高压缩比直喷汽油机离子电流与燃烧特性的研究*

薛忠业，刘寅童，胡敏彰，邓 俊，李理光,2

(1.同济大学汽车学院，上海 200092； 2.同济大学中德学院，上海 200092)

前言

与进气道喷射(port fuel injection, PFI)相比，汽油缸内直喷(gasoline direct injection, GDI)在燃油经济性、瞬态响应特性、循环变动和各缸均匀性等方面具有明显优势[1]。从缸内混合气形成过程来看，缸内直喷时，燃油在气缸内蒸发，汽化潜热主要来自新鲜充量，能够有效降低进气温度、提高充气效率[2]。进气温度的降低和GDI分层稀燃工作大大抑制了GDI发动机的爆燃倾向，使其能采用更高的压缩比(可达12～14)来提升发动机的效率[3]。

研究表明，压缩比提高后，较高的缸内压力、温度和强劲的缸内涡流与紊流，使油气混合更加均匀，燃烧更加充分，发动机的动力性获得增强，但也更容易发生爆燃[7]。因此，对于缸内直喷发动机来说，研究其在不同压缩比，特别是高压缩比下的燃烧特性，对充分发挥缸内直喷技术优势具有重大意义。

本文中通过对一台EA888 2.0L TFSI发动机活塞结构的改造，增大其压缩比，研究了汽油直喷发动机在高压缩比下的缸内燃烧和离子电流特性，并分析了提高压缩比所带来发动机性能的变化。

1 试验台架介绍

采用的GDI发动机试验台架和离子电流检测电路如图1和图2所示，试验发动机参数如表1所示。以火花塞作为传感器对离子电流信号进行检测，并设置两块高压硅堆分别隔离蓄能和点火干扰，试验台架基于16位MC9S12XS128单片机搭建了控制单元，基于LABVIEW编写了上位机控制程序，采用CAN总线进行通信，该控制系统能够灵活地对各缸点火和喷油等参数进行实时调节和监控。

采用交流电力测功机对发动机进行测试。通过Kistler 6125B型缸压传感器，并配合Kistler 5007型电荷放大器对缸压进行测量。采用LC-1宽域氧传感器对发动机的空燃比进行监控。发动机缸压、曲轴、凸轮轴、光电编码器、进气压力、瞬态排放和氧传感器等信号均通过NIPCI-6250高速数据采集卡同步采集。

表1 发动机技术参数

2 活塞的改造

为了对比研究高压缩比直喷汽油机的离子电流及燃烧特性，完成原机压缩比9.6下的试验后，对活塞进行改造，将发动机压缩比提高至11.5。采用SmartSCAN三维扫描仪对原机燃烧室和活塞进行扫描，建立三维模型，进而精确设计和计算活塞上垫块的形状和体积，确保两者可靠连接和改造后发动机的压缩比，活塞改造方案如图3示。

3 试验结果与分析

试验发动机冷却水温为90℃，进气温度为16℃，分别在转速为1 300、1 500和1 800r/min时，对压缩比为9.6和11.5下的缸内压力和离子电流信号进行了对比和分析。

3.1 压缩比对燃烧相位和离子电流相位的影响分析

为了分析高压缩比时直喷汽油机燃烧相位的变化，以CA10和CA50(燃烧10%和50%累积放热量对应的曲轴转角)来表征缸内燃烧的相位特性，以离子电流起始Ion10相位(10%离子电流积分值所对应的曲轴转角)和离子电流差分谷值dIonvalley相位来表征离子电流的相位特性，研究了不同压缩比发动机在各个转速(1 300、1 500和1 800r/min)下，CA10、Ion10、CA50和dIonvalley等相位随空燃比而变化的关系，结果如图4和图5所示。由图可见：在不同的转速和空燃比下，Ion10与CA10和dIonvalley与CA50的相位变化趋势都很一致；Ion10和dIonvalley所反映的离子电流相位始终滞后于CA10和CA50所反映的燃烧相位，且在不同的转速下相位差都基本保持在10°CA左右，表明离子电流信号能够准确反映燃烧的相位信息。

对比不同压缩比下的燃烧相位变化，压缩比提高以后，CA10和CA50均显著提前，Ion10和dIonvalley相位也相应提前，且在不同的转速和空燃比下提前量基本保持在1.5°CA左右，再次证明了离子电流信号在反映缸内燃烧相位时的可靠性。

3.2 压缩比对指示平均有效压力的影响分析

为了分析提高压缩比对发动机指示平均有效压力(IMEP)的影响，对其在不同转速、空燃比下的IMEP进行了对比研究。考虑到离子电流能够完整地反映整个缸内燃烧过程，以Ionint作为离子电流信号的累积量必然能够反映发动机的循环做功能力，进而与发动机IMEP直接相关，本文中同时分析了提高压缩比前后IMEP和Ionint在不同转速下随空燃比变化的关系，结果如图6所示。由图可见，不同工况下，Ionint都能很好地与IMEP相对应，具有明显的相关性。

对比不同压缩比下的IMEP变化，提高压缩比使发动机IMEP显著上升，不同工况下，IMEP均增加约0.02MPa，相应的Ionint获得20V·°CA左右的增幅，这是由于，根据汽油机热效率公式提高压缩比可以提高循环的热效率[13]，节气门开度、转速和空燃比相同时，发动机喷油量相同，因此完全燃烧放出的总热量相同，而热效率的提高使循环做功增加，IMEP升高。根据发动机的指示热效率公式[13]，由于活塞改造前后工作容积不变，IMEP提高0.02MPa可使发动机指示热效率上升2%～3%。

