關于消除米勒循環增壓汽油機早燃現象的研究

葉伊蘇，王金石，劉 鵬，趙明祥，姚克甫，程梁柱

(1.東風汽車公司技術中心，武漢 430058； 2.東風柳州汽車有限公司，柳州 545000；3.東風雷諾汽車有限公司技術中心，武漢 430051)

關于消除米勒循環增壓汽油機早燃現象的研究

葉伊蘇1，王金石1，劉 鵬1，趙明祥2，姚克甫2，程梁柱3

(1.東風汽車公司技術中心，武漢 430058； 2.東風柳州汽車有限公司，柳州 545000；3.東風雷諾汽車有限公司技術中心，武漢 430051)

為克服低速早燃現象，以提高汽油機低速轉矩，改善汽車的駕駛性和降低油耗，首先對一款采用米勒循環的增壓汽油機低速早燃特性進行了參數敏感性試驗分析，結果發現，降低冷卻液和進氣溫度和加濃混合氣，能在一定程度上抑制早燃，但作用有限，不能達到期望指標。接著采用光纖傳感器監測燃燒過程，發現早燃主要發生在排氣門附近，而CFD缸內流場分析表明此區域湍動能較弱，可能是早燃發生的主要原因。據此，通過改進缸蓋進氣道和導氣屏，提升滾流比和湍動能，有效抑制了早燃，實現了期望目標。

增壓汽油機；早燃；滾流比；湍動能

前言

隨著車輛對駕駛性要求的提升，采用低速化節油措施、追求低速大轉矩是汽油機技術發展的重要趨勢。但增壓汽油機早燃現象(GDI/PFI均存在)已成為汽油機開發初期不得不面對的難題。早燃一般發生在低速大轉矩區域[1]，由早燃引發的超級爆震極具破壞性，缸內最大爆發壓力甚至可以超過20MPa，發動機連桿、活塞等零部件會受到嚴重損壞[2]。早燃發生時，缸壓偏離壓縮線，不像普通爆震那樣可通過推遲點火角來避免[3]。關于其發生機理，目前國內外尚無統一的定論，但一般認為有4方面的原因[4-9]：沉積物(如積炭)、局部熱點(如火花塞電極和排氣門過熱等)、機油液滴/機油蒸氣(機油閃點溫度降低引起的自燃)和化學反應動力學相關因素(缸內氣流運動、殘余廢氣和混合氣濃度等)。相關研究表明，加濃混合氣、優化VVT掃氣和降低冷卻液溫度能有效抑制爆震，但不能在滿足油耗和排放要求的前提下根本上消除早燃現象[1，9]，優化噴射策略可顯著降低早燃發生機率[10-11]。

本文中基于一款采用米勒循環的氣道噴射增壓汽油機在低速大轉矩工況下發生的早燃現象，進行了冷卻液溫度、混合氣濃度和VVT等參數的敏感性試驗分析。試驗時利用燃燒分析儀分析判斷是否有早燃發生，同時利用帶光纖傳感器的火花塞進行光譜分析，監控早燃發生區域。根據參數敏感性分析結果，并結合氣門測溫試驗和缸內流場CFD仿真，總結出了早燃發生的可能原因。隨后通過缸蓋進氣道/導氣屏設計優化，提升缸內滾流運動，改善點火前湍動能分布，有效抑制了早燃現象，實現了期望目標。

1 早燃現象描述

該發動機為一款米勒循環增壓汽油機，通過減小進氣包角，降低氣門升程，使進氣門早關來降低泵氣損失，從而降低油耗，但同時功率受到限制。其配氣相位和示功圖分別見圖1和圖2。

圖1 米勒循環型線及配氣相位圖

圖2 米勒循環示功圖

在開發早期進行燃燒試驗時，低速大負荷區域下發生早燃現象，不能達到期望指標，圖3示出發生早燃的發動機工況。試驗時利用燃燒分析儀分析判斷是否有早燃發生，當最大缸壓大于12MPa(設置為該工況下正常最大缸壓的2倍)時即認為發生了早燃，這種情況下缸壓曲線會偏離壓縮線，最大爆發壓力接近20MPa，并伴隨劇烈的壓力波動，如圖4所示。該發動機的主要運行參數如表1所示。在1 500r/min(240N·m)1h的早燃試驗中，4個缸累計發生105次早燃現象，各缸分布如圖5所示。需要說明的是，選擇該工況進行試驗是因為它對應最大轉矩點下的最低轉速，最容易發生早燃，運行1h是基于統計學角度考慮的，當低于2次/h，即認為該燃燒系統設計滿足要求。

