摘 要：目前，增程式電動(dòng)汽車(chē)隨著市場(chǎng)的關(guān)注成為了各廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)的焦點(diǎn)，其中增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)（DHE，Dedicated Hybrid Engine）的開(kāi)發(fā)更是重中之重。不同于傳統(tǒng)燃油車(chē)，DHE更加注重高效、集成、靜謐的特性，因此其開(kāi)發(fā)邊界與整車(chē)的功率需求有著強(qiáng)耦合關(guān)系。本文以某款增程器失效為例，通過(guò)對(duì)缸體破裂的分析展開(kāi)，重點(diǎn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理架構(gòu)及燃燒特性進(jìn)行了改善及優(yōu)化，進(jìn)一步規(guī)避了系統(tǒng)冷卻能力不足以及低速早燃導(dǎo)致超級(jí)爆震的風(fēng)險(xiǎn)。該論文對(duì)增程器的開(kāi)發(fā)以及類(lèi)似故障解析具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：增程式電動(dòng)汽車(chē)；增程器；低速早燃；超級(jí)爆震

中圖分類(lèi)號(hào)：TK411+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2024）04-0082-06

Analysis and Optimization of Super Knock of A Certain Range Extender

FAN Peng， DENG Xiang， BI Shuai， SUN Yong-fu， ZHOU Zhong-yong

（VOYAH Automobile Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： At present， with the attention of market， more OEMs focus on the range extended electric vehicle development， especially for the development of dedicated hybrid engine（DHE）. Different from traditional fuel vehicles， DHE pays more attention to its efficiency， integration and NVH performance， so its development boundary has the strong coupling relationship with generated power. Taking the failure of a range extender as an example， this paper focuses on improving and optimizing the thermal management architecture and combustion characteristics of the engine through the analysis of cylinder block rupture， and further avoids the risk of insufficient cooling capacity and the risk of super knock caused by LSPI （Low Speed Pre-ignition）. This paper has a certain reference value for the development of range extender and similar issue analysis.

Key Words： Range Extended Electric Vehicle; Range Extender; LSPI; Super Knock

引 言

當(dāng)前增程式電動(dòng)汽車(chē)作為新能源汽車(chē)的重要分支，因其優(yōu)秀的純電駕乘屬性和及時(shí)供能補(bǔ)電的特點(diǎn)，不僅消除了消費(fèi)者的續(xù)航及補(bǔ)能焦慮且市場(chǎng)保有量也在快速飆升。中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)2023年發(fā)布的《中國(guó)增程式電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》也預(yù)測(cè)了2020-2025年增程電動(dòng)汽車(chē)年復(fù)合增速達(dá)64.7%，到2025年銷(xiāo)量增至約50萬(wàn)輛。

為貼合市場(chǎng)需求，各廠(chǎng)家也加大了增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)投入，當(dāng)前主流的技術(shù)有：附件電氣化、GDI高壓直噴、水冷中冷器、低壓EGR、DLC缸內(nèi)減摩技術(shù)等，其中對(duì)于高效熱管理、燃燒特性?xún)?yōu)化尤為關(guān)鍵。本文針對(duì)某款增程器的異常燃燒故障及熱管理風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析與改善。

1 現(xiàn)狀把握

1.1 故障現(xiàn)狀

故障車(chē)高速行駛時(shí)突發(fā)動(dòng)力丟失且MIL故障燈點(diǎn)亮，停車(chē)檢查OBD報(bào)發(fā)動(dòng)機(jī)多缸失火故障碼，同時(shí)檢查膨脹水壺冷卻液位低，進(jìn)一步檢查發(fā)動(dòng)機(jī)缸體發(fā)現(xiàn)一缸處有破損現(xiàn)象（圖1）。重新加裝冷卻液后，可以目視缸體破損處有大量液體流出。進(jìn)一步追溯故障前期，偶發(fā)報(bào)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)多缸失火，且伴隨加速無(wú)力。基于以上信息，判斷整車(chē)動(dòng)力丟失與冷卻液泄漏而導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)溫，ECU斷油保護(hù)直接關(guān)聯(lián)。

1.2 故障工況

由于無(wú)當(dāng)日數(shù)據(jù)記錄，故參考故障前一天數(shù)據(jù)（如表1、圖2），整車(chē)以80-100km/h燃油優(yōu)先模式運(yùn)行，且發(fā)電工況點(diǎn)均在高轉(zhuǎn)速中大負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行。運(yùn)行過(guò)程中冷卻液溫度在90℃左右無(wú)異常過(guò)溫，但在整車(chē)加速過(guò)程中進(jìn)氣溫度異常升溫，峰值溫度可達(dá)120℃，車(chē)速穩(wěn)定后中冷后進(jìn)氣溫度維持在100℃左右（一般要求中冷后進(jìn)氣溫度<70℃）。

