TGDI发动机超级爆震特性研究

方会咏， 许杰， 柳启元， 张慧君， 赵春燕， 刘义强， 王瑞平

(1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司, 浙江 宁波 315336； 2.浙江吉利罗佑发动机有限公司， 浙江 宁波 315336)



TGDI发动机超级爆震特性研究

方会咏， 许杰， 柳启元， 张慧君， 赵春燕， 刘义强， 王瑞平

(1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司, 浙江 宁波 315336； 2.浙江吉利罗佑发动机有限公司， 浙江 宁波 315336)

研究了单次喷射及二次喷射对涡轮增压直喷汽油机某工况下超级爆震的影响，分析了二次喷射策略下进排气凸轮相位、进气温度、点火提前角、空燃比、发动机水温及曲轴箱通风系统对超级爆震的影响情况。结果表明，采用适当的二次喷射策略能有效抑制超级爆震的发生，增加发动机水温，降低混合气空燃比，适当提前排气相位可以减少超级爆震的频次，进气温度及点火提前角对超级爆震现象的改善不大。

涡轮增压； 直喷汽油机； 二次喷射； 超级爆震

目前，国内汽油机增压直喷技术日趋成熟，增压直喷汽油机已成为国内研发的主流，通过增压直喷技术，结合适当的喷油策略，大幅提高了汽油机的动力性与经济性。但增压直喷汽油机在低速大负荷普遍存在超级爆震现象，国际上对于超级爆震的诱发机理至今还没有明确的定论。发生超级爆震时，发动机燃烧室内火焰前锋传播速度极快，缸内压力和温度急剧上升，并伴随剧烈的压力波动与极大的噪声。超级爆震具有偶发随机性，对发动机极具破坏性，且通过推迟点火也无法避免这种现象[1-4]。

本研究针对某1.8 L增压直喷汽油机，在某低转速全负荷工况点(扭矩285 N·m)，分别采用单次喷射和二次喷射策略，研究不同的喷油控制策略对超级爆震的影响。并在二次喷射的基础上，分别采用不同的进排气凸轮相位、进气温度、点火提前角、空燃比、发动机水温等参数，全面深入地研究其对发动机超级爆震的影响。

1 试验介绍

1.1 试验设备

试验所用4T18发动机为4缸4冲程、采用进排气可变配气机构(DVVT)的增压直喷汽油(TGDI)机，气门以双顶置凸轮轴驱动。其技术参数见表1。

对该发动机超级爆震研究的验证试验均在试验室配有冷却水恒温控制系统、进气恒温控制系统、燃油恒温控制系统的性能试验台架上进行，试验设备布置见图1。

表1 发动机技术参数

图1 试验设备布置

为了准确检测超级爆震，在发动机的4个气缸上均安装了缸盖打孔独立式缸压传感器。发动机正常工作最大燃烧压力8.5 MPa，通过燃烧分析仪设置触发条件，当缸内最大燃烧压力pmax>13 MPa，缸内最大燃烧压力远大于发动机正常工作最大燃烧压力时，即认为发生超级爆震一次，并记录触发前后的缸压数据。图2示出发生超级爆震时各缸最大燃烧压力的对比，图3示出超级爆震时缸内压力变化。

图2 超级爆震时各缸缸内最大燃烧压力

图3 超级爆震时各缸缸内压力

1.2 试验方法

为更好地研究直喷发动机在低速大负荷区超级爆震的产生机理及影响因素，特选定在发动机超级爆震易发的1 500 r/min全负荷工况下进行验证研究。试验条件见表2。

表2 超级爆震验证试验条件

对于每一项早燃超级爆震验证试验，均要保证发动机试验室环境温度、湿度、中冷温度、进出水温度等边界条件的控制相一致，其中空燃比根据涡前排气温度限制调控，点火提前角根据爆震临界点调控。并且在每一项超级爆震验证试验前后，均需按照统一的规范标准对发动机进行0.5 h积炭烧除，以消除因发动机长时间运行燃烧室产生积炭对超级爆震的影响，保证试验研究的可信度。

2 超级爆震的影响因素分析

2.1 喷油策略的影响

在发动机采用多次喷射策略下，分析主喷相位、次喷相位和喷油配比的不同因子组合对超级爆震的影响。在表2所示的边界条件下，分别采用单次喷射策略和二次喷射策略各运行2 h，即9 000个工作循环，记录超级爆震发生的频次和剧烈程度。

图4示出采用单次喷射与二次喷射对超级爆震的影响情况。单次喷射喷油提前角为270°BTDC，循环喷油量为0.28 g；二次喷射第一次喷油提前角为270°BTDC，循环喷油量为0.182 g，第二次喷油提前角为159°BTDC，循环喷油量为0.098 g。

