石 玲 衛(wèi)海橋 吳國興 范錢旺

（1-上海師范大學(xué)天華學(xué)院 上海 201815 2-天津大學(xué) 3-知豆電動汽車技術(shù)集成有限公司）

引言

傳統(tǒng)石油供給的安全與可靠性及CO2減排的巨大壓力，迫使高效節(jié)能低排放發(fā)動機(jī)的研究與開發(fā)倍受關(guān)注與重視。直噴汽油機(jī)小型化是改善發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的有效措施之一，實(shí)現(xiàn)小型化的方法之一即為增壓。增壓技術(shù)提高發(fā)動機(jī)進(jìn)氣密度，促使小排量發(fā)動機(jī)可以實(shí)現(xiàn)較大排量的功率，但是增壓同樣附帶了諸多不利于發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況-諸如增壓進(jìn)一步惡化了發(fā)動機(jī)Pre-ignition現(xiàn)象。早燃（Preignition）現(xiàn)象是在傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射（PFI）汽油機(jī)中存在的一種非正常燃燒[1]，且在現(xiàn)代直噴汽油機(jī)中更加頻繁發(fā)生，與其傳統(tǒng)爆震燃燒等有著顯著區(qū)別。另外，根據(jù)已有研究結(jié)果可知，非正常燃燒-早燃（Preignition）是抑制小型化增壓直噴汽油機(jī)發(fā)展的主要瓶頸之一。鑒于增壓小型化技術(shù)對發(fā)動機(jī)燃燒影響，本文重點(diǎn)進(jìn)行如下工作：

1）分析了Pre-ignition現(xiàn)象的特征；

2）基于已有的資料和試驗(yàn)結(jié)果綜合分析了發(fā)動機(jī)不同邊界條件（混合器濃度、點(diǎn)火時刻、噴油次數(shù)、燃油-潤滑油、進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、壓縮比等）對Pre-ignition的影響；

3）基于現(xiàn)有技術(shù)總結(jié)了檢測和控制Pre-ignition的方法；

4）基于離子電流技術(shù)提出檢測和控制直噴汽油機(jī)Pre-ignition的方法。

該文分析總結(jié)有助于直噴汽油機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中全面考慮pre-ignition促發(fā)的誘因，總結(jié)和提出了pre-ignition檢測與控制方法。

1 Pre-ignition現(xiàn)象

根據(jù)已有研究可知，直噴汽油機(jī)早燃（Pre-ignition）和正常燃燒的差異，如圖1所示[2]。Pre-ignition特征總結(jié)如下：

1）早燃（Pre-ignition）發(fā)生于點(diǎn)火之前；

2）初期燃燒速度緩慢；

3）燃燒速度陡然增加；

4）超級爆震；

5）隨機(jī)發(fā)生；

6）早燃出現(xiàn)位置的不確定性；

7）不連續(xù)性。

圖1 非正常燃燒Pre-ignition現(xiàn)象[2]

圖2 總結(jié)了火花點(diǎn)火汽油機(jī)Pre-ignition發(fā)生的運(yùn)行工況區(qū)域。鑒于目前大部分試驗(yàn)結(jié)果可知，Pre-ignition現(xiàn)象主要發(fā)生在低速大負(fù)荷的工況區(qū)域。

圖2 Pre-ignition現(xiàn)象發(fā)生的工況區(qū)域

2 Pre-ignition的形成機(jī)理

Pre-ignition現(xiàn)象明顯區(qū)別于爆震，與現(xiàn)在認(rèn)同的終端混合氣自燃而引起的爆震形成機(jī)理也存在差別。Pre-ignition形成總結(jié)分析可以分為幾方面的原因：

