增压直喷汽油机超级爆震发生机理以及爆震抑制的试验研究

2021-12-29苗瑞刚曾小春曹黎明景国玺

车用发动机 2021年6期

苗瑞刚，曾小春，曹黎明，景国玺

(1.江铃汽车股份有限公司产品研发总院，江西南昌 330001；2.河北工业大学机械工程学院，天津 300400；3.天津市新能源汽车动力传动与安全技术重点实验室，天津 300130)

增压和缸内直接喷射(Turbo charged gasoline direct injection,TGDI)技术是汽油机小型化和提高燃油经济性的有效方法。由于均质混合气燃烧模式可以简化发动机的后处理，这种燃烧模式被广泛地应用于现代高增压直喷汽油机中。对于应用这种燃烧模式的TGDI发动机，其在低速高负荷(转速小于等于 2 500 r/min；平均有效压力大于等于1.5 MPa)工作时会频繁发生一种由进入缸内的润滑油诱发的提前点火现象，被称为低速提前点火(low-speed pre-ignition，LSPI)[1-2]。

LSPI导致非常高的缸内压力和严重的爆震，对应的缸内压力振幅高达10 MPa，这一现象称为超级爆震(super knock or mega knock)[1-4]。超级爆震具有“间歇性发生”的特征，在多次重复发生过程中表现为着火越来越早且缸内最高燃烧压力越来越高[5]。超级爆震发生前一定有低速早燃现象发生，但低速早燃现象不一定导致超级爆震[6]。

鉴于其对发动机的破坏力，超级爆震是目前汽油机继续提高升功率和降低油耗的主要障碍[7]，也是在国内目前油品条件下提高缸内直喷汽油机增压水平面临的最大挑战。由于引发超级爆震的LSPI是由缸内润滑油自燃导致点火，有效控制超级爆震强度的措施应该从以下两个方面来考虑：1)尽可能削弱其产生的条件；2)通过控制点火的化学反应动力学及加速点火后火焰的传播速度来削弱LSPI引发的超级爆震的强度。本研究针对上述两个方面进行了试验研究。

1 发动机基本信息

试验用发动机是一台4缸、1.5 L高增压TGDI汽油机，基本参数见表1。

表1 发动机的基本参数

发动机配置了高效率的电控放气阀式涡轮增压器及双可变气门相位器，进排气凸轮的配气相位可独立调整的范围均为60°曲轴转角。发动机喷油器侧置安装在进气侧，每个喷油器有6个喷孔，最大喷射压力为15 MPa。可在发动机电子控制单元(ECU)许可的喷油时间内根据需要实施多次喷油，主要在进气冲程进行。图1示出油束在活塞顶部的落点。图2示出实测喷油器在15 MPa喷油压力下的油束长度和喷油时间的关系。

图1 喷油器布置及油束在活塞顶部的落点

图2 喷油器在15 MPa喷油压力下的喷油特性

图3示出发动机性能曲线的无量纲表示，其最大扭矩覆盖的转速区为1 500～4 600 r/min。为了提高发动机在2 500 r/min内的低速段扭矩，利用可变气门正时控制通过进气扫气改善增压器靠近喘振区低流量下的增压性能，使发动机最大扭矩转速下延到1 500 r/min。

图3 扫气功能带来的低端扭矩提升

图4示出发动机的扫气区，其位于图中左上角的低速高负荷区，图中发动机负荷以平均有效压力(brake mean effective pressure，BMEP)表示。全负荷下的进排气管压力也在图4中示出。在发动机转速大于2 500 r/min的中高速区，由于排气道压力大于进气道压力，在气门重叠角内可能发生部分高温废气的反流，进入进气道的高温废气最终随进气流入气缸。试验观察到的LSPI区也在图4中示出，其完全落入了扫气区内。图5示出发动机运行在1 500 r/min全负荷工况时发生的由LSPI引发的超级爆震现象，其燃烧压力的峰值达到正常燃烧压力峰值的2.5倍，爆震时的压力波动超过正常燃烧时的爆发压力(peak firing pressure or PFP)。提前点火的时间和火花塞正常点火的时间在图5中示出以进行比较。

