喬海波　劉黎敏　李克俊　張梓龍　石峻銘（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

氣道噴射增壓機(jī)型超級(jí)爆震問題解決與燃燒系統(tǒng)優(yōu)化

喬海波1,2劉黎敏1,2李克俊1,2張梓龍1,2石峻銘1,2
（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

基于一臺(tái)1.5L氣道噴射增壓機(jī)型設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程中活塞燒蝕、環(huán)岸斷裂問題，引出近些年才逐漸暴露出的氣道噴射增壓機(jī)型超級(jí)爆震問題，并提供了一種質(zhì)量問題分析解決辦法和正逆向燃燒系統(tǒng)優(yōu)化思路。正向角度探究潛在失效問題真因，從根源方面消除潛在失效風(fēng)險(xiǎn)，逆向角度增強(qiáng)燃燒系統(tǒng)零部件的抗失效能力，最高效地降低甚至消除故障的潛在可能性。針對(duì)燃燒系統(tǒng)這一多因素綜合作用的復(fù)雜問題，不需要過多考慮單一因素對(duì)于目標(biāo)的貢獻(xiàn)量大小，在不產(chǎn)生負(fù)面效果的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能地考慮各子因素的疊加作用，以消除潛在失效風(fēng)險(xiǎn)。

氣道噴射增壓活塞燒蝕環(huán)岸斷裂超級(jí)爆震

引言

隨著全球汽車保有量的增加，日益繁重的交通壓力所造成的安全問題不容忽視，各大汽車廠商均有因各種安全隱患而大量召回的實(shí)例，其中不乏一些因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)本身設(shè)計(jì)匹配所導(dǎo)致的質(zhì)量問題。

活塞[1]，作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)中工作環(huán)境最為惡劣的運(yùn)動(dòng)件，其承受燃料燃燒所產(chǎn)生的高溫高壓和高頻沖擊，并將燃料發(fā)出的熱能通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，發(fā)揮著整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的核心作用。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)超級(jí)爆震時(shí)，其爆壓可達(dá)正常值的2~3倍，遠(yuǎn)超過發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)最大爆發(fā)壓力，對(duì)活塞及其他燃燒室零部件造成嚴(yán)重破壞。

1　活塞失效問題描述

某四缸氣道噴射汽油機(jī)整車試驗(yàn)過程中出現(xiàn)多例加速無力、發(fā)動(dòng)機(jī)鐺鐺異響，且排氣管冒藍(lán)煙等故障，對(duì)駕駛性造成了非常惡劣的影響，對(duì)于高速行駛的汽車也存在嚴(yán)重的安全隱患。拆解發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)均為活塞燒蝕、活塞環(huán)岸斷裂、活塞裙部碎裂等故障，并伴隨有不同程度的火花塞鼻端陶瓷體燒蝕、斷裂、碎裂等，詳見圖1。

圖1　活塞失效故障圖片

2　活塞失效故障分析

2.1活塞本體結(jié)構(gòu)分析

以活塞裙部斷裂情況為例，對(duì)失效活塞進(jìn)行常規(guī)觀察，如圖2所示，一環(huán)岸斷裂發(fā)生在次推力面，開始于一環(huán)槽，延伸至裙部。8倍率觀察失效起始區(qū)域，未見任何明顯鑄造缺陷。100倍率放大觀察斷裂區(qū)域，原始的硅晶體和金屬間化合物均勻一致地分布在各等大的固溶體基質(zhì)中，屬常規(guī)現(xiàn)象，金相組織正常。在火力岸頂面能觀察到清晰的爆震痕跡，特征是存在陽(yáng)極氧化層和鋁基層材料損失的明顯侵蝕痕跡，判定該斷裂形態(tài)具有典型的異常燃燒引起材料機(jī)械過載特征。

圖2　活塞失效觀察圖

2.2問題再現(xiàn)與確認(rèn)

模擬故障車輛失效發(fā)生時(shí)的運(yùn)行工況，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在低速大負(fù)荷區(qū)域存在異常燃燒，最大爆壓達(dá)到23MPa，并伴隨劇烈壓力震蕩，如圖3所示，也就是所謂的超級(jí)爆震，與失效活塞檢測(cè)得出的失效判定原因相吻合。

