关于消除米勒循环增压汽油机早燃现象的研究

叶伊苏，王金石，刘 鹏，赵明祥，姚克甫，程梁柱

(1.东风汽车公司技术中心，武汉 430058； 2.东风柳州汽车有限公司，柳州 545000；3.东风雷诺汽车有限公司技术中心，武汉 430051)

关于消除米勒循环增压汽油机早燃现象的研究

叶伊苏1，王金石1，刘 鹏1，赵明祥2，姚克甫2，程梁柱3

(1.东风汽车公司技术中心，武汉 430058； 2.东风柳州汽车有限公司，柳州 545000；3.东风雷诺汽车有限公司技术中心，武汉 430051)

为克服低速早燃现象，以提高汽油机低速转矩，改善汽车的驾驶性和降低油耗，首先对一款采用米勒循环的增压汽油机低速早燃特性进行了参数敏感性试验分析，结果发现，降低冷却液和进气温度和加浓混合气，能在一定程度上抑制早燃，但作用有限，不能达到期望指标。接着采用光纤传感器监测燃烧过程，发现早燃主要发生在排气门附近，而CFD缸内流场分析表明此区域湍动能较弱，可能是早燃发生的主要原因。据此，通过改进缸盖进气道和导气屏，提升滚流比和湍动能，有效抑制了早燃，实现了期望目标。

增压汽油机；早燃；滚流比；湍动能

前言

随着车辆对驾驶性要求的提升，采用低速化节油措施、追求低速大转矩是汽油机技术发展的重要趋势。但增压汽油机早燃现象(GDI/PFI均存在)已成为汽油机开发初期不得不面对的难题。早燃一般发生在低速大转矩区域[1]，由早燃引发的超级爆震极具破坏性，缸内最大爆发压力甚至可以超过20MPa，发动机连杆、活塞等零部件会受到严重损坏[2]。早燃发生时，缸压偏离压缩线，不像普通爆震那样可通过推迟点火角来避免[3]。关于其发生机理，目前国内外尚无统一的定论，但一般认为有4方面的原因[4-9]：沉积物(如积炭)、局部热点(如火花塞电极和排气门过热等)、机油液滴/机油蒸气(机油闪点温度降低引起的自燃)和化学反应动力学相关因素(缸内气流运动、残余废气和混合气浓度等)。相关研究表明，加浓混合气、优化VVT扫气和降低冷却液温度能有效抑制爆震，但不能在满足油耗和排放要求的前提下根本上消除早燃现象[1，9]，优化喷射策略可显著降低早燃发生机率[10-11]。

本文中基于一款采用米勒循环的气道喷射增压汽油机在低速大转矩工况下发生的早燃现象，进行了冷却液温度、混合气浓度和VVT等参数的敏感性试验分析。试验时利用燃烧分析仪分析判断是否有早燃发生，同时利用带光纤传感器的火花塞进行光谱分析，监控早燃发生区域。根据参数敏感性分析结果，并结合气门测温试验和缸内流场CFD仿真，总结出了早燃发生的可能原因。随后通过缸盖进气道/导气屏设计优化，提升缸内滚流运动，改善点火前湍动能分布，有效抑制了早燃现象，实现了期望目标。

1 早燃现象描述

该发动机为一款米勒循环增压汽油机，通过减小进气包角，降低气门升程，使进气门早关来降低泵气损失，从而降低油耗，但同时功率受到限制。其配气相位和示功图分别见图1和图2。

图1 米勒循环型线及配气相位图

图2 米勒循环示功图

在开发早期进行燃烧试验时，低速大负荷区域下发生早燃现象，不能达到期望指标，图3示出发生早燃的发动机工况。试验时利用燃烧分析仪分析判断是否有早燃发生，当最大缸压大于12MPa(设置为该工况下正常最大缸压的2倍)时即认为发生了早燃，这种情况下缸压曲线会偏离压缩线，最大爆发压力接近20MPa，并伴随剧烈的压力波动，如图4所示。该发动机的主要运行参数如表1所示。在1 500r/min(240N·m)1h的早燃试验中，4个缸累计发生105次早燃现象，各缸分布如图5所示。需要说明的是，选择该工况进行试验是因为它对应最大转矩点下的最低转速，最容易发生早燃，运行1h是基于统计学角度考虑的，当低于2次/h，即认为该燃烧系统设计满足要求。

