趙世來，張治國

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽 110141）

前言

缸蓋、活塞、活塞環(huán)、缸體組成密封的空間，成為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，可燃?xì)怏w在這里參與燃燒，實(shí)現(xiàn)能力的轉(zhuǎn)化。汽油機(jī)的缸內(nèi)燃燒主要可以分為兩大類：一是正常燃燒，二是不正常燃燒。下文進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 早燃背景

1.1 早燃的基本概念

正常燃燒現(xiàn)象是指油氣混合氣在特定的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻被火花塞點(diǎn)燃，火焰從火花塞處傳播到整個(gè)燃燒室，最后到達(dá)缸壁，點(diǎn)燃所有的混合氣。不正常燃燒有爆震燃燒和早燃。

爆震燃燒指缸內(nèi)局部混合氣在正常燃燒火焰之前達(dá)到自燃，氣缸內(nèi)有2個(gè)或以上的火焰團(tuán)，燃燒所產(chǎn)生的巨大沖擊力與活塞運(yùn)動(dòng)的方向相反，對(duì)缸壁、活塞，活塞環(huán)等產(chǎn)生沖擊，引起發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)。

早燃是指油氣混合氣在火花塞點(diǎn)火之前，已被燃燒室內(nèi)的熾熱點(diǎn)點(diǎn)燃而提前燃燒的現(xiàn)象，如白熾的積炭顆粒、凸出的金屬飛刺、過熱的火花塞或燒紅的排氣門等，缸內(nèi)壓力急劇上升。

這里主要講一下不正常燃燒中的早燃現(xiàn)象，早燃發(fā)生時(shí)伴隨有突爆聲，并會(huì)出現(xiàn)功率下降和發(fā)動(dòng)機(jī)過熱的現(xiàn)象。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)雖然在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)排量的情況下，實(shí)現(xiàn)了較高的平均有效壓力，顯著提升了車輛的動(dòng)力性。但伴隨著早燃傾向的增強(qiáng)。由于早燃是在火花塞點(diǎn)火之前油氣混合氣滿足自燃條件所產(chǎn)生的。因此不同于普通爆震，推遲點(diǎn)火角無法抑制早燃的發(fā)生。

圖1 早燃發(fā)生時(shí)的缸內(nèi)燃燒壓力信號(hào)

不同燃燒類型的缸內(nèi)壓力信號(hào)如圖1所示，由圖可以看出早燃發(fā)生時(shí)，缸內(nèi)的壓力在點(diǎn)火時(shí)刻之前就開始急劇升高，并在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力震蕩波。

1.2 早燃特征

早燃的特征是功率下降，發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定且有敲缸聲（較為沉悶），并有過熱現(xiàn)象。功率下降是因?yàn)槿紵罡邏毫Τ霈F(xiàn)在循環(huán)的不適當(dāng)時(shí)刻，在壓縮時(shí)又消耗了較多的功。同時(shí)，因?yàn)檫@時(shí)燃燒是在散熱面積較大的情況下進(jìn)行的，因而使傳給冷卻水的熱量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)于是就過熱。早燃所產(chǎn)生的壓力升高會(huì)增加機(jī)件的負(fù)荷，使它們加速磨損。使用經(jīng)驗(yàn)表明，不很嚴(yán)重的早燃，往往表現(xiàn)在停止火花塞點(diǎn)火后，發(fā)動(dòng)機(jī)仍繼續(xù)著火運(yùn)轉(zhuǎn)。

早燃在外表特征上和爆燃是有些相似的，但它們的性質(zhì)和產(chǎn)生的原因卻完全不同。早燃產(chǎn)生在火花塞跳火之前，且無沖擊波產(chǎn)生；爆燃是在燃燒后期才產(chǎn)生的，且有沖擊波產(chǎn)生。早燃時(shí)混合氣的燃燒速度仍然是正常的，而爆燃時(shí)的燃燒速度卻超過正常值許多倍。

爆燃時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)過熱而可能引起混合氣的早燃，所以爆燃和早燃可以在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)同時(shí)發(fā)生。

