。

嚴(yán)重的低速提前點(diǎn)火會(huì)引起超出設(shè)計(jì)限值的缸內(nèi)壓力和嚴(yán)重的爆震，對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)壓力震蕩高達(dá)10 MPa，這一現(xiàn)象稱為超級(jí)爆震[1-4]。超級(jí)爆震具有間歇性發(fā)生的特征，在多次重復(fù)發(fā)生過程中表現(xiàn)為著火越來越早而缸內(nèi)最高燃燒壓力也越來越高[5]。超級(jí)爆震發(fā)生前一定有低速提前點(diǎn)火發(fā)生，但低速提前點(diǎn)火不一定導(dǎo)致超級(jí)爆震[6]。

鑒于其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的破壞力，超級(jí)爆震是目前汽油機(jī)繼續(xù)提升扭矩和降低油耗的主要障礙[7]，也是在國內(nèi)油品條件下，提高缸內(nèi)直噴汽油機(jī)增壓水平和性能面臨的最大挑戰(zhàn)。

2 試驗(yàn)的基本信息及提前點(diǎn)火區(qū)域

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)某公司自主開發(fā)的4缸、1.5 L排量的高增壓TGDI汽油機(jī)，其中燃油為RON92汽油，基本參數(shù)見表1。發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)排氣凸輪相位均可獨(dú)立調(diào)整60 ℃A曲軸轉(zhuǎn)角。發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器采用6孔側(cè)置安裝，最大噴射壓力為15 MPa，噴油器在15 MPa壓力下的噴油特性如圖1所示，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(ECU)的設(shè)定實(shí)施多次噴油。圖2為噴油器布置及油束在活塞頂部的落點(diǎn)示意。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)

圖1 噴油器在15 MPa壓力下的噴油特性

圖2 噴油器布置及油束在活塞頂部的落點(diǎn)示意

圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線，其最大扭矩覆蓋的轉(zhuǎn)速區(qū)為1 500～4 600 r/min。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)在不大于2 500 r/min的低速段扭矩，利用可變配氣正時(shí)系統(tǒng)，通過進(jìn)排氣門疊開的掃氣功能，改善了增壓器在靠近喘振區(qū)的低流量下的增壓性能，使發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速下延到1 500 r/min。提升發(fā)動(dòng)機(jī)的低端扭矩，從而提升了整車的低速加速能力。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線

圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷下的進(jìn)排氣壓力變化曲線。發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣區(qū)位于圖中左上角的低速高負(fù)荷區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷以平均有效壓力(brake mean effective pressure，BMEP)表示。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于2 500 r/min的中高速區(qū)，由于排氣道壓力大于進(jìn)氣道壓力，在氣門重疊角內(nèi)可能發(fā)生部分高溫廢氣的反流，進(jìn)入進(jìn)氣道的高溫廢氣最終隨進(jìn)氣流入氣缸。試驗(yàn)觀察到的LSPI區(qū)也完全落入掃氣區(qū)內(nèi)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷下的進(jìn)排氣壓力變化曲線

圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下全負(fù)荷缸壓曲線。圖中示出了此工況時(shí)發(fā)生的由LSPI引發(fā)的超級(jí)爆震現(xiàn)象，最大缸內(nèi)壓力達(dá)到正常燃燒峰值的2.5倍，爆震時(shí)的壓力波動(dòng)超過正常燃燒的峰值壓力(peak firing pressure，PFP)。圖中也示出了提前點(diǎn)火的缸內(nèi)壓力曲線和火花塞正常點(diǎn)火的缸內(nèi)壓力曲線。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下的全負(fù)荷缸壓曲線

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況從低速以升速方式穿越或者穩(wěn)態(tài)運(yùn)行于LSPI區(qū)時(shí)，LSPI事件總會(huì)發(fā)生；但從高速以降速方式穿越LSPI區(qū)時(shí)，LSPI事件很少發(fā)生。

3 LSPI的特性分析

3.1 提前點(diǎn)火出現(xiàn)模式及觸發(fā)原因

發(fā)動(dòng)機(jī)的最低轉(zhuǎn)速最大扭矩點(diǎn)代表了低速提前點(diǎn)火發(fā)生最頻繁工況。因此，觀察低速提前點(diǎn)火特性的試驗(yàn)工況點(diǎn)選定1 500 r/min全負(fù)荷。主要邊界條件為：過量空氣系數(shù)λ=1.0，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液出口溫度90 °C。