圖3 早燃發生的發動機工況平面

圖4 早燃發生時的缸壓曲線

表1 發動機主要運行參數

2 運行參數敏感性試驗分析

經故障樹分析，排除了積炭、局部熱點和機油液滴/蒸氣誘發早燃的可能，另外在具有不同壓縮比的樣機上試驗時均有早燃發生，說明與壓縮比關系不大。本章敘述基于1 500r/min工況進行的冷卻液溫度、中冷后進氣溫度、空燃比和進氣VVT等參數對早燃影響的試驗研究情況，并結合相關仿真結果進行分析。

圖5 1 500r/min(240N·m)1h早燃次數監測

2.1 運行邊界/進氣VVT的影響

空燃比設定為1，排氣門關閉角度EVC(1mm)設定為-20°CA ATDC，將環境壓力由0.101 3MPa提高到0.103MPa，降低壓比，提高壓氣機運行效率，同時將冷卻液溫度由90℃降低至70℃，中冷后溫度由32℃降低至20℃，探討運行邊界變化對早燃的影響。圖6為在發生早燃的邊界條件下轉矩、燃油消耗率、進氣歧管壓力和點火角隨進氣門開啟角度IVO(1mm)的變化關系，可以看到，隨著進氣門開啟時間的推遲，有效進氣時間延長，進氣量增多，進氣歧管壓力提升，從而轉矩增加，但受到早燃限制。運行邊界優化后，轉矩提升將近30N·m，但同樣受早燃限制，仍不能達到目標，同時受點火角推遲的影響，油耗有所上升。

需要說明的是，此運行邊界的調整在實際的道路試驗中不可能實現，旨在結合仿真探討早燃邊界與壓縮終了缸內狀態(壓力、溫度)的關系。結合圖6進行一維熱力學性能仿真發現，當早燃發生時，其臨界缸內溫度基本一致，如圖7所示。

2.2 空燃比/進氣VVT的影響

設定環境壓力為0.101 3MPa，冷卻液溫度為90℃，中冷后溫度為 32℃，排氣門關閉角度 EVC(1mm)為-20°CA ATDC，探討混合氣濃度變化對早燃的影響。圖8為轉矩、燃油消耗率等參數隨進氣門開啟角度IVO(1mm)的變化關系。由圖可見，隨著混合氣加濃，當處于早燃邊界時，進氣門可延遲開啟，轉矩增加，當過量空氣系數 λ＝0.8，IVO＝0°CA ATDC時轉矩可達到240N·m的目標。這是因為在試驗中噴油起始角SOI固定，噴油結束角EOI推遲，增加了燃油在缸內蒸發霧化的時間，缸內溫度降低所致。根據圖8參數進行一維熱力學性能仿真，得出的點火前缸內溫度趨勢圖(圖9)也可說明。與2.1節類似，早燃發生的臨界缸內溫度基本一致，處于400～410℃之間。

圖6 早燃邊界下各參數與運行邊界、IVO的關系

圖7 點火前缸內溫度隨運行邊界、IVO變化趨勢

圖8 早燃邊界下各參數與空燃比、IVO的關系

圖9 點火前缸內溫度隨空燃比、IVO變化趨勢

雖然加濃混合氣可提高早燃發生時的轉矩，且能達到期望指標，但國六法規下需要盡量擴大發動機λ＝1的MAP范圍，以滿足WLTC和RDE循環應用范圍，不允許在低速大負荷區域加濃，以免引起排放問題。

2.3 綜合分析

由以上分析可知，早燃的發生與點火前缸內溫度的高低密切相關，降低冷卻液溫度、中冷后進氣溫度雖可改善早燃，但不能從根本上消除。加濃混合氣也可抑制早燃，當λ＝0.8時在不發生早燃的情況下，甚至可以達到期望指標。但這些措施在實際的道路試驗中不能實現，或不被法規所允許。因此需要探索另外的解決辦法。

3 光纖測量/原因分析

應用光纖傳感器測量缸內燃燒光強信號，并結合燃燒分析儀可有效分析缸內燃燒情況，判斷爆震和早燃發生區域[12]。圖10為第2和第4缸的測量結果，可以看出，早燃主要發生在排氣側區域，且源頭主要在缸蓋燃燒室處。因此需要從缸蓋和排氣門溫度是否偏高，缸內氣流運動和點火前湍動能分布是否合理等方面來分析。