1.3 早燃危害

早燃通常會(huì)引起超級(jí)爆震，產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力波動(dòng)，最大缸內(nèi)壓力可能達(dá)到300bar以上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零部件造成較大的應(yīng)力沖擊，嚴(yán)重時(shí)，強(qiáng)度較大的連續(xù)早燃會(huì)直接引起火花塞陶瓷體、活塞及活塞環(huán)、排氣門、噴油器等零部件損害。圖2—圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)零部件由于頻繁發(fā)生早燃導(dǎo)致的失效案例。

圖2 火花塞電極燒蝕

圖3 氣門頭部金屬脫落

圖4 活塞被擊穿

圖5 活塞環(huán)岸斷裂

燃燒室內(nèi)的零部件損壞通常會(huì)進(jìn)一步引起發(fā)動(dòng)機(jī)外圍零部件的損壞，如缸體、連桿、曲軸等。因此，應(yīng)該需要及時(shí)檢測(cè)和控制早燃出現(xiàn)的頻次，降低發(fā)動(dòng)機(jī)零部件損害的風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 誘發(fā)早燃的主要原因

致早燃產(chǎn)生的因素主要由以下幾種：1.4.1 機(jī)油液滴和沉積物

通過曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入燃燒室的機(jī)油顆粒是誘發(fā)早燃的一部分原因；燃燒室內(nèi)的機(jī)油沉淀物，一部分會(huì)脫離缸蓋或活塞頂，懸浮在燃燒室內(nèi)。由于其自身熱容較高，且沒有合適的散熱條件，在隨后的換氣過程表面會(huì)維持相對(duì)較高的溫度，這些顆粒物可能會(huì)誘發(fā)前期的早燃。通常機(jī)油進(jìn)入燃燒室的途徑有：（1）非正常的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)“竄油”；（2）通過氣門導(dǎo)管滲漏，缸壁刮入。

1.4.2 熱點(diǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，燃燒室內(nèi)的各零部件承受較高的熱負(fù)荷，缸內(nèi)混合氣很容易達(dá)到自燃溫度。熱負(fù)荷較高的零部件通常為：火花塞，排氣門，活塞，活塞環(huán)等。

1.4.3 缸內(nèi)的燃燒動(dòng)力學(xué)

缸內(nèi)的滯留廢氣和回流廢氣對(duì)后續(xù)的燃燒有不利的影響，一方面影響新鮮充量的壓力和溫度，另一方面這些廢氣中包括一些活性元素，這些活性元素對(duì)燃燒動(dòng)力學(xué)有很大影響，使得正常燃燒火焰在到達(dá)燃燒室各處前發(fā)生自燃現(xiàn)象，增加早燃傾向。

1.5 影響早燃傾向的因素

影響早燃傾向的原因有很多，大體可分為：發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、燃油因素和發(fā)動(dòng)機(jī)控制。如下圖6所示：

以上因素都可能誘發(fā)早燃的發(fā)生，如：發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)會(huì)影響缸內(nèi)熱點(diǎn)的分布（如鼻梁區(qū)附近的熱負(fù)荷），使缸內(nèi)熱應(yīng)力增大；燃油中所含有的不同C、H成分，促使缸內(nèi)形成較多的長(zhǎng)碳鏈，這些較為穩(wěn)定的長(zhǎng)碳鏈化合物，無法在燃燒中消除，沉積在燃燒室內(nèi)會(huì)形成熱點(diǎn)。

圖6 影響早燃傾向的因素

降低早燃傾向的根本措施，應(yīng)從發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的源頭著手，減少缸內(nèi)熱點(diǎn)。這需要在發(fā)動(dòng)機(jī)前期開發(fā)階段進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，例如：

（1）加裝活塞冷卻噴嘴，降低活塞表面的熱負(fù)荷，減少活塞表面形成熱點(diǎn)的幾率。

（2）增大火花塞自身的散熱，減少火花塞電極間形成熱點(diǎn)的幾率。

（3）采用高耐熱強(qiáng)度的氣門材料，減少進(jìn)，排氣門處形成熱點(diǎn)的幾率。

（4）優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少進(jìn)入缸內(nèi)雜質(zhì)顆粒物出現(xiàn)，減少顆粒物附著在缸內(nèi)形成炙熱點(diǎn)的幾率。