在測試中，低速提前點(diǎn)火的出現(xiàn)是完全隨機(jī)的，通常僅發(fā)生在單個(gè)氣缸，偶爾會(huì)在兩個(gè)氣缸同時(shí)出現(xiàn)，各個(gè)氣缸之間的出現(xiàn)并沒有相關(guān)性。此外，盡管低速提前點(diǎn)火的出現(xiàn)比較隨機(jī)，但是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在特定負(fù)荷區(qū)域時(shí)，仍然是可重復(fù)觀察的。低速提前點(diǎn)火的出現(xiàn)通常有3種模式：①單次孤立發(fā)生(圖6)；②連續(xù)發(fā)生兩次(圖7)；③一次低速提前點(diǎn)火隨后一次正常燃燒組成一對(duì)(圖8)，然后會(huì)一對(duì)一對(duì)成串出現(xiàn)(圖9)，最高可以出現(xiàn)8對(duì)。

圖6 低速提前點(diǎn)火模式(單次孤立發(fā)生)

圖7 低速提前點(diǎn)火模式(連續(xù)發(fā)生兩次)

由圖6可知，2#氣缸單次低速提前點(diǎn)火，其余氣缸正常燃燒，由低速提前點(diǎn)火觸發(fā)的超級(jí)爆震使PFP高于正常燃燒的2.5倍；由圖7可知，連續(xù)發(fā)生兩次低速提前點(diǎn)火模式，兩次現(xiàn)象非常類似；由圖8可知，一次低速提前點(diǎn)火后跟隨一次正常燃燒循環(huán)，兩者交替出現(xiàn);由圖9可知，一連串按照交替模式出現(xiàn)的低速提前點(diǎn)火，這可以看作圖8的更加普遍模式。圖9中包含了低速提前點(diǎn)火的絕大部分出現(xiàn)模式，由于有一連串的低速提前點(diǎn)火，產(chǎn)生了發(fā)動(dòng)機(jī)有較強(qiáng)烈的沖擊，并顯示出低速提前點(diǎn)火發(fā)生在3#缸。由圖能夠看到最后一次低速提前點(diǎn)火結(jié)束后，會(huì)連續(xù)出現(xiàn)多個(gè)正常燃燒循環(huán)。

圖8 低速提前點(diǎn)火模式(一次低速提前點(diǎn)火隨后一次正常燃燒組成一對(duì))

圖9 低速提前點(diǎn)火模式(一對(duì)一對(duì)成串出現(xiàn))

圖10展示了4個(gè)氣缸p-V示功圖，其時(shí)刻是圖9中低速提前點(diǎn)火發(fā)生前的最末一個(gè)正常燃燒循環(huán)，本次循環(huán)第三缸沒有明顯的不正常燃燒；在緊隨其后的循環(huán)中，3#缸發(fā)生了提前點(diǎn)火(pre-iqnition,PI)，缸內(nèi)壓力峰值出現(xiàn)在接近上止點(diǎn)的位置，數(shù)值超過了正常燃燒循環(huán)的1倍，如圖11所示。

圖10 在圖9中第一次PI出現(xiàn)前一個(gè)循環(huán)的4個(gè)氣缸的p-V示功圖

圖11 在第三缸出現(xiàn)不正常燃燒(超級(jí)爆震)時(shí)的各缸p-V示功圖

圖12為圖9中第一次PI出現(xiàn)前一個(gè)循環(huán)的4個(gè)氣缸各缸缸內(nèi)壓力曲線，展示的是圖9的前兩次PI ；圖13顯示的是介于兩次PI之間的正常燃燒循環(huán)的p-V示功圖，缸壓顯示發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(ECU)通過爆震傳感器檢測到一次強(qiáng)烈的發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，并且通過推遲點(diǎn)火角度的策略來對(duì)其進(jìn)行抑制。其結(jié)果是燃燒被推遲，峰值缸內(nèi)壓力相應(yīng)降低。這種針對(duì)常規(guī)火花塞爆震的策略反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致排氣溫度升高，同時(shí)，如果引起提前點(diǎn)火的條件依然存在，在接下來的循環(huán)可能會(huì)持續(xù)觸發(fā)PI。事實(shí)上，圖12顯示出下一個(gè)循環(huán)PI再一次出現(xiàn)了。