圖10 第2和第4缸早燃區域監控結果

根據氣門溫度測試結果及其與類似機型(BMEP更大)的比較，該發動機缸蓋火力面和排氣門的溫度皆處于較低水平(這里不作說明)。從缸內流場CFD分析結果看，1 500r/min時滾流運動和湍動能比參考機型弱，另外點火前湍動能分布不合理，排氣側明顯較弱，如圖11所示。

由以上分析可見，湍流較弱和分布不合理，可能是該發動機受缸內混合氣溫度限制，發生早燃而使轉矩不能達標的主要原因。

圖11 WOT 1 500r/min下點火時刻缸內湍動能分布

4 滾流優化試驗探討

在進氣歧管靠近缸蓋端加裝滾流閥，引導氣流更多地從氣門上方進入氣缸，加強滾流運動。圖12為加裝滾流閥前后進氣門關閉前的速度矢量分布圖對比。可以看到，加裝滾流后，氣門下方的氣體流動減少，有利于加強滾流，從圖13中同樣可以看出。

圖12 進氣門關閉前缸內速度矢量圖對比

圖13 和圖14為增加滾流閥前后缸內滾流比、湍動能和點火前缸內湍動能分布的對比圖，可以看出，滾流運動的增強，尤其是在壓縮行程后期，可提高破碎后的湍流，盡管點火時刻火花塞周圍平均湍動能變化不大，但湍動能分布得到改善，尤其是排氣側湍動能提升較多，從而可減少早燃的發生概率。

經試驗驗證，該方案在正常的冷卻液溫度、中冷后溫度和λ＝1的情況下能實現外特性目標，且無早燃發生。

5 進氣道/導氣屏改進與實施效果

根據以上分析，需要進行缸蓋進氣道和導氣屏的改進以達到與加裝滾流閥同樣的效果，從而改善早燃。為此進行了以下改進設計，如圖15所示，將進氣道出口上抬，引導氣流更多地從氣門上方進入氣缸，同時增加導氣屏長度，減少氣門下方氣流運動，以提升滾流強度。

圖13 增加滾流閥前后缸內流動參數對比

圖14 增加滾流閥前后點火前缸內湍動能分布對比

圖15 進氣道和導氣屏改進方案

圖16 為進氣道改進、導氣屏改進和進氣道與導氣屏同時改進3種情況下滾流比與原方案的對比。可以看出，壓縮行程后期的滾流比逐漸增強，且進氣道與導氣屏同時改進后的滾流比與加裝滾流閥基本相同。圖17為3種情況下1 500r/min(240N·m)工況在1h的早燃試驗中早燃次數的對比。由圖可見，僅改進進氣道或導氣屏并不能完全消除早燃現象，而同時改進進氣道和導氣屏后，早燃現象消除，在正常的冷卻液溫度、中冷后進氣溫度和λ＝1的情況下能實現外特性目標。

圖16 滾流比對比

以上說明由滾流破碎形成的湍流達到一定強度后才能有效抑制早燃的發生。早燃的發生概率和頻次與點火前缸內平均湍動能大小和分布有密切關聯。從圖17中還可看出，隨著湍動能的增加，早燃發生頻次減少，當達到一定程度時，早燃不再出現。

圖17 1 500r/min(240N·m)時早燃次數與缸內平均湍動能的關系

綜上所述，當早燃由化學反應動力學因素引起時，其發生概率和頻次與壓縮終了缸內狀態(壓力、溫度和湍動能)存在密切關聯，今后將繼續做進一步的研究。

6 結論

本文中結合某款米勒循環增壓汽油機的開發對影響早燃的相關因素(進氣/冷卻液溫度和混合氣濃度)進行了試驗研究，并對改善早燃的措施進行探討和分析，結論如下：

(1)早燃的發生與點火前缸內混合氣溫度、湍動能強度和分布情況密切相關；

(2)降低冷卻液溫度、中冷后溫度和加濃空燃比皆可降低缸內溫度，對提高早燃發生時臨界狀態的轉矩有一定效果；

(3)加強滾流、提高點火前湍動能水平和改善其分布可有效抑制早燃的發生，并能實現在理論空燃比下正常燃燒，以滿足排放法規。

今后將進一步研究缸內氣流運動(滾流、湍動能)強度與早燃發生概率和頻次的關系，同時還要探討降低點火前缸內混合氣溫度以減小早燃發生概率的措施。

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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

原稿收到日期為2016年7月19日，修改稿收到日期為2016年8月18日。

葉伊蘇，碩士研究生，高級工程師，E-mail：yeys＠dfmc.com.cn。