图4 发动机全负荷下的扫气区和观测到的低速提前点火事件频发区

图5 发动机在1 500 r/min全负荷下发生超级爆震和正常燃烧循环的气缸压力比较

试验发现，当发动机运行工况从低速以升速方式穿越LSPI区时，LSPI总会发生；但从高速以降速方式穿越LSPI区时，LSPI几乎不发生。这说明LSPI的诱发源和扫气流动有较强的相关性。

图6示出全负荷工况下的喷油量，即各转速下的最大循环喷油量。可以看出，低端最大扭矩和高端最大扭矩的喷油量仅相差20%。对于采用均匀混合气的TGDI发动机，增压压力越高，要求的喷油量就越大，喷油遇到的挑战就越大：在低端最大扭矩转速的挑战是活塞速度太低，虽然可以实施多次喷油，但喷油时间过早或任一次喷油时间过长都会引起高速油束和处于低速运动的活塞发生干涉；在高端最大扭矩转速的挑战是活塞完成一个冲程的时间太短，因而只能实施一次喷油，如喷油时间接近或大于180°曲轴转角时，也会引起油束和活塞的干涉。油束和活塞顶面的干涉会造成油束反弹到缸壁上，导致油底壳机油稀释。

图6 全负荷工况下各气缸的循环喷油量

2 超级爆震强度和燃烧起始点的关系

发动机的低速端最大扭矩工况是LSPI发生最频繁的工况。因此，对LSPI特性的试验研究选定在1 500 r/min全负荷工况。发动机试验采用的混合气为计量混合气(过量空气系数φa= 1.0)，试验中冷却液出口温度控制在90 ℃。

试验观察到的LSPI现象具有高度的随机性：一般仅在单个气缸发生，偶尔也会在两个气缸同时发生。LSPI现象以孤立单独事件或连续事件的模式出现，后一种模式更常见。其共性是开始和结束都没有预兆。对于连续发生的模式，最后一个LSPI事件结束后发动机会有很长一段时间在完全正常燃烧的条件下工作，似乎引发LSPI事件的触发源在最后一个事件中被消除。这意味着超级爆震引发的缸内高频压力波可能对LSPI事件的触发源具有某种清洁作用。尽管LSPI发生具有高度随机性，但当发动机运行工况落入LSPI区内时，LSPI事件具有较高的出现频率。

典型发生LSPI事件的气缸和其他正常燃烧气缸压力的比较见图5。超级爆震发生时缸内压力波动峰值相当于正常燃烧时的最大缸压。在这种条件下，用不正常燃烧时的最大缸压来表示超级爆震的强度对分析提前点火角对其影响更为合理。由于提前点火的时间是不可控的，本研究采用缸内5%燃料燃烧(5% Mass of Fuel burned，MFB05)对应的曲轴转角来定性分析提前点火开始发生的时间。图7示出实测的最大缸压和MFB05的关系，可见缸内压力随提前点火发生时刻的前移而提高，但达到一定的提前角后似乎稳定在一个范围。

图7 MFB05和气缸内最高燃烧压力的关系

3 缸内机油颗粒触发提前点火的机理和触发条件

3.1 触发LSPI事件的机油颗粒来源

机油颗粒物有可能导致低速早燃的发生[8]。许多研究者[9-10]对于高增压TGDI发动机中触发提前点火(pre-ignition，PI)的机油颗粒位置进行了缸内可视化研究。Dahnz和Spicher[9]发现PI经常开始于燃烧室壁面或气缸体垫片间隙的某个位置。Zaccardi等[10]观察到PI更多地发生在缸盖排气门的鼻梁区和燃烧室顶部的火花塞周围。至今为止，几乎所有研究报告都认为触发PI的机油颗粒进入缸内的途径可能是活塞和缸体的间隙，并悬浮在缸内气体中，随着气流运动部分润滑油颗粒附着在燃烧室顶部，形成潜在的提前点火源[1-2]。从活塞和缸体的间隙进入缸内的润滑油一般称为机油输运(oil transport)，它具有随发动机转速提高而增加的性质，因而这个机理无法解释LSPI仅发生在低速高负荷区。

