超高壓縮比混動專用發動機的爆震控制研究

【摘要】為抑制混動發動機爆震現象，基于超高壓縮比混動發動機，建立計算流體力學（CFD）模型，通過臺架試驗分析發動機子系統及控制參數對爆震的影響。結果表明：提高進氣道滾流比可實現快速燃燒；提升燃燒室加工精度可改善燃燒一致性；缸體、缸蓋分離式冷卻可實現分區溫度智能調節；增加擋水板可降低金屬溫度；對于該發動機最大有效熱效率點，降低廢氣再循環（EGR）系統壓損，可使EGR率達到25%；高溫環境下，需對發動機有效壓縮比及出水溫度進行精確控制。

主題詞：高壓縮比 爆震 熱效率 燃燒 冷卻系統 廢氣再循環

中圖分類號：TK411 " 文獻標志碼：A " DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20240039

Research and Knock Control of High Compression Ratio Hybrid Engine

Zhang Ziqing， Cai Jilei

（SAIC Motor Ramp;D Innovation Headquarters， Shanghai 200438）

【Abstract】In order to suppress the knocking phenomenon of hybrid engine， a Computational Fluid Dynamics （CFD） model is established based on the ultra-high compression ratio hybrid engine. Bench tests are carried out to analyze the influence of engine subsystem and control parameters on knocking. The results show that rapid combustion can be achieved by increasing the inlet tumble ratio. Improving the machining accuracy of the combustion chamber can improve the consistency of combustion. Separate cooling of cylinder block and cylinder head can realize intelligent temperature regulation. The addition of a water baffle can reduce the temperature of the metal. For the maximum effective thermal efficiency point of the engine， reducing the pressure loss of the Exhaust Gas Recirculation （EGR） system can make the EGR rate reach 25%. In high-temperature environments， the effective compression ratio and engine outlet temperature require precise control.

Key words： High compression ratio， Knock， Thermal efficiency， Combustion， Cooling system， Exhaust Gas Recirculation （EGR）

【引用格式】 張子慶， 蔡霽蕾. 超高壓縮比混動專用發動機的爆震控制研究[J]. 汽車技術， 2024（9）： 25-31.

ZHANG Z Q， CAI J L. Research and Knock Control of High Compression Ratio Hybrid Engine[J]. Automobile Technology， 2024（9）： 25-31.

1 前言

發動機爆震現象主要源于缸內末端混合氣體在火焰到達前發生了自燃，導致缸內局部壓力和溫度驟增，從而產生高頻壓力振蕩[1-2]。混合動力發動機可通過提高壓縮比有效改善燃油經濟性，但極易導致爆震和早燃傾向加劇，造成發動機性能下降、油耗增加、振動及噪聲惡化，甚至損壞缸體[3]。

Livengood-Wu積分[4]假設某關鍵自由基的濃度達到一定值時會發生自燃，可用于自燃時刻預測。Li等[5]通過提升汽油機壓縮比，改善中低負荷工況的燃油經濟性，但在高負荷工況下會加劇爆震，增加油耗。張小矛[6]通過計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真，研究各缸的爆震發生強度，認為爆震極易發生在高溫、燃油濃度偏稀區域，同時伴隨大量羥基（OH）自由基產生。胡禎等[7]利用快速壓縮機分析了能量密度和壁面溫度對爆震的影響，發現這兩種因素與爆震影響呈正相關。邱立明[8]提出活塞頭部形貌特征中的連通區域對爆震影響顯著，可通過優化設計降低爆震敏感性。

為抑制發動機爆震現象，本文基于自然吸氣混動專用超高壓縮比發動機，分析發動機燃燒系統、冷卻系統、廢氣再循環系統、標定控制等對發動機爆震的影響，提升發動機熱效率，減少動力損失。

2 模型構建與驗證

2.1 發動機模型

本試驗使用自主研發4缸1.5 L四沖程自然吸氣發動機，該混動專用發動機采用超高壓縮比、阿特金森循環（Atkinson）、外部冷卻廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation，EGR）等技術，其特征參數如表1所示。臺架試驗所用試驗儀器設備如表2所示。

發動機相關仿真分析項所采用的仿真模型中，湍流模型采用RNG（Renormalization Group） k-ε模型，噴霧破碎模型采用KH-RT（Kelvin-Helmholtz amp; Rayleigh-Taylor）模型，壁面傳熱模擬采用O'Rourke模型，燃燒模型采用G方程耦合化學反應動力學模型[9-10]。利用G方程描述由火花點火引發的主火焰傳播過程。其中，G=0的等值面為平均火焰面位置，Ggt;0為已燃區域，Glt;0為主火焰未到達的末端混合氣區域。

化學反應動力學機理[11]包含異辛烷和正庚烷的骨架機理，共48種組分和152個反應步。計算時，燃油組分采用異辛烷和正庚烷的質量分數配比為92∶8，替代92號汽油。

采用CONVERGE軟件對燃燒系統模型進行網格劃分及加密，網格模型基本尺寸為2 mm，進氣道和燃燒室網格尺寸均為1 mm，最小網格加密到0.5 mm，網格數量為1.3×106～1.8×106個。

文獻[6]對仿真模型的準確性及可靠性進行了驗證，仿真的噴霧形態、噴霧貫穿距、缸內壓力、放熱率等試驗誤差均在5%以內，因此，可采用標定的仿真模型研究缸內燃燒及爆震現象。