1.3 故障機(jī)拆解分析

將故障機(jī)進(jìn)行拆解分析，篩查關(guān)鍵要點(diǎn)如下所示：

a.缸蓋部分拆解：一缸燃燒室損毀且進(jìn)排氣氣門(mén)均壓潰斷裂，火花塞頭部斷裂且燒蝕（如圖3），其余火花塞點(diǎn)檢正常，可以正常跳火。點(diǎn)檢另外三個(gè)缸的活塞頭部有均質(zhì)麻點(diǎn)，疑為爆震痕跡。

b.缸體部分拆解：無(wú)異常油水混合現(xiàn)象，且油底殼處有大量鋁屑及斷裂連桿。鋁屑判斷為一缸活塞及破損缸體部分（如圖4）。進(jìn)一步的拆解確認(rèn)關(guān)鍵摩擦副力矩、軸瓦和軸承的配合、連桿小頭與活塞銷(xiāo)的配合、活塞銷(xiāo)與卡簧的配合均無(wú)問(wèn)題，且關(guān)鍵力矩復(fù)核及各密封面無(wú)明顯異常。

c.外附件拆解：進(jìn)氣歧管、增壓器、油冷器、水冷中冷器、排氣系統(tǒng)初步排查無(wú)異常，排氣歧管內(nèi)壁有疑似活塞破損鋁屑。

基于故障工況及故障機(jī)初步拆解分析得出如下基本判斷：

1）由于一缸活塞搗缸，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失火并引起車(chē)輛動(dòng)力丟失。

2）故障前期有進(jìn)氣溫度偏高現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈爆震甚至早燃等異常燃燒傾向。且爆震會(huì)對(duì)火花塞陶瓷頭部（進(jìn)入燃燒室部分）產(chǎn)生破壞，甚至發(fā)生裂紋及碎裂風(fēng)險(xiǎn)。

3）另外早燃產(chǎn)生的高溫會(huì)對(duì)火花塞電極、鐵殼產(chǎn)生燒蝕甚至脫落，高溫也會(huì)導(dǎo)致陶瓷小頭出現(xiàn)“燒酥”風(fēng)險(xiǎn)（圖5）。若陶瓷小頭、電極、鐵殼等零件燒蝕脫落，撞擊到活塞、氣門(mén)等運(yùn)動(dòng)的部件可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)件碎裂、折斷等故障。

基于上述分析，需重點(diǎn)排查進(jìn)氣溫度異常過(guò)高原因，另外針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本體及冷卻系統(tǒng)也需要進(jìn)一步確認(rèn)。

2 潛在故障失效模式分析

2.1 FTA故障樹(shù)

根據(jù)故障機(jī)缸體破裂及拆解情況，列出如下故障樹(shù)（如圖6）：

同時(shí)基于故障機(jī)零部件深度拆解分析，初步排除因鑄造缺陷、零件強(qiáng)度、壓比異常、密封不良、裝配工藝而導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)異常破損風(fēng)險(xiǎn)（如表2）。

2.2 潛在失效機(jī)理分析及排查

進(jìn)一步地，需結(jié)合故障前期采集的異常數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析中冷后進(jìn)氣溫度異常的原因?，F(xiàn)列出基于高進(jìn)氣溫度的FTA并逐項(xiàng)展開(kāi)要因分析（圖7）。通過(guò)對(duì)故障樹(shù)各個(gè)分支解析排查，排除了冷卻回路部件性能不足、進(jìn)氣溫度傳感器標(biāo)定異常、節(jié)溫器開(kāi)度異常、進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉異常（回火）、發(fā)動(dòng)機(jī)后燃、低牌號(hào)汽油、渦輪增壓器內(nèi)部漏氣等潛在失效因素，并重點(diǎn)在冷卻回路流量不足（中冷器散熱能力衰減）、EGR率過(guò)高導(dǎo)致的燃燒紊亂（超級(jí)爆震）兩方面進(jìn)一步解析。

3 冷卻系統(tǒng)失效分析

3.1 熱管理系統(tǒng)原理圖

如圖8系統(tǒng)原理圖所示，水冷中冷器、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器、散熱器、水泵3等部件組成了高溫冷卻系統(tǒng)回路（與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立），其中補(bǔ)償水壺1對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)液。通過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，由于水泵2線(xiàn)束接插件虛接，導(dǎo)致水泵性能下降甚至異常停機(jī)，進(jìn)而引起補(bǔ)償水壺1與三通閥之間出現(xiàn)氣泡，使水冷中冷器冷卻液流量下降，最終進(jìn)氣溫度異常升高。