圖12 圖9中第一次PI出現(xiàn)前一個(gè)循環(huán)的4個(gè)氣缸各缸缸內(nèi)壓力曲線

圖13 介于兩次PI之間的正常燃燒循環(huán)的p-V示功圖

由圖10至圖13的兩個(gè)正常燃燒循環(huán)的p-V示功圖可看出：引起第一次PI和第二次交替模式PI的原因并不相同。根據(jù)PI的一些可視化研究[8-10]，第一次PI可能是由缸內(nèi)機(jī)油顆粒的自燃觸發(fā)，而觸發(fā)后續(xù)PI則是因壓力波沖擊而從燃燒室頂部分離出來的高溫碳顆粒。此高溫顆粒在壓縮沖程可以被觀察到。因此，機(jī)油顆粒和因前一次超級(jí)爆震分離出來的燃燒室頂部高溫積碳顆粒分別成為PI首次觸發(fā)和第二次觸發(fā)的根本原因。這種兩次觸發(fā)假設(shè)對(duì)于試驗(yàn)中觀察到的PI出現(xiàn)模式提供了合理的解釋：首次觸發(fā)僅僅產(chǎn)生了單個(gè)孤立PI，也就是說，PI只發(fā)生一次是因?yàn)槌?jí)爆震帶來的超聲波清潔了附著在燃燒室頂部的殘余機(jī)油顆粒。另外，二次觸發(fā)機(jī)制會(huì)引起連續(xù)不斷的PI，圖7至圖9顯示了這種激勵(lì)下的各種模式。當(dāng)所有的二次觸發(fā)條件全部消耗完畢，PI就會(huì)停止。

二次觸發(fā)產(chǎn)生的PI數(shù)量取決于燃燒室頂部的清潔程度。頂部越不干凈，越會(huì)產(chǎn)生更多的二次觸發(fā)條件，更多的PI會(huì)隨后出現(xiàn)。這種機(jī)制和觀察到的現(xiàn)象吻合，因此也可以得出以下結(jié)論：提升曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)油分離效率可以減少PI首次發(fā)生的數(shù)量，同樣能減少PI第二次發(fā)生的數(shù)量和總體數(shù)量。

3.2 低速提前點(diǎn)火的燃燒特性

顯然，圖9顯示的連續(xù)出現(xiàn)提前點(diǎn)火適合用來研究低速提前點(diǎn)火的燃燒特性。超級(jí)爆震時(shí)缸內(nèi)壓力波動(dòng)沒有與最大缸壓在同一數(shù)量級(jí)，那么超級(jí)爆震的強(qiáng)度同樣可以用缸壓峰值來描述，在研究中用曲軸轉(zhuǎn)角作為橫坐標(biāo)來顯示。在研究中，PI的出現(xiàn)時(shí)刻用5%燃料燃燒完成(MFB05)來間接指示，MFB05的值來源于缸內(nèi)壓力的計(jì)算。圖14為3#缸PI現(xiàn)象的PFP和MFB05，在第一次PI之前和最后一次PI之后分別增加了3個(gè)循環(huán)。

圖14 3#缸PI現(xiàn)象的 PFP 和 MFB05

由圖14可看出，對(duì)比第一次PI之后的燃燒循環(huán)和正常燃燒循環(huán)其MFB05對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角從上止點(diǎn)后15 ℃A移至25 ℃A，這是點(diǎn)火推遲的結(jié)果，這種動(dòng)作并不能抑制PI，相反，6次PI緊隨其后。因此PI并不因?yàn)辄c(diǎn)火時(shí)刻的推遲而停止，其結(jié)束是由于PI的觸發(fā)條件消失或者缸內(nèi)得到清潔。

圖15a繪制了3#缸PI出現(xiàn)前的正常燃燒循環(huán)(該循環(huán)的p-V示功圖在圖10中顯示)的已燃燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)。通過燃燒分析看到，正常燃燒循環(huán)的持續(xù)期(duration of combustion，DOC)約為35 ℃A曲軸轉(zhuǎn)角，峰值壓力位于燃料達(dá)到85%位置(MFB85)。圖15b顯示發(fā)生PI循環(huán)的燃燒質(zhì)量消耗(該循環(huán)的p-V示功圖在圖11中顯示)。根據(jù)對(duì)此不正常燃燒循環(huán)的分析，燃燒持續(xù)期(DOC)只有約20 ℃A曲軸轉(zhuǎn)角，并且超級(jí)爆震發(fā)生在位于93%的燃料燃燒處(MFB93%)。由圖15b可以看出，7%的未燃燃料幾乎同時(shí)燃燒，產(chǎn)生了等于正常燃燒的壓力峰值(圖11)的缸內(nèi)壓力升高，之后跟隨著壓力波動(dòng)，如圖16所示。