图3 早燃发生的发动机工况平面

图4 早燃发生时的缸压曲线

表1 发动机主要运行参数

2 运行参数敏感性试验分析

经故障树分析，排除了积炭、局部热点和机油液滴/蒸气诱发早燃的可能，另外在具有不同压缩比的样机上试验时均有早燃发生，说明与压缩比关系不大。本章叙述基于1 500r/min工况进行的冷却液温度、中冷后进气温度、空燃比和进气VVT等参数对早燃影响的试验研究情况，并结合相关仿真结果进行分析。

图5 1 500r/min(240N·m)1h早燃次数监测

2.1 运行边界/进气VVT的影响

空燃比设定为1，排气门关闭角度EVC(1mm)设定为-20°CA ATDC，将环境压力由0.101 3MPa提高到0.103MPa，降低压比，提高压气机运行效率，同时将冷却液温度由90℃降低至70℃，中冷后温度由32℃降低至20℃，探讨运行边界变化对早燃的影响。图6为在发生早燃的边界条件下转矩、燃油消耗率、进气歧管压力和点火角随进气门开启角度IVO(1mm)的变化关系，可以看到，随着进气门开启时间的推迟，有效进气时间延长，进气量增多，进气歧管压力提升，从而转矩增加，但受到早燃限制。运行边界优化后，转矩提升将近30N·m，但同样受早燃限制，仍不能达到目标，同时受点火角推迟的影响，油耗有所上升。

需要说明的是，此运行边界的调整在实际的道路试验中不可能实现，旨在结合仿真探讨早燃边界与压缩终了缸内状态(压力、温度)的关系。结合图6进行一维热力学性能仿真发现，当早燃发生时，其临界缸内温度基本一致，如图7所示。

2.2 空燃比/进气VVT的影响

设定环境压力为0.101 3MPa，冷却液温度为90℃，中冷后温度为 32℃，排气门关闭角度 EVC(1mm)为-20°CA ATDC，探讨混合气浓度变化对早燃的影响。图8为转矩、燃油消耗率等参数随进气门开启角度IVO(1mm)的变化关系。由图可见，随着混合气加浓，当处于早燃边界时，进气门可延迟开启，转矩增加，当过量空气系数 λ＝0.8，IVO＝0°CA ATDC时转矩可达到240N·m的目标。这是因为在试验中喷油起始角SOI固定，喷油结束角EOI推迟，增加了燃油在缸内蒸发雾化的时间，缸内温度降低所致。根据图8参数进行一维热力学性能仿真，得出的点火前缸内温度趋势图(图9)也可说明。与2.1节类似，早燃发生的临界缸内温度基本一致，处于400～410℃之间。

图6 早燃边界下各参数与运行边界、IVO的关系

图7 点火前缸内温度随运行边界、IVO变化趋势

图8 早燃边界下各参数与空燃比、IVO的关系

图9 点火前缸内温度随空燃比、IVO变化趋势

虽然加浓混合气可提高早燃发生时的转矩，且能达到期望指标，但国六法规下需要尽量扩大发动机λ＝1的MAP范围，以满足WLTC和RDE循环应用范围，不允许在低速大负荷区域加浓，以免引起排放问题。

2.3 综合分析

由以上分析可知，早燃的发生与点火前缸内温度的高低密切相关，降低冷却液温度、中冷后进气温度虽可改善早燃，但不能从根本上消除。加浓混合气也可抑制早燃，当λ＝0.8时在不发生早燃的情况下，甚至可以达到期望指标。但这些措施在实际的道路试验中不能实现，或不被法规所允许。因此需要探索另外的解决办法。

3 光纤测量/原因分析

应用光纤传感器测量缸内燃烧光强信号，并结合燃烧分析仪可有效分析缸内燃烧情况，判断爆震和早燃发生区域[12]。图10为第2和第4缸的测量结果，可以看出，早燃主要发生在排气侧区域，且源头主要在缸盖燃烧室处。因此需要从缸盖和排气门温度是否偏高，缸内气流运动和点火前湍动能分布是否合理等方面来分析。