圖3　異常燃燒缸壓曲線

綜上,判定導(dǎo)致該機(jī)型活塞燒蝕、環(huán)岸斷裂等故障的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒產(chǎn)生了超級(jí)爆震，高溫、高壓和高頻壓力震蕩導(dǎo)致了失效發(fā)生，因此解決此問題的根本措施是優(yōu)化燃燒系統(tǒng)、消除異常燃燒。

3　早燃影響因素分析

借鑒前期各機(jī)構(gòu)研究成果，針對(duì)容易引起異常燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)邊界條件一一進(jìn)行排查驗(yàn)證，總結(jié)各因素對(duì)燃燒的影響規(guī)律。

3.1汽油、機(jī)油油品分析

燃油品質(zhì)一定程度上決定了燃燒質(zhì)量的好壞[2]，劣質(zhì)的機(jī)油不僅容易導(dǎo)致抗爆性能的不足，也會(huì)使燃燒室內(nèi)嚴(yán)重積碳，導(dǎo)致壓縮比升高，進(jìn)而引發(fā)異常燃燒。美國(guó)西南研究院研究發(fā)現(xiàn)[3]，芳香烴（汽油調(diào)和劑）含量的不同對(duì)早燃發(fā)生頻率有不同程度影響,如圖4所示,低的芳香烴含量有助于抑制早燃的發(fā)生。

圖4　芳烴對(duì)早燃的影響

多家機(jī)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)[4]，附著在缸孔內(nèi)壁或者通過曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)等各種途徑進(jìn)入燃燒室的機(jī)油，與噴入燃燒室的燃油混合會(huì)發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，生成一種自燃點(diǎn)較低的長(zhǎng)鏈HC結(jié)構(gòu)，在某些特定工況下被缸內(nèi)高溫點(diǎn)燃,形成早燃,嚴(yán)重者引發(fā)超級(jí)爆震。

因此，車輛運(yùn)行應(yīng)盡可能使用主機(jī)廠經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的指定牌號(hào)機(jī)油以及不低于指定牌號(hào)的燃油，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能，防止因油品差異引起失效問題的發(fā)生。

3.2沉積物對(duì)燃燒的影響

燃油在貯存、運(yùn)輸過程中，容易發(fā)生氧化反應(yīng)，生成膠狀物質(zhì)。這些膠狀物質(zhì)按汽油的溶解性可分為：可溶膠質(zhì)和不可溶膠質(zhì)。可溶膠質(zhì)進(jìn)入燃燒室和汽油一起燃燒后，就會(huì)在進(jìn)氣門、活塞頂部、活塞環(huán)槽、燃燒室、火花塞等部位形成許多堅(jiān)硬的積碳。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃油或竄入燃燒室的潤(rùn)滑油也不可能百分之百燃燒，未燃燒的部分油料在高溫和氧的催化作用下形成鹽酸和樹脂狀的膠質(zhì)，粘附在零件表面上，再經(jīng)過高溫作用進(jìn)一步濃縮成瀝青質(zhì)和油焦質(zhì)等復(fù)雜的混合物，即所謂的積碳。

這些積碳主要通過三種方式影響超級(jí)爆震，一是阻礙燃燒室傳熱效果，使隨后換氣過程中的氣體溫度處于相對(duì)較高水平；二是這些積碳從燃燒室壁面脫離之后，成為熱點(diǎn)；三是減少了燃燒室容積,提高了壓縮比,造成燃燒室壓力溫度過高,引發(fā)早燃。

3.3燃燒室結(jié)構(gòu)的影響

燃燒室是由缸蓋、缸體、活塞等零部件共同組合而成，對(duì)于非完全鑄造型的燃燒室，在加工過程中難免會(huì)形成一些尖點(diǎn)結(jié)構(gòu)，在連續(xù)的缸內(nèi)燃燒加熱下，這些尖點(diǎn)溫度逐漸升高，形成熾熱點(diǎn)，在某些特定工況引發(fā)混合氣的自燃。

在發(fā)動(dòng)機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對(duì)影響燃燒系統(tǒng)冷卻的水套結(jié)構(gòu)及活塞冷卻噴嘴的工作條件與燃燒室溫度進(jìn)行充分的分析匹配，確保缸蓋、活塞燃燒室等工作在合理溫度范圍內(nèi)。