从图4可见，采用单次喷射时超级爆震倾向明显高于二次喷射。其主要原因是当采用多次喷射时，在气缸内形成了局部的油气混合分层，某一区域混合气较浓，特别是在燃烧室顶部火花塞周围，这一局部区域温度较低，从而抑制了超级爆震现象的发生。

图4 不同喷油策略下各缸超级爆震情况

图5示出二次喷射策略下，采用不同的第一次喷油提前角时发动机的超级爆震频次，试验中第二次喷油提前角为159°BTDC，第一次的循环喷油量为0.182 g,第二次的循环喷油量为0.098 g。

图5 二次喷射策略下第一次喷油提前角对各缸超级爆震的影响

由图5可见，在保证第二次喷油提前角及第一、二次喷油量不变的情况下，第一次喷油提前角越大超级爆震发生的频次越少。其主要原因在于，第一次喷油提前角越大也即为喷油时刻越早，燃油在气缸内混合的时间越长，油气混合越均匀，燃烧较充分，缸内不易出现炙热点，超级爆震发生的频次也就越少[4]。

图6示出二次喷射策略下，喷油配比(即第二次喷油量占总喷油量的比例)对发动机超级爆震的影响。试验中第一次喷油提前角为290°BTDC，第二次喷油提前角分别为90°，140°，190°BTDC，循环喷油量为0.28 g。

图6 二次喷射策略下喷油配比对发动机超级爆震的影响

由图6可见，在小喷油配比下超级爆震倾向较小，在大喷油配比下发生超级爆震的倾向明显增大。其主要原因在于，当二次喷射的喷油配比较小时，主喷的喷油量占主导地位，主喷的喷油时间相对较早，燃油在气缸中的混合时间较长，油气混合较均匀，燃烧充分，燃烧室中不易积炭形成炙热点。而当二次喷射的喷油配比较大时，二次喷射的喷油量将占主导地位，虽然通过二次喷射可以在燃烧室中形成局部较浓的混合气使温度降低，但由于二次喷射的喷油量过多且喷油时刻较晚，燃油在气缸中的混合时间较短，油气混合不均匀且还有可能在燃烧室局部形成达到燃烧极限的过浓混合气导致燃烧恶化，加剧燃烧室中积炭的形成，产生较多的炙热点，导致超级爆震倾向严重。

2.2 配气相位的影响

在保证相同试验边界条件下，通过调整进排气VVT角度来改变进排气配气相位，研究配气相位对发动机超级爆震的影响。在表2所示的边界条件下，二次喷射第一次喷油提前角为270°BTDC，循环喷油量为0.182 g，第二次喷油提前角为159°BTDC，循环喷油量为0.098 g。按照表3的VVT组合进行试验，各方案分别连续运行2 h，记录超级爆震发生的次数和剧烈程度。

表3 进排气 VVT组合

图7和图8示出配气相位对超级爆震的影响。由图可见，进气相位的提前或滞后对超级爆震的影响不大，排气相位对超级爆震的影响较明显，排气相位越滞后超级爆震发生的倾向越大。其主要原因在于，排气相位越滞后，缸内高温的残余废气量越多，虽然这些残余废气的比热容较高，可以降低缸内的燃烧温度，但在压缩冲程这些残余废气将加热进入气缸的新鲜充量，使得压缩终了时缸内的温度较高，超级爆震倾向变大。

图7 二次喷射策略下排气VVT角对发动机超级爆震的影响

图8 二次喷射策略下进气VVT角对发动机超级爆震的影响

2.3 过量空气系数的影响

图9示出过量空气系数(φa)对超级爆震的影响。试验中边界条件控制如表2所示，二次喷射第一次喷油提前角为270°BTDC，循环喷油量为0.182 g，第二次喷油提前角为159°BTDC，循环喷油量为0.098 g。φa分别取0.8，0.9，1，各方案分别连续运行2 h，记录超级爆震发生的次数和剧烈程度。

图9 过量空气系数对发动机各缸超级爆震的影响

由图9可见，过量空气系数越小发动机发生超级爆震的频次越少。其主要原因在于，较小的过量空气系数下，喷入气缸中的燃油量较多，由于燃油在气缸中雾化蒸发将吸收大量的热量，使得气缸中压缩终了的温度降低，抑制了超级爆震的发生。

2.4 点火提前角的影响

图10示出在保证相同试验边界下点火提前角对超级爆震的影响。边界条件控制如表2所示，二次喷射第一次喷油提前角为270°BTDC，循环喷油量为0.182 g，第二次喷油提前角为159°BTDC，循环喷油量为0.098 g。在爆震临界点处，即点火提前角10°BTDC基础上分别提前0°，3°，6°，各方案分别连续运行2 h，记录不同点火提前角下超级爆震发生的次数和剧烈程度。