1）缸內(nèi)混合氣：增壓、混合氣質(zhì)量、缸內(nèi)溫度分布不均勻、缸內(nèi)滯留廢氣、空燃比等；

2）缸內(nèi)熱源：火花塞、氣門、燃燒室積碳、燃燒室內(nèi)其他高溫?zé)狳c(diǎn)；

3）進(jìn)入燃燒室的機(jī)油：機(jī)油可能是來源于活塞環(huán)、增壓器、汽缸墊、氣門桿密封等；

4）噴霧及燃油撞壁：噴霧質(zhì)量、活塞頂/氣缸壁面濕壁等；

5）積碳：燃燒室內(nèi)積碳可分為兩部分來源，一部分來源于機(jī)油；另一部分來源于汽油。

上述原因均屬于邊界參數(shù)或結(jié)構(gòu)參數(shù)對Preignition的影響，但是根據(jù)燃燒理論，燃燒發(fā)生及維持的條件可知，Pre-ignition形成的基本機(jī)理如圖3所示。

圖3 Pre-ignition形成機(jī)理

2.1 混合氣濃度對pre-ignition的影響

缸內(nèi)混合氣濃度是發(fā)動機(jī)燃燒過程及排放的關(guān)鍵決定因素，從內(nèi)燃機(jī)學(xué)可知，過量空氣系數(shù)λ=0.8～0.9范圍內(nèi)，燃燒速度最快，而λ=1.03～1.1范圍內(nèi)，則燃油消耗率達(dá)到較佳值[3]。缸內(nèi)混合氣濃度對早燃（Pre-ignition）的發(fā)生也有著重要影響。其中，稍稀薄的混合氣能夠促進(jìn)增壓直噴汽油機(jī)的Preignition現(xiàn)象的發(fā)生頻率；加濃混合氣有助于降低Pre-ignition現(xiàn)象發(fā)生頻率，這主要可能是由于加濃混合氣，噴入缸內(nèi)燃油量增加，燃油蒸發(fā)過程中吸熱量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)壓縮溫度下降所致。根據(jù)文獻(xiàn)中的研究結(jié)果可知，過量空氣系數(shù)λ=1.1時的條件下，Pre-ignition現(xiàn)象發(fā)生頻率較高，如圖4所示[4]。其中，圖中PI表示Pre-ignition發(fā)生次數(shù)。

2.2 點(diǎn)火時刻對Pre-ignition的影響

圖4 混合氣濃度對Pre-ignition的影響[4]

發(fā)動機(jī)點(diǎn)火時刻是影響發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性的重要參數(shù)之一，決定了火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)燃燒開始時刻，也是傳統(tǒng)爆震燃燒發(fā)生的關(guān)鍵控制參數(shù)。大量研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)整點(diǎn)火時刻-推遲點(diǎn)火可以避免傳統(tǒng)爆震現(xiàn)象發(fā)生，但是這一舉措并不能有效控制早燃（Pre-ignition）發(fā)生。盡管調(diào)整點(diǎn)火時刻不能像控制傳統(tǒng)爆震而控制Pre-ignition現(xiàn)象，但是仍然存在一定的變化規(guī)律。適當(dāng)提前點(diǎn)火時刻，則可以降低Pre-ignition發(fā)生的頻率。其中，根據(jù)文獻(xiàn)中研究結(jié)果可知，提前點(diǎn)火時刻，Pre-ignition現(xiàn)象發(fā)生頻率也降低，如圖5所示[5]。

圖5 點(diǎn)火時刻對Pre-ignition的影響[5]

2.3 噴油時刻對Pre-ignition的影響

噴油時刻是直噴汽油機(jī)燃油噴霧撞壁、缸內(nèi)混合氣形成的關(guān)鍵參數(shù)之一。噴油時刻是決定噴霧發(fā)展和燃油濕壁的關(guān)鍵要素，較早和較晚的噴油時刻都會導(dǎo)致燃油濕壁，進(jìn)而可能引起Pre-ignition發(fā)生。根據(jù)文獻(xiàn)中Takuya和Amann研究結(jié)果可知，就Pre-ignition而言，噴油時刻存在最佳位置，較晚的噴油時刻，則早燃（Pre-ignition）現(xiàn)象發(fā)生的頻率增加。如圖6所示[6-7]。噴射次數(shù)對Pre-ignition的影響如圖7所示。

2.4 燃油-潤滑油對Pre-ignition的影響

Pre-ignition產(chǎn)生最為主要的因素之一就是來自活塞與氣缸壁面縫隙的機(jī)油和汽油混合所致；另外主要因素之一是積碳形成。這兩者都與燃油組分有著密切的關(guān)系。