3.2 改善方案

為提升上述冷卻系統(tǒng)的可靠性，除了強(qiáng)化水泵2線(xiàn)束端子插接可靠性之外，需在該冷卻回路中增加第二條冷卻液補(bǔ)償路徑，具體方案如圖9所示。其中，為避免水泵1大負(fù)荷工作時(shí)中冷器冷卻液被過(guò)度泵出而造成缺液現(xiàn)象，需在新增冷卻液補(bǔ)償路徑前端增加單向閥3以防止液體吸入回流。

3.3 驗(yàn)證結(jié)果

如表3所示，原方案在模擬泵2不工作時(shí)三通閥7位置有氣泡產(chǎn)生，導(dǎo)致冷卻液流量不足。進(jìn)一步地通過(guò)對(duì)比三種不同補(bǔ)償液管路位置方案可知，在低溫散熱器出水口后端取液（位置1至4處）可以保證泵2不工作時(shí)水冷中冷器內(nèi)部仍能保持最高流量21.6L/min。通過(guò)后續(xù)整車(chē)測(cè)試，滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求，且進(jìn)氣溫度<70℃無(wú)異常過(guò)溫故障。

4 超級(jí)爆震失效分析

4.1 失火誘導(dǎo)超級(jí)爆震機(jī)理

通過(guò)故障機(jī)拆解發(fā)現(xiàn)活塞頭部有爆震后麻點(diǎn)現(xiàn)象，且一缸搗缸破損。固懷疑由于發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒，導(dǎo)致早燃與爆震，且該異常燃燒與發(fā)動(dòng)機(jī)失火及高進(jìn)氣溫度關(guān)聯(lián)。

當(dāng)前，超級(jí)爆震已成為增壓直噴汽油機(jī)功率密度提高的主要障礙。然而，影響超級(jí)爆震的因素和機(jī)理尚不清楚。目前學(xué)界普遍認(rèn)為缸內(nèi)熱點(diǎn)誘發(fā)了早燃和超級(jí)爆震，其中失火誘發(fā)的超級(jí)爆震更易解釋其偶發(fā)性和隨機(jī)性。學(xué)界對(duì)于失火爆震的主要觀(guān)點(diǎn)如下：

1）某缸失火能夠引起其它缸內(nèi)混合氣熱力狀態(tài)改變，發(fā)生異常燃燒，并導(dǎo)致缸壓曲線(xiàn)提前分離，燃燒相位提前，集中放熱，燃燒持續(xù)期縮短。

2）失火缸本身也會(huì)發(fā)生超級(jí)爆震。失火情況下，受到活塞壓縮，缸內(nèi)混合氣較快達(dá)到了高溫高壓熱范圍，進(jìn)而混合氣在上止點(diǎn)附近同時(shí)發(fā)生自燃， 缸內(nèi)壓力快速跳到最大值。

4.2 EGR與燃燒分析

如上述分析，失火會(huì)誘發(fā)超級(jí)爆震，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)具有破壞力的爆轟燃燒風(fēng)險(xiǎn)。由于故障機(jī)采用的是低壓EGR（圖10），通過(guò)降低泵氣損失、減少混合氣加濃，可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)適當(dāng)?shù)腅GR率可以降低燃燒溫度（比熱容增加），減緩燃燒速度，延長(zhǎng)燃燒持續(xù)期，抑制爆震，保持燃燒穩(wěn)定性。

但是過(guò)高的EGR率不僅會(huì)影響EGR冷卻器的換熱能力，甚至?xí)?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性（COV）的劣化。由于故障機(jī)工況采用23%較高的EGR率，使高溫廢氣竄入燃燒室引起異常爆震以及點(diǎn)火提前角退角增加（一般為3°以?xún)?nèi)，故障實(shí)際退角>4°），引起燃燒紊亂，加劇硬件作動(dòng)劣化，最終導(dǎo)致缸體破損。

通過(guò)對(duì)不同EGR率在高負(fù)荷工況下測(cè)得的數(shù)據(jù)（表4）可以看出，高EGR率會(huì)導(dǎo)致中冷后進(jìn)氣溫度明顯上升。