对于高增压TGDI发动机，润滑油进入缸内的另一个重要途径是曲轴箱通风再循环带入的润滑油(oil carryover)。由于缸内直喷及喷油时间长，TGDI发动机不可避免地存在燃油对曲轴箱机油的稀释现象。进入曲轴箱的燃油使机油的挥发性提高，导致曲轴箱通风再循环携带了大量的润滑油颗粒。

图8示出实测高负荷区曲轴箱通风流量，可见低速高负荷区具有最大的曲轴箱通风流量。由于中冷器的冷凝作用，曲轴箱通风再循环携带的润滑油颗粒在中冷后变大，且黏度提高，这使得在低速大负荷对应的扫气流动中曲轴箱通风再循环携带的润滑油颗粒更容易滞留在燃烧室壁面上。图9示出试验发动机在低速大负荷下由曲轴箱通风再循环携带的润滑油颗粒造成的在进气门盘及杆上的积炭现象。这间接证实曲轴箱通风再循环带入缸内的润滑油颗粒经中冷后由于黏度提高及蒸发性变差，更容易附着在燃烧室壁面上或活塞上止点以上的气缸表面上。

图8 实测的发动机在高负荷下的曲轴箱通风量

图9 润滑油颗粒在进气门上造成的积炭

Yilmaz在某直列4缸2 L自然吸气汽油机上对曲轴箱通风再循环带入缸内的润滑油颗粒特性进行了研究[11]。他通过试验方法研究了从不同途径进入缸内的机油随负荷和转速的变化。试验结果显示，通过活塞和缸套间隙进入缸内的机油量(oil transport)随发动机转速升高而增加，在给定转速下，其随着负荷的升高而降低，即低速大负荷并不是机油从活塞和缸套间隙进入缸内的最优条件。Yilmaz测定了从曲轴箱通风出来的机油颗粒(oil carryover)在几个微米的数量级。虽然机油颗粒大小对发动机负荷变化不敏感，但机油颗粒的颗粒浓度会随发动机负荷提高而剧烈增加：从低负荷的106mL-1数量级跳跃向高负荷的107mL-1数量级。这反映了机油挥发性随机油温度的变化特性。

根据图8所示的曲轴箱通风流量，可近似地估计低速大负荷下进入试验发动机每个气缸每循环的润滑油颗粒数为107～108。扫气时，部分被从进气道流向排气道的扫气流动携带的机油颗粒可能附着在燃烧室顶部，燃烧室顶部的碳氢化合物在燃烧过程中如不能完全清理就会变成积炭。本研究发现，对进气系统的积炭进行清洗后，LSPI事件的发生频率明显减少。因此，可以初步推论：触发LSPI事件的机油颗粒主要来源可能是在扫气时曲轴箱通风再循环所携带的具有低挥发性和高黏度的润滑油颗粒，其比来自活塞间隙的润滑油颗粒更容易附着在燃烧室壁面上，而且也解释了LSPI事件主要发生在发动机扫气区的原因。

3.2 缸内机油颗粒的燃烧特性

试验发动机所使用的曲轴箱机油为SAE 5W30 合成油，其部分物理性质如表2所示。

表2 发动机润滑油的部分物理性质

燃油对曲轴箱机油的稀释(简称机油稀释)是直喷增压发动机遇到的另一个挑战。造成机油稀释的原因是燃油蒸气在缸壁上的冷凝或喷油期间部分燃油颗粒和缸壁发生接触引起湿壁，其结果都是少量液态燃油从活塞和气缸间的间隙流到曲轴箱。发动机增压程度越高，所需要的循环喷油量就越大，对应的喷油时间就越长，机油稀释也就越严重。由于汽油的低黏度和高挥发性，进入机油的汽油使机油的黏度降低、挥发性提高。度量机油挥发性的一个重要物理参数是闪点[12]。图10示出实测的机油稀释对机油黏度和闪点的影响。在机油稀释率达到7.5%时，机油黏度下降了23%，接近更换机油的条件(在100 ℃时机油黏度下降25%)；闪点从230 ℃降低到 85 ℃，机油的挥发性大幅度提高。闪点越低，机油的挥发性就越好，曲轴箱通风再循环携带的机油就越多。