3.4火花塞性能的影響

車用發(fā)動(dòng)機(jī)依照負(fù)載、工作原理、壓縮比、轉(zhuǎn)速、冷卻方式、燃油的不同而具有不同的特性。同一支火花塞可能在一種發(fā)動(dòng)機(jī)中形成高熱狀態(tài)，而在另一種發(fā)動(dòng)機(jī)中僅僅達(dá)到較低的工作溫度。熱值過高，即散熱不夠，火花塞溫度過高，會(huì)導(dǎo)致爆燃，易使火花塞頭部陶瓷燒損、電極熔解等；而熱值過低，散熱過快，易使火花塞溫度過低，絕緣體尖端會(huì)被燃燒的沉積物嚴(yán)重淤塞，形成分流回路而使點(diǎn)火失敗。同樣有數(shù)據(jù)顯示，在火花塞熱值匹配試驗(yàn)中，某一個(gè)循環(huán)失火后，下一個(gè)循環(huán)容易出現(xiàn)超級(jí)爆震。高、低熱值火花塞結(jié)構(gòu)對(duì)比見圖5。

圖5　高、低熱值火花塞結(jié)構(gòu)對(duì)比

4　改善措施及效果驗(yàn)證

4.1汽油油品分析

針對(duì)該故障原因的分析，主要從燃油抗爆性、膠質(zhì)含量、烴含量，機(jī)油的金屬成分含量等方面進(jìn)行了檢測(cè)和分析。

相關(guān)檢測(cè)參數(shù)功能如表1所示，具體檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表1　相關(guān)檢測(cè)參數(shù)功能

表2　汽油檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)GB 17930-2013《車用汽油》，故障機(jī)2所用燃油烯烴含量略高于標(biāo)準(zhǔn)，其他相關(guān)參數(shù)均滿足國(guó)標(biāo)要求，未見明顯異常。

4.2積碳問題確認(rèn)

4.2.1早燃試驗(yàn)驗(yàn)證

怠速工況燃燒穩(wěn)定性較差，缸內(nèi)易形成積碳，因此將此工況作為累積積碳的試驗(yàn)工況，對(duì)該工況運(yùn)行前后的超級(jí)爆震情況進(jìn)行比較，確定積碳對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)早燃問題的影響程度。

為確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性，在相同條件下分別對(duì)三個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)比驗(yàn)證三次，分別取三個(gè)轉(zhuǎn)速的平均值進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6　怠速前后異常燃燒頻次

經(jīng)驗(yàn)證，怠速后的超級(jí)爆震出現(xiàn)頻次明顯高于怠速前。也就是說，沉積物的增加使缸內(nèi)散熱不良，燃燒溫度升高，加重了超級(jí)爆震情況。

4.2.2空燃比確認(rèn)

針對(duì)此問題，對(duì)整車NEDC工況空燃比閉環(huán)控制情況進(jìn)行確認(rèn)，驗(yàn)證NEDC各運(yùn)行工況下空燃比實(shí)際情況,如圖7所示。結(jié)果顯示過量空氣系數(shù)均在1左右，滿足該工況的理論混合氣要求。

全負(fù)荷工況下為提升性能、降低排氣溫度以保護(hù)增壓器、催化器等，不可避免地需對(duì)混合氣有不同程度加濃，而且加濃后對(duì)降低燃燒室溫度，降低超級(jí)爆震問題發(fā)生概率是有利的。

圖7　 NEDC循環(huán)工況空燃比檢測(cè)

4.3燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.3.1溫度場(chǎng)測(cè)量

FEV研究指出燃燒室壁面溫度大于680~1000K時(shí)都有可能引起混合物自燃，為確定組成燃燒室的活塞和缸蓋壁面是否因溫度過高而引起早燃，對(duì)缸蓋和活塞燃燒室進(jìn)行溫度場(chǎng)測(cè)試，按照?qǐng)D8中所示位置布置溫度場(chǎng)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)0.5h磨合后在全速全負(fù)荷工況穩(wěn)定運(yùn)行2h，試驗(yàn)后測(cè)量嵌入在測(cè)點(diǎn)的硬度塞的狀態(tài)變化以確定燃燒溫度?；钊透咨w測(cè)點(diǎn)的溫度測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖8　溫度場(chǎng)測(cè)點(diǎn)分布

圖9　溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可見，各缸溫度分布基本一致，其中活塞溫度場(chǎng)四缸測(cè)點(diǎn)6（前端火力岸）溫度最高，為239℃（512K）,燃燒室中心溫度232℃（505K）。缸蓋溫度場(chǎng)三缸測(cè)點(diǎn)15（排氣法蘭面）溫度最高，為279℃（552K），燃燒室最高溫度（排氣鼻梁區(qū)）為270℃（543K），均未達(dá)到FEV判定的自燃溫度。