圖15 3#缸PI出現(xiàn)前一個(gè)循環(huán)的累積MFB和第一次PI的累積MFB

圖16 3#缸第一次PI引起的超級(jí)爆震對(duì)應(yīng)的壓力波動(dòng)

整個(gè)燃燒持續(xù)期和50%已燃點(diǎn)可以用曲軸轉(zhuǎn)角來分別定義，即 90%已燃點(diǎn)—5%已燃點(diǎn)(MFB90—MFB05)和50%已燃點(diǎn)—5%已燃點(diǎn)(MFB50—MFB05)。3#缸的所有正常和不正常燃燒的燃燒持續(xù)期如圖17所示。由圖17可以看到，在大部分不正常燃燒中，PI不會(huì)很大程度地改變前一半MFB50—MFB05的燃燒速率，然而，它會(huì)加速剩余一半燃料的燃燒速度。因此，不正常燃燒循環(huán)的持續(xù)期會(huì)短于正常循環(huán)的持續(xù)期，有時(shí)只有一半的長度。

圖17 3#缸的所有正常和不正常燃燒的燃燒持續(xù)期

圖18對(duì)比了3#缸內(nèi)正常燃燒和不正常燃燒的MFB90和PFP。在有超級(jí)爆震的循環(huán)中，發(fā)生爆震的曲軸轉(zhuǎn)角是用缸壓峰值點(diǎn)來估算的，因?yàn)檫@兩者發(fā)生點(diǎn)幾乎相同。在正常燃燒循環(huán)中，PFP出現(xiàn)在MFB90之前，基本上在火焰前鋒觸及氣缸壁的時(shí)刻，剩余燃料的燃燒稱為焰后區(qū)燃燒，PFP對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角和不正常燃燒的MFB90對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角在圖19中有詳細(xì)說明。在這些不正常燃燒循環(huán)中，除了提前幅度最少的PI的工況(此時(shí)PFP和MFB90出現(xiàn)在同一曲軸轉(zhuǎn)角)，其他工況PFP出現(xiàn)在MFB90之后，這表明在這些非正常燃燒循環(huán)中不大于10%的燃料發(fā)生了自燃。大部分PI現(xiàn)象的缸壓曲線顯示MFB05的位置在-17 ℃A曲軸轉(zhuǎn)角，提前最少PI的MFB05在-7 ℃A曲軸轉(zhuǎn)角，顯示于圖20。盡管最小提前PI有10%的燃油同時(shí)燃燒，但它帶來的爆震強(qiáng)度并沒有最大提前的PI更大，盡管后者具有相對(duì)量更少的未燃燃料，但是因?yàn)楹笳呔哂谐掷m(xù)5 ℃A曲軸轉(zhuǎn)角的缸壓超過14 MPa的區(qū)域。以上事實(shí)說明PI發(fā)生的時(shí)刻對(duì)超級(jí)爆震強(qiáng)度有直接影響。通過控制提前點(diǎn)火的發(fā)生時(shí)刻可以控制超級(jí)爆震的強(qiáng)度。

圖18 3#缸內(nèi)正常和不正常燃燒的MFB90和PFP對(duì)比

圖19 3#缸內(nèi)不正常燃燒的PFP和MFB90的關(guān)系

圖20 缸壓曲線

4 結(jié)束語

本文使用一臺(tái)排量為1.5 L、四氣門、雙連續(xù)可變氣門正時(shí)的高增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，運(yùn)用試驗(yàn)方式對(duì)于低速提前點(diǎn)火以及由此引起的超級(jí)爆震進(jìn)行了研究。針對(duì)低速提前點(diǎn)火的發(fā)生區(qū)域、出現(xiàn)原因以及出現(xiàn)模式進(jìn)行了闡述。通過分析得出第一次PI可能是由缸內(nèi)機(jī)油顆粒的自燃觸發(fā)，而后續(xù)PI則是因壓力波沖擊從燃燒室頂部分離出來的高溫積碳顆粒而觸發(fā)。

運(yùn)用燃燒分析的方式，對(duì)于提前點(diǎn)火的燃燒特性進(jìn)行了分析。提前點(diǎn)火發(fā)生時(shí)，其90%燃料燃燒點(diǎn)缸內(nèi)與最大缸壓對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角重合，說明剩余10%燃料的急速燃燒帶來了超級(jí)爆震的能量，造成了破壞；同時(shí)，提前點(diǎn)火的發(fā)生時(shí)刻與超級(jí)爆震的強(qiáng)度有直接關(guān)系，通過控制提前點(diǎn)火的發(fā)生時(shí)刻可以控制超級(jí)爆震的強(qiáng)度。