图10 机油稀释率对机油黏度和闪点的影响

闪点小于160 ℃时机油颗粒的蒸发性和燃烧特性类似于分子碳链长度为16～18的生物柴油。图11示出由柴油和棕榈油甲酯(palm oil methyl ester，PME)合成的生物柴油的闪点和十六烷值[13]。不同比例的PME和柴油构成的生物柴油的闪点和具有相同闪点的机油对应的汽油稀释率见图12，其中纯PME(B100) 和50%PME合成的生物柴油B50的闪点对应的机油稀释率分别为1.1%和8.5%。

图11 柴油-生物柴油混合燃料的闪点和十六烷值

图12 被稀释机油和等效闪点的生物柴油比较

进入气缸的润滑油颗粒成为提前点火源需要经历如图13所示的物理过程。要达到点火条件，机油颗粒必须在其周围形成如图14所示的可燃混合气的浓度和温度条件。如颗粒不足够大，很可能在达到着火条件前就完全气化而且机油蒸气会被缸内气流运动迅速稀释到难以自燃的浓度。这样的机油颗粒很难触发提前点火。

图13 缸内机油液滴达到自燃的物理过程

图14 机油液滴周围可燃混合气及温度场分布

假定机油颗粒被燃油稀释的稀释率为4.7%(闪点约为100 ℃)，那么机油颗粒的蒸发特性可以用B70生物柴油的性质来估算。图15示出初始温度为150 ℃时初始直径为10 μm和15 μm的两个机油液滴的蒸发时间，空气环境条件为温200 ℃，压力0.2 MPa。机油颗粒的初始条件和环境条件分别相当于燃烧室顶部的平均金属温度及压缩冲程初期缸内工质的状态。10 μm和15 μm的两个机油颗粒完全蒸发所需的时间分别为8.5 ms和19 ms。在发动机转速为1 500 r/min时，这两个机油颗粒的蒸发时间相当于77°和171°曲轴转角；只有15 μm的机油液滴才有条件触发提前点火，因为10 μm的液滴在达到试验观察到的提前点火窗口前已完全蒸发，不可能成为点火源。

图15 模拟的闪点为100 ℃的机油液滴蒸发时间

没被稀释的曲轴箱机油的着火点一般大于240 ℃[12]，也就是说未被稀释的机油颗粒在温度低于240 ℃时不可能产生提供稳定燃烧所需的可燃蒸气，当然也就不可能成为提前点火源。要使机油颗粒在小于等于 240 ℃的温度下成为提前点火源，必须存在一定程度的燃油稀释使其着火点下降。这说明燃油对机油的稀释对机油成为LSPI的提前点火源有很大的影响。

最易成为点火源的机油颗粒是相对较大并附着在缸内热金属表面上的颗粒，因为这样的颗粒容易从高温金属表面获得蒸发所需的加热能量。图16示出模拟试验发动机在4 600 r/min的高端最大扭矩点时燃烧室壁面的温度。如图所示，模拟的燃烧室最高壁温为240 ℃，发生在两个排气门间的鼻梁区。在1 500 r/min的低端最大扭矩点的燃烧室壁面温度不会有很大的不同，因为1 500 r/min对应扭矩和4 600 r/min相同，但冷却液流量只有4 600 r/min的30%。当较大的机油颗粒在扫气过程中进入气缸并附着在燃烧室热表面上时(如图16)，这些颗粒很有可能成为提前点火源。

由于不能避免机油颗粒进入缸内，对于具有如图3所示的扭矩曲线的TGDI发动机来说，要避免低速提前点火现象是不实际的。最有效的保护发动机的方式是削弱LSPI的触发条件以及降低超级爆震强度，使得超级爆震发生时的缸内最大压力处在设计限值之内，从而不会损坏发动机。除了限定PFP的最大值外，也必须对LSPI事件的发生频率加以限制。 LSPI事件的发生频率受过量空气系数(φa)，发动机冷却液温度Tcoolant，及曲轴箱机油稀释程度等因素影响。

4 抑制超级爆震的方法

4.1 在LSPI区使用浓混合气

加浓混合气能够抑制爆震的原因在于含有更多燃油的混合气的绝热指数减小，发动机压缩终了的混合气温度降低，发动机内热点比较难达到混合气自燃温度，抑制了超级爆震[14]。