4.3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化驗(yàn)證

為確認(rèn)尖角結(jié)構(gòu)影響，對(duì)活塞及缸蓋燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，去除缸蓋進(jìn)排氣門間尖點(diǎn)，優(yōu)化活塞鼻梁區(qū)擠氣結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

圖10　活塞、缸蓋優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

共進(jìn)行三次反復(fù)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，可見燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化后對(duì)超級(jí)爆震問題并無明顯改善，并不是造成活塞失效問題的主因。

圖11　燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化驗(yàn)證結(jié)果，1 800r/min工況

4.4火花塞熱值更改

4.4.1熱值更改及驗(yàn)證

將火花塞熱值8調(diào)整到6，即增加火花塞中心電極鼻端陶瓷體與金屬殼體接觸面積，減小吸熱面積，增加散熱面積，以降低陶瓷體溫度，降低其溫度過高引起混合氣自燃的風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12　火花塞熱值更改驗(yàn)證結(jié)構(gòu)，1 800r/min工況

超級(jí)爆震頻次平均3×10-6，滿足行業(yè)內(nèi)通用的5×10-6以內(nèi)的接受標(biāo)準(zhǔn)。隨后對(duì)包含其他轉(zhuǎn)速在內(nèi)的五個(gè)外特性點(diǎn)再次驗(yàn)證，均滿足5×10-6接受標(biāo)準(zhǔn)，如圖13所示。

圖13　其他轉(zhuǎn)速驗(yàn)證結(jié)果

由此確認(rèn)，引起異常燃燒的根本原因?yàn)榛鸹ㄈ麩嶂挡缓侠恚鸹ㄈ植扛邷匦纬闪烁變?nèi)熱點(diǎn)，促使混合氣自燃。

4.4.2風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及確認(rèn)

為防止火花塞熱值更改后所帶來的積碳嚴(yán)重和失火等失效風(fēng)險(xiǎn)，采用廠家推薦的鼻端傘棱結(jié)構(gòu)型式，如圖14所示，該型式可避免鼻端陶瓷體表面積碳后火花爬至陶瓷體根部導(dǎo)致缸內(nèi)失火的問題，如積碳嚴(yán)重，電火花在傘棱處對(duì)金屬殼體放電，可正常點(diǎn)燃缸內(nèi)混合氣，并且對(duì)表面積碳起到清潔作用，如圖15所示。針對(duì)該型式火花塞，在經(jīng)過試驗(yàn)臺(tái)架上的火花塞匹配試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)，和參照日標(biāo)JISD 1606《汽車火花塞適應(yīng)性試驗(yàn)》機(jī)型的低溫循環(huán)啟動(dòng)試驗(yàn)后，試驗(yàn)結(jié)果通過，滿足使用要求。

圖14　火花塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比

圖15　鼻端陶瓷體傘棱結(jié)構(gòu)火花塞放電試驗(yàn)

4.5標(biāo)定策略優(yōu)化

該項(xiàng)優(yōu)化是對(duì)超級(jí)爆震問題解決效果的加強(qiáng)以及對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)提供逆向保護(hù)功能，目的是通過一系列標(biāo)定數(shù)據(jù)動(dòng)作防止發(fā)動(dòng)機(jī)在某些異常情況下出現(xiàn)連續(xù)性的超級(jí)爆震導(dǎo)致嚴(yán)重失效問題出現(xiàn)。通常在增壓直噴機(jī)型中已經(jīng)具備該功能。

4.5.1控制策略

1）20s內(nèi)出現(xiàn)1次早燃，系統(tǒng)加濃且作用一段時(shí)間；2）20s內(nèi)出現(xiàn)2次早燃，系統(tǒng)減小氣門重疊角；3）20s內(nèi)出現(xiàn)3次早燃，系統(tǒng)自動(dòng)將最大負(fù)荷降低40%。

