馬俊杰 史程中 成海元 尹建東 沈 源 王瑞平

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

汽油機(jī)早燃是指在火花塞點(diǎn)火之前，混合氣已被燃燒室內(nèi)的熾熱點(diǎn)點(diǎn)燃而提前燃燒的現(xiàn)象。隨著油耗和排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷加嚴(yán)，汽油機(jī)逐步向小型化發(fā)展[1]。為了保持動(dòng)力性，小型化常常伴隨著高增壓，使得汽油機(jī)在點(diǎn)火前缸內(nèi)壓力和溫度都大幅升高，從而為早燃創(chuàng)造了必要條件。早燃是一種常見(jiàn)的非正常燃燒現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)低速大負(fù)荷工況，故也被稱(chēng)之為低速早燃（LSPI）。但是早燃不僅出現(xiàn)在低速大負(fù)荷工況，在一些瞬態(tài)工況和高速大負(fù)荷工況也會(huì)偶發(fā)早燃。本文主要研究了早燃對(duì)汽油機(jī)的危害及控制早燃的有效措施。

早燃發(fā)生時(shí)，缸內(nèi)爆發(fā)壓力會(huì)大幅升高，且伴隨著高頻振蕩，會(huì)對(duì)火花塞、噴油器、活塞、氣門(mén)等造成危害。而燃油屬性、機(jī)油組分[2]、噴油策略、積碳等眾多因素都會(huì)影響早燃頻次，這些因素對(duì)早燃的影響機(jī)理和影響幅度以及控制早燃的措施是本文的研究?jī)?nèi)容。

1 早燃的危害研究

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本信息

本文的研究基于某1.0 L 3 缸增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，表1 為該發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)的主要目的是研究發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)歷多次早燃后，各個(gè)零部件的變化情況。由于早燃的隨機(jī)性，為了提高試驗(yàn)效率，采用手動(dòng)創(chuàng)造早燃的試驗(yàn)方法，具體操作如下：采用發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行在2 000 r/min、2.2 MPa（200 N·m）工況，通過(guò)手動(dòng)將點(diǎn)火提前角加大10°CA，火花塞提前點(diǎn)火，使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生早燃。手動(dòng)觸發(fā)早燃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸壓力及爆震強(qiáng)度和隨機(jī)早燃相同，甚至大于隨機(jī)早燃。試驗(yàn)證明，該方法90%的幾率會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)觸發(fā)早燃。

圖1 和圖2 分別為采用手動(dòng)觸發(fā)早燃和隨機(jī)早燃的氣缸壓力pcyl和爆震指數(shù)KPPK 曲線對(duì)比。其中，KPPK 是評(píng)價(jià)爆震強(qiáng)度的參數(shù)，如果某一循環(huán)（cycle）的KPPK 突然升高，代表發(fā)生了一次早燃。

圖1 手動(dòng)觸發(fā)早燃的氣缸壓力及KPPK

從圖1 和圖2 可以看出，采用手動(dòng)觸發(fā)早燃，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大爆發(fā)壓力pmax=15.8 MPa、爆震指數(shù)KPPK=4.8 MPa，均高于隨機(jī)早燃的pmax=14.5 MPa、KPPK=4.3 MPa[3]，而且可以觸發(fā)ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元）的加濃保護(hù)。因此，用手動(dòng)觸發(fā)早燃方法來(lái)近似模擬早燃的危害是合理的。

圖2 隨機(jī)早燃的氣缸壓力及KPPK

在發(fā)動(dòng)機(jī)的生命周期內(nèi)，單缸最多會(huì)發(fā)生600次早燃。為了驗(yàn)證單缸600 次早燃對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的損害，本文重點(diǎn)研究了發(fā)動(dòng)機(jī)單缸發(fā)生600 次早燃即單個(gè)火花塞經(jīng)歷600 次早燃后的狀況。試驗(yàn)用火花塞采用2 種：普通火花塞和金具突出火花塞。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，采用2 種火花塞，通過(guò)手動(dòng)觸發(fā)早燃，使發(fā)動(dòng)機(jī)單缸發(fā)生600 次早燃，單個(gè)火花塞經(jīng)歷600次早燃，使發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)發(fā)生1 800 次早燃。發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

從圖3 可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)發(fā)生1 800 次早燃、單個(gè)普通火花塞經(jīng)歷600 次早燃后，發(fā)動(dòng)機(jī)的高速油耗升高20 g，低速油耗升高8 g，平均油耗升高了5%，高速轉(zhuǎn)矩下降3 N·m，下降了2%。發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)發(fā)生1 800 次早燃、單個(gè)金具突出火花塞經(jīng)歷600次早燃后，發(fā)動(dòng)機(jī)性能幾乎沒(méi)有降低。試驗(yàn)表明，金具突出火花塞抵抗早燃沖擊的能力更強(qiáng)。