对混合气加浓可以减弱点火化学反应动力学作用，增加点火延迟时间，从而减小LSPI事件发生的提前角。图17示出过量空气系数对LSPI事件发生频率的影响，对应发动机转速为1 500 r/min，冷却液出口温度为86 ℃。可以看出，当φa从1.0减小到 0.85时，LSPI事件的发生频率会降低到计量混合气的40%。需要指出，由于加浓导致发动机的经济性下降，加浓措施应是只在LSPI事件发生时的瞬态控制策略，当LSPI事件不再发生时，燃烧控制应回到计量混合气。

图18示出在浓混合气条件下发生PI事件时的缸内压力，对应发动机工况为：1 500 r/min全负荷，φa= 0.75，Tcoolant=75 ℃。缸压曲线显示，虽然第3缸发生了LSPI事件，但并没有引发超级爆震。由于提前点火，PFP值达到了12.5 MPa，比常规燃烧的PFP约高出4.5 MPa，因此仍不能将其定义为正常燃烧。如果PFP超出发动机的设计限值，可能导致发动机零部件因强度不足而损坏。

图18 发生低速提前点火事件时的缸压(Tcoolant=75 ℃，φa = 0.75)

图19示出正常燃烧的第1缸和发生提前点火的第3缸的燃烧过程的比较。可以看出，两者的燃烧特性是相似的，不同的是正常燃烧时PFP发生在MFB80(对应于火焰达到缸壁的时间)，而提前点火的燃烧PFP发生在MFB90以后，很接近于发生超级爆震时PFP的位置。

图19 正常燃烧和不正常燃烧燃的放热规律比较

4.2 在LSPI区采用高温冷却

提高发动机冷却温度会促进附着在燃烧室壁面和进气道壁面润滑油颗粒的蒸发，有利于削弱 LSPI事件的发生。本研究中TGDI发动机配置了电子节温器，可以根据需要对不同工况采取不同水温的冷却策略。图20示出1 500 r/min全负荷下实测的LSPI事件发生频率与发动机冷却液温度的关系，对应的混合气浓度φa=0.90。试验揭示，当发动机出口水温由85 ℃提升到105 ℃时，LSPI事件的发生频率减少到85 ℃时的1/3。结果表明，对于配置电子节温器的TGDI发动机可以在LSPI区实施高温冷却以减少LSPI事件的发生频率。图21所示的发动机工况条件同于图18，不同只是发动机冷却温度提高到Tcoolant= 90 ℃，及LSPI事件发生在第4缸。对比图18和图21可知，提高发动机冷却温度使提前点火角推后，而且PFP也下降到11 MPa，这个爆压值对大多数TGDI发动机是安全的。

图20 冷却液温度对低速提前点火事件发生频率的影响

图21 发生低速提前点火事件时的缸压(Tcoolant=90 ℃，φa = 0.75)

4.3 控制燃油对曲轴箱机油的稀释

一般来说，润滑油的挥发性、闪点和着火点都随其SAE标号提高而提高，这是由润滑油的挥发性和可燃性的内在关系决定的。汽油对曲轴箱机油的稀释改变了其挥发性，因而也改变了其可燃性。滞留在机油中的是汽油中具有低燃点的重组分(即碳链较长的大分子组分)，由于汽油黏度低、挥发性高，进入机油的汽油低燃点组分很大程度地改变了机油的黏度、挥发性及可燃性。提高机油的温度可以提高机油中汽油的挥发性，减少滞留在机油中的汽油含量，减弱其对机油的黏度、挥发性及可燃性的影响。

图22示出不同SAE标号机油的着火点、闪点和100 ℃时的黏度。高SAE标号的机油挥发性较低，可以接受较高程度的机油稀释率，因而有利于削弱LSPI事件的发生频率。图23示出试验发动机在1 500 r/min全负荷下采用两个不同SAE标号机油时LSPI事件发生频率的比较，对应的φa=1.0，冷却液温度Tcoolant=86 ℃。如图所示，采用高SAE标号润滑油有助于降低LSPI事件的发生频率。