图10 第2和第4缸早燃区域监控结果

根据气门温度测试结果及其与类似机型(BMEP更大)的比较，该发动机缸盖火力面和排气门的温度皆处于较低水平(这里不作说明)。从缸内流场CFD分析结果看，1 500r/min时滚流运动和湍动能比参考机型弱，另外点火前湍动能分布不合理，排气侧明显较弱，如图11所示。

由以上分析可见，湍流较弱和分布不合理，可能是该发动机受缸内混合气温度限制，发生早燃而使转矩不能达标的主要原因。

图11 WOT 1 500r/min下点火时刻缸内湍动能分布

4 滚流优化试验探讨

在进气歧管靠近缸盖端加装滚流阀，引导气流更多地从气门上方进入气缸，加强滚流运动。图12为加装滚流阀前后进气门关闭前的速度矢量分布图对比。可以看到，加装滚流后，气门下方的气体流动减少，有利于加强滚流，从图13中同样可以看出。

图12 进气门关闭前缸内速度矢量图对比

图13 和图14为增加滚流阀前后缸内滚流比、湍动能和点火前缸内湍动能分布的对比图，可以看出，滚流运动的增强，尤其是在压缩行程后期，可提高破碎后的湍流，尽管点火时刻火花塞周围平均湍动能变化不大，但湍动能分布得到改善，尤其是排气侧湍动能提升较多，从而可减少早燃的发生概率。

经试验验证，该方案在正常的冷却液温度、中冷后温度和λ＝1的情况下能实现外特性目标，且无早燃发生。

5 进气道/导气屏改进与实施效果

根据以上分析，需要进行缸盖进气道和导气屏的改进以达到与加装滚流阀同样的效果，从而改善早燃。为此进行了以下改进设计，如图15所示，将进气道出口上抬，引导气流更多地从气门上方进入气缸，同时增加导气屏长度，减少气门下方气流运动，以提升滚流强度。

图13 增加滚流阀前后缸内流动参数对比

图14 增加滚流阀前后点火前缸内湍动能分布对比

图15 进气道和导气屏改进方案

图16 为进气道改进、导气屏改进和进气道与导气屏同时改进3种情况下滚流比与原方案的对比。可以看出，压缩行程后期的滚流比逐渐增强，且进气道与导气屏同时改进后的滚流比与加装滚流阀基本相同。图17为3种情况下1 500r/min(240N·m)工况在1h的早燃试验中早燃次数的对比。由图可见，仅改进进气道或导气屏并不能完全消除早燃现象，而同时改进进气道和导气屏后，早燃现象消除，在正常的冷却液温度、中冷后进气温度和λ＝1的情况下能实现外特性目标。

图16 滚流比对比

以上说明由滚流破碎形成的湍流达到一定强度后才能有效抑制早燃的发生。早燃的发生概率和频次与点火前缸内平均湍动能大小和分布有密切关联。从图17中还可看出，随着湍动能的增加，早燃发生频次减少，当达到一定程度时，早燃不再出现。

图17 1 500r/min(240N·m)时早燃次数与缸内平均湍动能的关系

综上所述，当早燃由化学反应动力学因素引起时，其发生概率和频次与压缩终了缸内状态(压力、温度和湍动能)存在密切关联，今后将继续做进一步的研究。

6 结论

本文中结合某款米勒循环增压汽油机的开发对影响早燃的相关因素(进气/冷却液温度和混合气浓度)进行了试验研究，并对改善早燃的措施进行探讨和分析，结论如下：

(1)早燃的发生与点火前缸内混合气温度、湍动能强度和分布情况密切相关；

(2)降低冷却液温度、中冷后温度和加浓空燃比皆可降低缸内温度，对提高早燃发生时临界状态的转矩有一定效果；

(3)加强滚流、提高点火前湍动能水平和改善其分布可有效抑制早燃的发生，并能实现在理论空燃比下正常燃烧，以满足排放法规。

今后将进一步研究缸内气流运动(滚流、湍动能)强度与早燃发生概率和频次的关系，同时还要探讨降低点火前缸内混合气温度以减小早燃发生概率的措施。

[1] 张志福，舒歌群，梁兴雨，等.增压直喷汽油机超级爆震现象与初步试验[J].内燃机学报，2011，29(5)：422-426.