圖3 發(fā)生不同早燃次數(shù)后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和油耗變化

ECU 檢測(cè)到早燃后，首先發(fā)出“加濃”指令來(lái)抑制早燃，如果加濃后，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然發(fā)生早燃，ECU 會(huì)采取“限制轉(zhuǎn)矩”措施來(lái)抑制早燃。通過(guò)加濃控制住的早燃叫“單次早燃”，這種早燃次數(shù)叫“早燃次數(shù)（加濃）”；如果加濃沒(méi)有控制住第一次早燃，會(huì)繼續(xù)發(fā)生第二次早燃，最后通過(guò)限制轉(zhuǎn)矩才控制住，這種早燃叫“連續(xù)早燃”，相應(yīng)的早燃次數(shù)叫“早燃次數(shù)（限制轉(zhuǎn)矩）”。

單個(gè)普通火花塞和單個(gè)金具突出火花塞經(jīng)歷600 次早燃后發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 單個(gè)普通火花塞經(jīng)歷600 次早燃后轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況

圖5 單個(gè)金具突出火花塞經(jīng)歷600 次早燃后轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況

從圖4 可以看出，采用普通火花塞時(shí)，在單次早燃（加濃，圖中黑線）的情況下，會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速下降的現(xiàn)象；從圖5 可以看出，采用金具突出火花塞時(shí)，僅在連續(xù)早燃（限制轉(zhuǎn)矩，圖中白線）時(shí)才有轉(zhuǎn)速明顯下降的現(xiàn)象。這同樣可以證明，在發(fā)生早燃后，金具突出火花塞的穩(wěn)定性比普通火花塞好。隨后拆下火花塞，可以看到普通火花塞有輕微裂紋。

1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)拆解結(jié)果

拆機(jī)結(jié)果顯示，除了活塞環(huán)積碳較多之外，缸套網(wǎng)紋清晰無(wú)異常，2 種火花塞均無(wú)明顯異常，燃燒系統(tǒng)正常。

盡管發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了多達(dá)1 800 次的早燃沖擊仍然能保持良好的狀態(tài)。但是，早燃次數(shù)依舊應(yīng)該減少。

2 早燃控制措施試驗(yàn)研究

2.1 早燃工況

早燃主要發(fā)生在低速大負(fù)荷工況[4]，本文針對(duì)試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，選取2 000 r/min、200 N·m 作為試驗(yàn)工況，試驗(yàn)時(shí)間定為2 h，為了保證各個(gè)早燃控制措施具有可比性，試驗(yàn)邊界控制完全相同，包括試驗(yàn)前在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、BMEP 為1.6 MPa 的工況運(yùn)行30 min 后清積碳。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

整個(gè)試驗(yàn)對(duì)比了清積碳與否、不同冷卻水溫度、不同燃油噴射策略、不同機(jī)油劣化程度、是否為抗早燃機(jī)油以及混合氣是否加濃（過(guò)量空氣系數(shù)是否小于1）對(duì)早燃次數(shù)的影響，

2.2.1 清積碳對(duì)早燃次數(shù)的影響

圖6 為清積碳對(duì)1 次噴射早燃次數(shù)的影響，圖7為清積碳對(duì)3 次噴射早燃次數(shù)的影響。

圖6 清積碳對(duì)1 次噴射早燃次數(shù)的影響

圖7 清積碳對(duì)3 次噴射早燃次數(shù)的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)積碳增多后，燃燒室熱點(diǎn)增多，為早燃提供了必要條件。圖6 和圖7 的試驗(yàn)結(jié)果顯示，清積碳可以有效減少早燃次數(shù)。而燃油噴射策略不同，清積碳后，早燃次數(shù)減少幅度不同。從圖6 可以看出，1 次噴射，清積碳后，早燃次數(shù)減少35%；從圖7 可以看出，3 次噴射，清積碳后，早燃次數(shù)減少26%。

2.2.2 冷卻水溫度對(duì)早燃次數(shù)的影響

圖8 為冷卻水溫度對(duì)早燃次數(shù)影響。

圖8 的試驗(yàn)結(jié)果顯示，大幅降低冷卻水溫度可以有效減少早燃次數(shù)，但冷卻水溫度對(duì)早燃次數(shù)的影響并非線性。原因是適當(dāng)升高冷卻水溫度，缸內(nèi)燃油霧化效果更好，燃燒速度更快，反而有利于減少早燃次數(shù)[5]。