3.3 高压缩比发动机的爆燃特性分析

提高压缩比导致发动机的爆燃倾向加剧，为了分析爆燃发生的剧烈程度，并探索高压缩比直喷汽油机规避爆燃的途径，对爆燃工况时的缸压和离子电流信号进行了采集，并在所采集的67个循环中发现爆燃循环14个。针对每个爆燃循环的缸压和离子电流，本文中采用频谱分析和高通滤波等方法，对其特征值进行了提取。图7(a)为同一爆燃循环的缸压、离子电流和离子电流差分信号，根据爆燃信号一般所在频率范围6～8kHz[4]，对缸压和离子电流信号高通滤波，滤掉4kHz以下部分，得到高频压力和离子电流，见图7(b)。以高频压力振荡的最大幅值(图7(b))作为该循环爆燃强度的评价指标(KIA，爆燃评价指标的一种[5])，同时提取相应曲轴相位时高频离子电流振荡的最大幅值fIonm(图7(b))和离子电流差分峰值dIonpeak(图7(a))作为参考，研究了爆燃强度指标KIA分别与fIonm和dIonpeak的线性相关性，结果如图8所示。

发动机爆燃时，缸内压力振荡引发混合气导电性变动，使爆燃特征较为完整地反映到离子电流信号中[6]，从图8中可以发现，随着爆燃强度的增加，爆燃相位处，离子电流中高频信号幅值的分布呈增大趋势，且其与爆燃强度KIA有较为明显的线性相关性(相关系数为0.79)；本文中进一步研究了同出现于爆燃相位附近的dIonpeak值的变化，统计发现，随着爆燃强度的增加，dIonpeak的分布亦呈增大趋势，且其与爆燃强度KIA的线性相关性要稍优于fIonm(相关系数为0.82)，表明dIonpeak能有效地表示当前的爆燃剧烈程度，且在其特征值提取过程中无需滤波和频谱分析，能够有效缩短计算时间，适于作为反馈信号来控制缸内燃烧状况，抑制爆燃的发生。

4 结论

(1) 提高压缩比使整体燃烧相位和离子电流相位提前，且在不同工况下，反映离子电流相位信息的Ion10相位和dIonvalley相位分别与燃烧始点CA10和燃烧中心CA50始终保持一致的对应关系，表明离子电流信号能够准确反映燃烧相位的变化，非常适于作为反馈控制信号控制、优化缸内燃烧特性。

(2) 压缩比的提高，使发动机热效率提高，有效功增加，IMEP上升；离子电流积分值Ionint与IMEP大小有很强的对应关系，可准确反映IMEP的变动。

(3) 高压缩比增加了原发动机的爆燃倾向，限制了发动机工况向高负荷拓展，离子电流振荡幅值fIonm和离子电流差分峰值dIonpeak均与爆燃强度评价指标KIA有较为明显的线性关系，能够较为准确地反映当前的爆燃剧烈程度。

(4) 通过改造活塞形状来增加压缩比的同时，使原有缸内流场受到一定影响，循环间变动有所加剧，试验中不同工况下，循环变动系数均上升1.5%左右，在后续研究中，将配合三维模拟软件对燃烧室流场进行模拟，指导改造活塞形状，改善发动机在高压缩比下的循环变动特性。

[1] Zhao F Q, Lai M C, Harrington D. Automotive Gasoline Direct-Injection Engines[M]. SAE Int.Ed,2002.

[2] 蒋坚,高希彦.汽油缸内直喷式技术的研究与应用[J].内燃机工程,2003,24(5):39-44.

[3] 夏淑敏,邱先文,赵新顺,等.车用汽油机缸内直喷技术的研究现状与展望[J].农业机械学报,2003,34(5):168-171.

[4] Heywood J B. Internal Combustion Engine Fundamentals[M]. New York: Mcgraw-hill,1988.

[5] 武得钰,顾笑映.火花点火发动机爆燃强度评价指标的研究[J].内燃机学报,1997,15(1):62-70.

[6] Nick Collings, Steve Dinsdale, Derek Eade. Knock Detection by Means of the Spark Plug[C]. SAE Paper 860635.

[7] 李东福,王振权.浅谈发动机压缩比[J].农机使用与维修,2004(1):32-32.

[8] Ayala F A, Gerty M D, Heywood J B. Effects of Combustion Phrasing, Relative Air-fuel Ratio, Compression Ratio, and Load on SI Engine Efficiency[C]. SAE Paper 2006-01-0229.

[9] 阮见明,董健,潘志翔,等.压缩比对内燃机性能的影响研究[J].内燃机,2011,(3):13-15.

[10] 张运泰,伊学军,王利,等.汽油机爆燃的原因分析及对策[J].内燃机配件,2004,(6):26-27.

[11] 张力,李玉华,朱长友,等.时域缸压信号爆燃识别及强度评价的动态窗口域方法[J].内燃机工程,2009,30(6):88-92.

[12] Munoz R H, Han Zhiyu, et al. Effect of Compression Ratio on Stratified-charge Direct-Injection Gasoline Combustion[C]. SAE Paper 2005-01-0100.

[13] 周龙保,刘巽俊,高宗英.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,2005.