图10 点火提前角对发动机各缸超级爆震的影响

由图10可见，点火提前角对超级爆震的影响不明显。由图3可见，超级爆震的产生是在火花塞跳火之前便已经产生，所以点火提前角只要在超级爆震产生之后的角度内变化，对超级爆震就没有影响。

3 发动机边界控制对超级爆震的影响

3.1 进气温度的影响

图11示出在保证相同试验边界下，进气温度对超级爆震的影响。试验边界的控制及喷油提前角、喷油量的取值同2.2节。改变中冷后进气温度，分别控制在20 ℃，30 ℃，40 ℃，各方案分别连续运行2 h，记录不同进气温度下超级爆震发生的次数和剧烈程度。

图11 进气温度对发动机各缸超级爆震的影响

由图11可见，进气温度对超级爆震的影响没有明显规律[4]。进气温度升高导致缸内汽油蒸发速率加快，利于混合气混合，降低超级爆震趋势，但进气温度的升高会提升混合气温度，也会加剧超级爆震的产生。所以进气温度小范围变化对超级爆震的产生相关性较小。

3.2 发动机水温的影响

图12示出发动机出水温度对超级爆震的影响。试验边界的控制及喷油提前角、喷油量的取值同2.2节。改变发动机出水温度,分别控制在100 ℃，90 ℃，80 ℃，各方案分别连续运行2 h，记录不同进气温度下超级爆震发生的次数和剧烈程度。

由图12可见，发动机水温越低发生超级爆震倾向越大。其主要原因在于，发动机水温越低，油气混合越差，淬息效应也越明显[5-7]，使得碳氢排放和烟度恶化，易于形成积炭出现炙热点，从而导致超级爆震的发生。同时发动机水温低也会使壁面油膜蒸发恶化，增加机油稀释的风险，导致超级爆震的发生。

图12 水温对发动机各缸超级爆震的影响

4 结论

a) 采用多次喷射策略可明显抑制发动机超级爆震的发生，第一次喷油提前角越大，超级爆震发生的频次越少；

b) 采用二次喷射策略，在小喷油配比下，超级爆震发生的频次较少；

c) 进气相位的提前或滞后对超级爆震的影响不大，排气相位对超级爆震的影响较明显，排气相位越滞后超级爆震发生的倾向也就越大；

d) 过量空气系数对超级爆震的影响比较明显，过量空气系数越小发生超级爆震倾向越小；

e) 点火提前角和进气温度对超级爆震的影响不明显，但发动机水温对超级爆震的影响较明显，发动机水温越低发生超级爆震倾向越大。

[1] Dahaz C,Han K M,Spicher U,et al. Investigations on pre-ignition in highly supercharged SI engines[C].SAE Paper 2010-01-0355.

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[3] Zaccardi J M,Laget O,Pagot A,et al.Investigations on the effects of in-cylinder charge motion and injection mode on preigniton in highly boosted spark igniton engines[C]//19th Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik.Germany：[s.n.]，2010.

[4] 王建昕,帅石金.汽车发动机原理[M].北京:清华大学出版社,2013.

[5] Zahdeh A,Rothenberger P,Nguyen W,et al.Fundamental approach to investigate pre-ignition in boosted SI engines[J].SAE International Journal of Engines,2011,4(1):246-273.

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[7] Dahnz C,Han K M,Spicher U.Investigations on pre-ignition in highly supercharged SI engines[J].SAE Transactions,Journal of Engines,2010,3(1):214-224.

[8] Zahdeh A,Rothenberger P,Nguyen W,et al.Fundamental approach to investigate pre-ignition in boosted SI engines[J].SAE International Journal of Engines,2011,4(1):246-273.

[编辑: 李建新]

Super Knock Characteristics of TGDI Engine

FANG Huiyong1, XU Jie1, LIU Qiyuan1, ZHANG Huijun1,ZHAO Chunyan1, LIU Yiqiang1, WANG Ruiping1,2

(1. Ningbo GeelyRoyal Engine Components Co.,Ltd., Ningbo 315336, China;2.Zhejiang GeelyRoyal Engine Co.,Ltd., Ningbo 315336， China)

The effects of single injection and secondary injection on super knock in a certain working condition of turbocharged gasoline direct injection engine were researched. Then the influences of intake and exhaust camshaft phase, intake temperature, ignition advance angle, air-fuel ratio, engine water temperature and crankcase ventilation system on super knock were analyzed based on secondary injection strategy. The results show that the secondary injection can suppress the super knock effectively, increase the engine water temperature and decrease the air-fuel ratio. The appropriate advance of exhaust phase can reduce the frequency of super knock and the intake temperature and ignition advance angle has little influence on super knock.

turbocharging; gasoline direct injection (GDI) engine; secondary injection; super knock

2014-06-23;

2015-12-02

方会咏(1978—)，男，硕士，研究方向为发动机标定；xingyanhong@geely.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.017

TK411.2

B

1001-2222(2016)01-0088-05