圖8 冷卻水溫度對(duì)早燃次數(shù)的影響

2.2.3 燃油噴射策略對(duì)早燃次數(shù)的影響

本次試驗(yàn)共使用了4 種燃油噴射策略，分別是1次噴射、2 次噴射、3 次噴射2 種（3.1：噴射比例為4 ∶4 ∶2，3.2：噴射比例為2 ∶7 ∶1，詳細(xì)策略見(jiàn)表2）。

圖9 為燃油噴射策略對(duì)比示意圖，圖10 為燃油噴射策略對(duì)早燃次數(shù)的影響。

圖9 燃油噴射策略對(duì)比示意圖

圖10 燃油噴射策略對(duì)早燃次數(shù)影響

圖10 的試驗(yàn)結(jié)果顯示，2 次噴射可以有效減少早燃次數(shù)，3 次噴射策略1 由于第1 次噴油時(shí)刻過(guò)早，早燃次數(shù)大幅增加，推遲第1 次噴油時(shí)刻，即采用3 次噴射策略2 后，早燃次數(shù)明顯減少，但仍然處于較多的水平。

2.2.4 機(jī)油劣化及機(jī)油抗早燃性對(duì)早燃次數(shù)的影響

機(jī)油在長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)發(fā)生劣化，因此會(huì)導(dǎo)致早燃。圖11 為新舊機(jī)油對(duì)早燃的影響對(duì)比，圖12 為機(jī)油抗早燃性對(duì)早燃次數(shù)的影響。

圖11 的試驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)油劣化后，早燃次數(shù)增多33%。圖12 的試驗(yàn)結(jié)果顯示，使用含鈣量低的抗早燃機(jī)油后，早燃次數(shù)明顯減少。本試驗(yàn)采用抗早燃機(jī)油5W30 后，已經(jīng)沒(méi)有早燃發(fā)生，多次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果一樣，證明抗早燃機(jī)油對(duì)減少早燃次數(shù)有明顯作用。

圖11 新舊機(jī)油對(duì)早燃的影響對(duì)比

圖12 機(jī)油抗早燃性對(duì)早燃次數(shù)的影響

2.2.5 混合氣加濃對(duì)早燃次數(shù)的影響

混合氣加濃可以有效降低缸內(nèi)溫度，從而抑制早燃發(fā)生。圖13 為混合氣加濃對(duì)早燃次數(shù)的影響。

圖13 混合氣加濃對(duì)早燃次數(shù)的影響

圖13 的試驗(yàn)結(jié)果顯示，混合氣加濃至過(guò)量空氣系數(shù)為0.85 時(shí)，早燃沒(méi)有發(fā)生。

不同早燃控制措施對(duì)早燃的控制效果匯總見(jiàn)表2。

表2 不同早燃措施對(duì)早燃的控制效果匯總

綜上所述，使用抗早燃機(jī)油和混合氣加濃可以大幅減少早燃發(fā)生頻次，是目前普遍采用的控制早燃技術(shù)；清積碳和使用新機(jī)油也可以一定程度減少早燃次數(shù)，但這需要駕駛員有良好的駕駛習(xí)慣并按時(shí)保養(yǎng)；燃油噴射策略對(duì)早燃有很大影響，通過(guò)調(diào)整噴射策略來(lái)減少早燃次數(shù)有很大的潛力；將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度降低到60 ℃也可以減少早燃次數(shù)，但是目前該技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

1）早燃是高增壓汽油機(jī)普遍存在的一種非正常燃燒現(xiàn)象，本試驗(yàn)采用的某1.0 L 3 缸增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)單缸發(fā)生600 次早燃，單個(gè)火花塞經(jīng)歷600次早燃，發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)發(fā)生1 800 次早燃后，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性略有下降，整個(gè)燃燒系統(tǒng)無(wú)明顯異常。

2）金具突出火花塞抵抗早燃的能力更強(qiáng)，更適用于早燃嚴(yán)重的燃燒系統(tǒng)及由于早燃引起的火花塞容易失效的發(fā)動(dòng)機(jī)。

3）目前，抑制早燃最有效的措施是采用抗早燃機(jī)油和混合氣加濃。而抗早燃機(jī)油最重要的添加劑是鈣，減少鈣含量，可以有效減少早燃頻次。另外，燃油噴射策略、清積碳、機(jī)油劣化及冷卻水溫度對(duì)早燃也有不同程度的影響。合理的噴射策略對(duì)減少早燃次數(shù)有很大的潛力，但噴油過(guò)早不利于抑制早燃；清積碳可以有效減少早燃次數(shù)；機(jī)油劣化后早燃頻次會(huì)增加，按時(shí)保養(yǎng)可以有效減小早燃對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損害。