同時(shí)結(jié)合不同中冷水泵開(kāi)啟狀態(tài)，可以看出在水泵關(guān)閉、發(fā)動(dòng)機(jī)高溫限扭功能關(guān)閉且高EGR率（>23%）條件下，進(jìn)氣溫度可飆升至122℃（表5）。該溫度與故障前采樣數(shù)據(jù)基本一致，可以判斷故障是冷卻系統(tǒng)異常與高EGR率復(fù)合疊加所導(dǎo)致。

4.3 改善方案

通過(guò)上述驗(yàn)證分析，現(xiàn)將各個(gè)工況下EGR率對(duì)應(yīng)的map進(jìn)行優(yōu)化。在保證油耗一致性的前提下，將最高EGR率從23%降低至18%（如圖11）：

同時(shí)為保證發(fā)動(dòng)機(jī)高溫可靠性，給EMS增加了過(guò)溫限扭保護(hù)策略（表6）：

4.4 驗(yàn)證結(jié)果

通過(guò)上述策略?xún)?yōu)化，發(fā)動(dòng)機(jī)搭載燃燒分析儀并進(jìn)行1萬(wàn)公里高溫耐久試驗(yàn)，中冷后進(jìn)氣溫度均保持正常水平<70℃，且無(wú)超級(jí)爆震等異常燃燒故障發(fā)生，滿(mǎn)足整機(jī)性能目標(biāo)。

5 小結(jié)

本文結(jié)合一典型增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)的超級(jí)爆震失效案例，通過(guò)數(shù)據(jù)采樣以及故障機(jī)拆解分析，排除了發(fā)動(dòng)機(jī)本體因鑄造缺陷、零件強(qiáng)度、壓比異常、密封不良、裝配工藝而導(dǎo)致的異常破損因素。

同時(shí)，基于高進(jìn)氣溫度并結(jié)合理論分析，判斷失火會(huì)誘發(fā)超級(jí)爆震風(fēng)險(xiǎn)，后續(xù)通過(guò)對(duì)中冷器冷卻系統(tǒng)、EGR率、EMS高溫限扭策略進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)實(shí)車(chē)測(cè)試可以有效改善高進(jìn)氣溫度帶來(lái)的增程器失效風(fēng)險(xiǎn)。該文對(duì)于類(lèi)似的增程器失效故障具有指導(dǎo)借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張志福，舒歌群，梁興雨，劉國(guó)慶，楊萬(wàn)里，王志.增壓直噴汽油機(jī)超級(jí)爆震現(xiàn)象與初步試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)， 2011，5：422-426.

[2]樓狄明，王博.低壓EGR對(duì)增壓直噴汽油機(jī)燃燒和油耗的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2020，6：890-897.

[3]高尚志，孫曉東，孫程龍，吳昌雷.高進(jìn)氣溫度對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能以及燃燒影響試驗(yàn)研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車(chē)輛技術(shù)，2022，5：18-20，34.

[4]楊如枝，滿(mǎn)興家，葉年業(yè)，梁源飛.米勒循環(huán)和低壓EGR對(duì)混動(dòng)專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2022，3：7-14.

[5]曾契，沈凱，張振東，尹叢勃，周文平.高/低壓EGR對(duì)汽油機(jī)和增壓器影響的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2018，4：33-38.

[6]高健.失火誘發(fā)超級(jí)爆震及爆轟波對(duì)活塞的破壞[D].天津：天津大學(xué)，2021.

范 鵬

畢業(yè)于湖南大學(xué)，車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于嵐圖汽車(chē)科技有限公司，動(dòng)力總成集成專(zhuān)家，高級(jí)工程師，主要研究方向：混動(dòng)集成開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。曾參與編寫(xiě)《中國(guó)增程式電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》，并有多篇論文在SAECCE發(fā)表。

專(zhuān)家推薦語(yǔ)

張宏飛

東風(fēng)商用車(chē)技術(shù)中心 動(dòng)力總成部

熱力發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)業(yè) 研究員級(jí)高級(jí)工程師

本論文結(jié)合一典型增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)的超級(jí)爆震失效案例，通過(guò)數(shù)據(jù)采樣以及故障機(jī)拆解分析，重點(diǎn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理架構(gòu)及燃燒特性進(jìn)行了改善和優(yōu)化，規(guī)避了因系統(tǒng)冷卻能力不足以及低速早燃而導(dǎo)致出現(xiàn)的超級(jí)爆震風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)同行業(yè)類(lèi)似的增程器失效故障的系統(tǒng)分析和實(shí)際應(yīng)用工程的優(yōu)化改進(jìn)開(kāi)發(fā)具有比較強(qiáng)的指導(dǎo)借鑒意義。