（5）優(yōu)化中冷器結(jié)構(gòu)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度。

（6）優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度。

2 早燃控制策略

在發(fā)動(dòng)機(jī)滿足一定運(yùn)行條件時(shí)，早燃控制就能正常起作用，EMS系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)爆震傳感器的信號(hào)，進(jìn)行早燃強(qiáng)度計(jì)算，最終用于早燃識(shí)別。EMS系統(tǒng)識(shí)別到早燃后，需要通過合理的方式減少后續(xù)可能發(fā)生早燃的概率，達(dá)到保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的目的。

圖7 早燃控制方式

一般識(shí)別到早燃后采取的控制方式有：（1）混合氣加濃，（2）減小氣門重疊角，（3）限制負(fù)荷，（4）斷油。在識(shí)別到早燃后的控制策略上不能采取較為激進(jìn)的方式（如立即斷油等），這會(huì)帶來較差的駕駛感受。因此，早燃控制需要平衡發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)和駕駛性，找到適宜的控制方式。

2.1 混合氣加濃

EMS系統(tǒng)識(shí)別到早燃后，會(huì)優(yōu)先選擇加濃混合氣，降低缸內(nèi)溫度，降低后續(xù)發(fā)生早燃現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)。通常識(shí)別到早燃后將混合氣空燃比加濃到0.75～0.8，混合氣太稀達(dá)不到抑制早燃的目的，混合氣太濃油耗排放會(huì)更惡化。偏濃的混合氣持續(xù)約10～15s。

2.2 減小氣門重疊角

EMS系統(tǒng)識(shí)別到早燃次數(shù)超過VVT動(dòng)作的閥值，會(huì)觸發(fā) VVT往氣門重疊角減小的方向調(diào)節(jié)，此目的是為了降低缸內(nèi)殘余廢氣量，抑制早燃傾向。對(duì)于帶掃氣功能的發(fā)動(dòng)機(jī)，減小其門重疊角也可以防止催化器溫度升高。VVT在沒有氣門重疊角下持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于混合氣加濃的持續(xù)時(shí)間。

2.3 優(yōu)化氣道

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)檫M(jìn)氣壓力和進(jìn)氣量比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)要高出很多，所以在混合氣的形成上與自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)有很大不同，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)要考慮到滾流比的大小，滾流比可以增加混合氣在氣缸內(nèi)的混合強(qiáng)度，提高燃燒速度。如圖8、圖9所示分別為原機(jī)進(jìn)氣道和優(yōu)化后的氣道方案。

圖8 原機(jī)進(jìn)氣道

圖9 優(yōu)化后的氣道

2.4 限制缸內(nèi)最大充量

減小缸內(nèi)最大充量可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，從而降低缸內(nèi)溫度，降低早燃傾向。通常設(shè)置成與減小氣門重疊角相同的開啟閥值，避免出現(xiàn)壓力超調(diào)。負(fù)面結(jié)果是影響動(dòng)力性，使加速性能變差。

2.5 優(yōu)化燃燒室

優(yōu)化燃燒室是在優(yōu)化氣道的基礎(chǔ)上，加上擠氣面，擠氣面如圖10所示。

圖10 非擠氣面

圖11 擠氣面

擠氣面可以提高混合氣的燃燒速度，提高燃燒效率， 原擠氣面位置的火焰?zhèn)鞑バ问降玫礁淖?，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x相對(duì)縮短，燃燒更加完全，燃燒后整個(gè)氣缸內(nèi)的溫度會(huì)較以前相對(duì)降低一些；而擠氣面加工在進(jìn)排氣兩側(cè)，特別是排氣側(cè)的擠氣面，會(huì)減少排氣階段殘余廢氣的殘留，氣缸內(nèi)的殘余廢氣也會(huì)相應(yīng)減少，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)下一個(gè)工況的燃燒有好處。

2.6 斷油控制

當(dāng)加濃混合氣和限制缸內(nèi)最大充量的措施都無法有效抑制早燃現(xiàn)象的發(fā)生，為了快速保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，需要采取更為緊急的保護(hù)方式。即直接對(duì)早燃較多的氣缸采取斷油控制。斷油控制對(duì)駕駛性的影響最大，因此斷油控制的開啟閥值相對(duì)較高。

3 結(jié)論

經(jīng)過以上的機(jī)理分析，為更好的控制早燃，系統(tǒng)供應(yīng)商與主機(jī)廠協(xié)商溝通對(duì)已批產(chǎn)和正在開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行早燃相關(guān)驗(yàn)證，來滿足更加嚴(yán)苛的法規(guī)要求。

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