4.5.2策略設(shè)定

首先，對(duì)超級(jí)爆震燃燒數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)分析，如圖16所示，得出超級(jí)爆震爆發(fā)壓力峰值在10 ~20°CA ATDC范圍內(nèi)，并對(duì)達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)最大爆發(fā)壓力的燃燒循環(huán)在該轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化的爆震傳感器電壓信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行積分計(jì)算，將積分值作為觸發(fā)超級(jí)爆震保護(hù)策略的閾值。設(shè)定ECU對(duì)該曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)爆震信號(hào)積分值進(jìn)行監(jiān)控，并按照上述控制策略進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。

圖16　超級(jí)爆震燃燒數(shù)據(jù)

4.5.3小結(jié)

電控系統(tǒng)策略只能在出現(xiàn)超級(jí)爆震之后才開始采取保護(hù)措施，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)，但已經(jīng)出現(xiàn)的超級(jí)爆震對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞無法避免。一定周期循環(huán)后，發(fā)動(dòng)機(jī)未出現(xiàn)超級(jí)爆震，控制系統(tǒng)才能恢復(fù)正常，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能也恢復(fù)正常，待下一次超級(jí)爆震出現(xiàn)后再次進(jìn)行保護(hù)控制。

5　結(jié)論

1）本文中涉及到的活塞燒蝕、環(huán)岸斷裂問題的真因，是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生異常燃燒，即超級(jí)爆震，缸內(nèi)高的爆發(fā)壓力、高頻壓力震蕩和高的燃燒溫度最終造成了活塞的燒蝕和斷裂失效。

2）火花塞熱值不合理，散熱不良，造成中心電極陶瓷體溫度過高，是本案例中引起早燃進(jìn)而導(dǎo)致超級(jí)爆震的主要原因。

3）火花塞熱值由8改為6后，超級(jí)爆震的發(fā)生頻次由初始的40~50×10-6降低到5×10-6可接受范圍內(nèi)。

4）為避免低熱值火花塞造成積碳過多引起點(diǎn)火失效問題，改良了鼻端陶瓷體結(jié)構(gòu)，采用傘棱結(jié)構(gòu)，有效降低了失火概率。

5）為進(jìn)一步保證發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全，開發(fā)并應(yīng)用了氣道噴射控制系統(tǒng)的早燃保護(hù)策略，在發(fā)生超級(jí)爆震后實(shí)施一系列保護(hù)控制，避免連續(xù)的超級(jí)爆震造成發(fā)動(dòng)機(jī)零部件失效。

6）因發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)形態(tài)各不相同，不同的機(jī)型所產(chǎn)生超級(jí)爆震的原因也不盡相同，本文中提到的各項(xiàng)驗(yàn)證措施，均為潛在的早燃觸發(fā)原因，所采取的試驗(yàn)驗(yàn)證方法和思路可供后續(xù)機(jī)型的設(shè)計(jì)開發(fā)工作借鑒參考。

1周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999

2倪計(jì)民.汽車內(nèi)燃機(jī)原理[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1998

3 Manfred Amann，DariusMehta，Terrence Alger.Engine operating condition and gasoline fuel composition effects on lowspeed pre-ignition in high-performance spark ignited gasoline engines[R].SAE Paper 2011-01-0342

4 Manfred Amann，Terrence Alger，Barry Westmoreland.The Effects of piston crevices and injection strategy on lowspeed pre-ignition in boosted SI engines[R].SAE Paper 2012-01-1148

The Solution of Superknocking and Optim izing of Combustion System of a PFITurbocharged Engine

Qiao Haibo1,2,Liu Lim in1,2,LiKejun1,2,Zhang Zilong1,2,Shi junm ing1,2
1-Technical Center，GreatWallMotorCompany Limited（Baoding,Hebei,071000China）2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Based on the piston erosion and 1st land fracture problem ofa 1.5L PFIturbo charged engine, we focus on the Super Knock of PFI turbo charged engine in recent years,and present a quality problem solution and the forward-reverse direction thinking to optimize the combustion system.For the forward direction,we research the real reason of the Super Knocking,and remove the potential failuremode and effects,for the reverse direction,improving the intensity of related parts,and removing thebaneful influence to themarket.For the combustion system including many factors,it is unnecessary to take notice of how much each factor can influence combustion.If it is notbad for the engine theoretically,we should add all these factors together tomake theenginebetter.

PFI,Turbo charged,Piston erosion,Piston land fracture,Super Knocking

TK411+.2

A

2095-8234（2016）02-0032-07

2016-01-06）

喬海波（1987-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)零部件研究設(shè)計(jì)及整機(jī)性能開發(fā)。