圖6 噴油時刻對Pre-ignition的影響[6]

圖7 噴射次數(shù)對Pre-ignition的影響[4]

根據(jù)文獻(xiàn)中Dahnz的研究可知，辛烷值增加，則有助于降低Pre-ignition現(xiàn)象發(fā)生，其結(jié)果如圖8所示[8]。但是存放時間較長的燃油更加易于發(fā)生Preignition現(xiàn)象，主要原因可能是存儲時間較長的燃油，其中輕餾分物質(zhì)揮發(fā)，導(dǎo)致Pre-ignition發(fā)生頻率大幅度增加。

圖8 燃油對Pre-ignition的影響[8]

根據(jù)文獻(xiàn)可知，潤滑油對Pre-ignition的影響有著重要的作用。Akram關(guān)于潤滑油對Pre-ignition影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示[4]。圖中，基礎(chǔ)燃油-年度等級5W-30，添加劑量-正常水平，潤滑油質(zhì)量-GMLL-A-025；潤滑油 A-5W-30，添加劑量-減少，潤滑油質(zhì)量-ACEAC3；潤滑油B0W-40，添加劑量-正常，潤滑油質(zhì)量-GM-LL-AB-025；潤滑油C-5W-30，添加劑量-減少，潤滑油質(zhì)量-ACEAC3。

圖9 潤滑油對Pre-ignition的影響[9]

2.5 冷卻液溫度對Pre-ignition的影響

根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果可知，冷卻液溫度增加，Preignition發(fā)生的頻率降低。這可能是一方面由于冷卻液溫度增加改善了缸內(nèi)燃油霧化效果，降低燃油濕壁量；另一方面是改善了潤滑效果所致。試驗(yàn)結(jié)果如圖 10所示[8]。

圖10 冷卻液溫度對Pre-ignition的影響[8]

2.6 壓縮比對Pre-ignition的影響

壓縮比是提高發(fā)動機(jī)熱效率的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高壓縮比可以提高發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性，但是也會增加Pre-ignition現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)D.DOWN在PFI汽油中研究結(jié)果可知[1]，壓縮比從6∶1增加到8∶1后，促進(jìn)了Pre-ignition的發(fā)生頻率。

2.7 進(jìn)氣壓力對Pre-ignition的影響

進(jìn)氣壓力對發(fā)動機(jī)性能及排放有著重要的影響。采用增壓技術(shù)提高了進(jìn)氣壓力，增加了充氣效率，明顯提高發(fā)動機(jī)動力性能，且增壓比越大，發(fā)動機(jī)的比功率越高，熱效率也越高，燃油消耗率下降。但是同時，根據(jù)文獻(xiàn)中的研究結(jié)果可知，提高進(jìn)氣壓力導(dǎo)致Pre-ignition發(fā)生頻率增加，其結(jié)果如圖11所示[4]。

圖11 進(jìn)氣壓力對Pre-ignition的影響[4]

3 Pre-ignition檢測與控制

3.1 基于參數(shù)敏感性分析Pre-ignition檢測與控制

基于上文各參數(shù)對Pre-ignition影響的分析，總結(jié)出了各參數(shù)對Pre-ignition發(fā)生的影響程度可知，進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、點(diǎn)火時刻以及混合氣濃度對Pre-ignition的發(fā)生有著重要作用。鑒于此，可以采用以下措施降低或避免Pre-ignition發(fā)生的頻率[10-11]。

1）增加點(diǎn)火提前角；

2）增加進(jìn)氣冷卻，降低進(jìn)氣溫度；

3）滿足目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的條件下，盡量降低增壓比；

4）降低缸內(nèi)滯留的EGR，合理控制進(jìn)排氣門重疊；

5）采用冷卻EGR；

6）采用分層燃燒；

7）采用稀薄燃燒；

8）采用兩次噴油策略：在全負(fù)荷和過量空氣系數(shù)為1條件下，分別在進(jìn)氣和壓縮沖程各噴油一次，則對Pre-ignition發(fā)生有著顯著的抑制作用，其效果等效于有效壓縮比降低0.6；