[2] VANGRAEFSCHEPE F，ZACCARDI JM.Analysis of destructive abnormal combustions appearing at high load and low engine speed on high performance gasoline engines[C].SIA Conference：The Spark Ignition Engine of the Future-Strasbourg，28 and 29th，2007.[3] WILLAND J， DANIEL M， MONTEFRANCESCO E.Limits on downsizing in spark ignition engines due to pre-ignition[J].MTZ，2009，70(5)：56-61.

[4] AMANN M，ALGER T，WESTMORELAND B，et al.The effects of piston crevicesand injection strategy on low-speed pre-ignition in boosted SIengines[C].SAE Paper 2012-01-1148.

[5] DAHNZ C，HAN K M，SPICHER U，et al.Investigations on preignition in highly supercharged SIengines[J].SAE Int JEngines 2010，3：214-224.

[6] AMANNM，MEHTA D，ALGER T，etal.Engine operating condition and gasoline fuel composition effects on low-speed pre-ignition in high-performance spark ignited gasoline engines[J].SAE Int J Engines 2011，4：274-285.

[7] KALGHATGIG T， BRADLEY D.Pre-ignition and ‘super-knock’in turbo-charged spark-ignition engines[C].International Journal of Engine Research 2012.

[8] LUO Xuwei， TENG Ho， HU Tingjun， et al.An experimental investigation on low speed pre-ignition in a highly boosted gasoline direct injection engine[C].SAE Paper 2015-01-0758.

[9] KASSAIM，TORIIK，SHIRAISHIT，etal.Research on the effect of lubricant oil and fuel properties on LSPI occurrence in boosted S.I.engines[C].SAE Paper 2016-01-2292.

[10] 徐雅齐，王志，王建昕，等.增压直喷汽油机超级爆震的不同抑制方法[J].内燃机学报，2014，32(1)：26-31.

[11] 苏方旭，张艳青，向清华.早燃 超级爆燃调查方法及控制策略优化研究[C].2016中国汽车工程学会年会论文集：394-398.

[12] 张玉银，武得钰，杨中乐，等.应用光纤测量技术研究汽油机燃烧过程[J].燃烧科学与技术，2000，4(6)：368-372.

A Study on the Elimination of Pre-ignition Phenomenon in a Turbocharged Gasoline Engine with Miller Cycle

Ye Yisu1， W ang Jinshi1， Liu Peng1， Zhao M ingxiang2， Yao Kefu2＆ Cheng Liangzhu3
1.Dongfeng Motor Corporation Technical Centre， Wuhan 430058； 2.Dongfeng Liuzhou Motor Corporation， Liuzhou 545000；3.Dongfeng RenaultMotor Corporation，Wuhan 430051

For overcoming low-speed pre-ignition phenomenon to increase the low-speed torque of gasoline engine， improve the driveability and reduce the fuel consumption of vehicle， firstly an experimental parameter sensitivity analysis on the low-speed pre-ignition characteristics of a turbocharged gasoline enginewith Miller cycle is conducted，and the results show that though lowering the temperatures of intake gas and coolant and using richmixture can suppress pre-ignition to a certain degree，the effects are limited and so can not achieve desired indicators.Then monitoring combustion process by using optical fibre sensor finds that pre-ignitionmainly occurs at the vicinity of exhaust valve，and the CFD analysis on in-cylinder flow reveals that the weak turbulent kinetic energy in that area is probably themain cause of pre-ignition.On this basis，through themodification of gas guidingmask and intake port in cylinder head to increase the tumble ratio and turbulent kinetic energy，pre-ignition is effectively suppressed and the desired target is achieved.

turbocharged gasoline engine； pre-ignition； tum ble ratio； turbulent kinetic energy

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.10.004

原稿收到日期为2016年7月19日，修改稿收到日期为2016年8月18日。

叶伊苏，硕士研究生，高级工程师，E-mail：yeys＠dfmc.com.cn。