9）采用VVT技術(shù)降低有效壓縮比：例如馬自達(dá)SKYACTIV-G發(fā)動機(jī)采用能夠?qū)崿F(xiàn)推遲IVC的硬件系統(tǒng)將有效壓縮比控制到PI-Limit以下，再結(jié)合AFR調(diào)節(jié)（混合氣加濃），即使在最惡劣的情況下，依然能夠避免PI的發(fā)生。

3.2 基于預(yù)測燃燒相位的Pre-ignition檢測與控制

Pre-ignition發(fā)生具有隨機(jī)性，但是其發(fā)生也是需要滿足一定條件。如果能夠基于檢測到的某一參數(shù)，通過預(yù)測模型計(jì)算出其發(fā)生的邊界線，則可以有效借助降低進(jìn)氣溫度或壓縮比等手段而降低或避免Pre-ignition的發(fā)生。例如：如果采用缸壓傳感器預(yù)測到燃燒始點(diǎn)的相位（如10%MBF），然后找到Preignition發(fā)生的邊界線與10%MBF之間關(guān)系，可以確定Pre-ignition發(fā)生的條件，即10%MBF發(fā)生在燃燒相位的有效壓縮比或進(jìn)氣溫度等就是相應(yīng)條件下降低Pre-ignition的邊界線，進(jìn)而可以通過降低有效壓縮比等手段降低Pre-ignition的發(fā)生。

另外，根據(jù)馬自達(dá)的研究可知，利用Liven-Wood積分公式分析了達(dá)到PI-Limit時的缸內(nèi)溫度和壓力之間的關(guān)系之后，開發(fā)了一個預(yù)測模型，使用發(fā)動機(jī)上的傳感器可以測得的參數(shù)，如充氣效率、進(jìn)氣溫度、環(huán)境溫度、冷卻水溫度等，可以預(yù)測缸內(nèi)溫度和壓力的情況；最終基于這組模型可以預(yù)測/計(jì)算出這些可測參數(shù)條件對應(yīng)的PI-Limit，預(yù)測模型為標(biāo)定和電控提供依據(jù)。當(dāng)ECU監(jiān)測到運(yùn)行條件惡化（如進(jìn)氣溫度、冷卻水溫度異常與標(biāo)準(zhǔn)情況）時，可以根據(jù)預(yù)測模型計(jì)算出對應(yīng)的PI-Limit，然后推遲IVC降低平均有效壓縮比，防止Pre-ignition的現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 基于離子電流信號的Pre-ignition檢測與控制

根據(jù)Pre-ignition發(fā)生在點(diǎn)火之前的特征，可以采用缸內(nèi)離子電流信號作為檢測Pre-ignition的反饋信號。針對不可測干擾因素變化的突發(fā)情況，如無法檢測或預(yù)測的積碳導(dǎo)致的壓縮比升高，使用辛烷值不合乎要求的汽油等，開發(fā)Pre-ignition現(xiàn)象控制系統(tǒng)（Pre-ignition Control System，PCS）進(jìn)行被動處理。PCS系統(tǒng)應(yīng)用離子電流技術(shù)來檢測發(fā)生在點(diǎn)火之前的燃燒，利用集成在點(diǎn)火線圈中的離子電流傳感器探測出離子電流出現(xiàn)的時間，可以獲知燃燒開始相位（10%MBF），并可以預(yù)先判斷Pre-ignition現(xiàn)象的強(qiáng)度。Pre-ignition現(xiàn)象控制系統(tǒng)探測出Preignition發(fā)生及強(qiáng)度后，通過控制進(jìn)氣門相位（IVC）和噴油相位等做出反應(yīng)，進(jìn)而可以有效控制Preignition的發(fā)生。

3.4 基于焓原理的Pre-ignition檢測與控制

根據(jù)特定的燃燒現(xiàn)象發(fā)生需要達(dá)到一定的能量邊界-臨界值。而焓這一變量則是描述缸內(nèi)氣體能力變化的有效參數(shù)。為了描述缸內(nèi)能量變化，應(yīng)用如下一些關(guān)鍵方程?；陟拭枋鰮Q氣過程中的能量變化如下所述：

基于熱力學(xué)第一定律能量守恒量化進(jìn)入缸內(nèi)新鮮空氣、滯留廢氣、熱交換以及做功過程進(jìn)出氣缸的焓。如下述的方程：

另外，焓絕對值取決于氣體質(zhì)量和發(fā)動機(jī)尺寸等，根據(jù)下面能量密度方程可以獲得單位壓縮體積下的比焓：

基于上述方程和焓原理控制Pre-ignition的方法即為缸內(nèi)平均焓與發(fā)生Pre-ignition時的焓閾值進(jìn)行比較，然后判斷是否發(fā)生Pre-ignition和調(diào)整參數(shù)避免或抑制Pre-ignition的發(fā)生。

3.5 基于可視化技術(shù)的Pre-ignition檢測與控制

可視化技術(shù)可采用AVL Visio scope等設(shè)備測試缸內(nèi)燃燒情況。采用可視化技術(shù)主要可以量化Pre-ignition發(fā)生的空間位置，進(jìn)一步可以分析Preignition產(chǎn)生的原因。

基于可視化技術(shù)控制Pre-ignition僅僅限于實(shí)驗(yàn)室和發(fā)動機(jī)開發(fā)階段，而并不能應(yīng)用于發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中進(jìn)行檢測和反饋控制，而且其成本高昂。

4 解決Pre-ignition的技術(shù)

基于Pre-ignition的特征及參數(shù)影響規(guī)律，本文提出2種解決Pre-ignition的控制技術(shù)。其一，基于發(fā)動機(jī)本體燃燒系統(tǒng)優(yōu)化降低Pre-ignition現(xiàn)象；其二，基于離子電流信號檢測和控制策略解決Preignition現(xiàn)象。

1）基于發(fā)動機(jī)本體燃燒系統(tǒng)優(yōu)化降低Preignition方法，采用缸內(nèi)壓力傳感器檢測Pre-ignition現(xiàn)象，然后借助先進(jìn)光學(xué)測試技術(shù)分析缸內(nèi)Preignition現(xiàn)象，再進(jìn)行燃燒系統(tǒng)優(yōu)化，具體流程如圖12所示。

圖12 基于燃燒系統(tǒng)優(yōu)化Pre-ignition的方法

2）鑒于發(fā)動機(jī)小型化、增壓比增加、壓縮比提高等發(fā)展趨勢，Pre-ignition現(xiàn)象在未來發(fā)動機(jī)中不可避免的發(fā)生，因此僅僅優(yōu)化燃燒系統(tǒng)解決Preignition有著較大的困難。因此，類似于爆震控制的思路本文提出了基于控制策略優(yōu)化Pre-ignition的方法，即采用離子電流信號檢測Pre-ignition現(xiàn)象，然后根據(jù)控制策略對比分析，采用當(dāng)前循環(huán)不點(diǎn)火或大幅度推遲點(diǎn)火的手段抑制Pre-ignition導(dǎo)致的超級爆震惡性燃燒，降低了對發(fā)動機(jī)的損害，具體控制方法如圖13所示。

圖13 基于離子電流技術(shù)檢測和控制Pre-ignition的方法[9-10]

5 結(jié)論

本文總結(jié)了Pre-ignition現(xiàn)象、出現(xiàn)Pre-ignition現(xiàn)象時發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況以及各主要邊界參數(shù)對Preignition現(xiàn)象的影響?？偨Y(jié)和提出了幾種檢測和控制方法。這一分析總結(jié)有助于進(jìn)一步了解和分析Preignition現(xiàn)象，為開發(fā)直噴增壓發(fā)動機(jī)提供參考。

1）缸內(nèi)局部溫度超過800℃，促進(jìn)Pre-ignition發(fā)生。

2）壓縮比、冷卻液溫度、噴油策略以及潤滑油質(zhì)量對Pre-ignition發(fā)生影響尤為顯著。

3）優(yōu)化缸內(nèi)熱點(diǎn)、優(yōu)化噴霧、提高缸內(nèi)氣流運(yùn)動、采用兩次噴射可以改善Pre-ignition。

4）基于離子電流檢測技術(shù)是實(shí)現(xiàn)Pre-ignition控制的工程手段之一。