2.2 爆震的評價

鑒于OH自由基為爆震時缸內末端混合氣體由低溫化學反應向高溫化學反應轉變的示蹤組分[12-13]，因此，三維CFD仿真計算可通過OH自由基監測缸內末端混合氣的爆震發生位置。

試驗通過在缸內設置缸壓傳感器，獲取缸內瞬態缸壓信號，并進行傅里葉變換和濾波處理，得到缸壓震蕩幅值絕對值最大值作為爆震強度評價指標[14]，如圖1所示。

3 系統研究與分析

為提高混動發動機抗爆性能，對爆震影響較大的關鍵系統進行優化，提高燃燒系統湍動能，加強冷卻系統、標定軟件精準控制，提升壓縮比加工精度與EGR率。

3.1 抑制爆震的燃燒系統開發

3.1.1 進氣道設計

湍流火焰傳播速度計算公式為[15]：

[St=Sl+u'-ab222b1Da+ab222b1Da2+ab22Da1/2] " "（1）

式中：St、Sl分別為湍流火焰和層流火焰傳播速度，u′為湍流耗散速度均方根值，a、b1、b2為模型常數，Da為達姆科勒數。

通常，在壓縮沖程末期，缸內湍動能越強，對應的u′和St越大。因此，增大進氣道滾流比可提升點火時刻的氣流脈動速度，從而實現快速燃燒，避免末端混合氣體在火焰面未到達前自燃。對標2015～2023年乘用車市場1.0～2.0 L排量自吸和增壓發動機數據庫信息，將進氣道流量系數和滾流比數據進行擬合，結果如圖2所示。

基于數據庫擬合的流量系數和滾流比關系，自然吸氣發動機、增壓發動機方程分別為：

[y1=-0.015 7x1+0.117 7y2=-0.014 6x2+0.110 1] （2）

式中：y1、y2分別為自然吸氣發動機與增壓發動機進氣道流量系數，x1、x2分別為兩種發動機進氣道滾流比。

對比式2可看出，自吸發動機的斜率絕對值更大，且擬合直線位于增壓發動機上方。主要源于自吸發動機在設計進氣道時，更側重提升流量系數以提升發動機性能，對進氣道流量系數的要求往往要高于增壓發動機；增壓發動機由于有增壓器補償進氣量，在設計理念中更側重于提升滾流。

本文發動機流量系數和滾流比均處于自吸發動機擬合直線的右上方，對于高壓縮比混動發動機，兼顧高EGR率下的充氣效率要求的同時，也滿足高滾流比氣道的抗爆特性。

通過將進氣道下底面調整為弧形過渡，增強流動分離效果，從而形成更高的滾流，氣道形態幾何對比如圖3所示。

對比優化前、后發動機進氣道的缸內滾流比與湍動能。如圖4所示，在整個進氣與壓縮沖程中，優化后的進氣道均保持較高的滾流比，不僅有助于促進油氣混合，也有利于在壓縮沖程末期滾流破碎，形成較大的湍動能。

對比優化前后進氣道燃油濕壁量、點火時刻缸內油氣混合均勻性以及爆震指示物分布，結果如圖5所示。較高的滾流比會促進油氣混合，因此，氣道優化后缸內的燃油濕壁量較少。點火時刻缸內的空燃比分布也較為均勻，點火后，優化后的燃燒系統缸內火焰面傳播面積增加，火焰傳播速度較快，更有利于快速消耗掉末端混合氣，因而未出現爆震指示物。

綜上，優化后的進氣道、高滾流燃燒系統的流動、油氣混合以及燃燒爆震現象均有所改善。

本文發動機在轉速為2 500 r/min、平均有效壓力0.8 MPa工況下，進氣道優化后，缸內50%放熱的曲軸轉角（CA50）相較于優化前（10.6°）提前2.3°；從10%放熱到50%放熱的燃燒持續期（B1050）相較優化前（9.5°）減少2.8°，表明燃燒速度加快。該工況下，進氣道優化前、后的爆震指數如圖6所示，試驗統計了100個循環的缸壓濾波后的爆震指數，可以看出，進氣道滾流比提升，優化后燃燒系統的爆震發生頻率和強度都顯著降低。

3.1.2 燃燒系統加工精度控制

發動機壓縮比的適當性和一致性直接影響發動機的動力性、經濟性和排放水平[16]。壓縮比制造公差越小，對爆震一致性控制更有利。

將發動機燃燒室曲面、氣門頭及活塞端面等部位由鍛造改為機加工，加工精度由±0.3 mm提升至±0.05 mm，同時，對軸瓦分組裝配，可以更好地控制壓縮比公差以及各缸一致性。燃燒系統加工精度提升后，壓縮比公差可由16.0±0.7降低為16.0±0.3。此外，機加工明顯改善燃燒室表面粗糙度，有效減少表面熱點，防止燃燒過程中熱點早燃或者爆震。

3.2 抑制爆震的冷卻系統開發

3.2.1 缸體和缸蓋分離式冷卻的影響

混動發動機壓縮比較高，且多運行在大負荷油耗經濟區，熱負荷及爆震問題突出，其冷卻需求更高。文獻[17]表明，水套流速影響金屬壁面傳熱系數，從而影響散熱，因此，可通過改善水套設計緩解爆震問題。

本文發動機冷卻系統原理如圖7所示，采用缸體缸蓋分離冷卻，可實現缸體、缸蓋的分區智能調節。通過縮短冷卻液流經路徑，降低冷卻液流阻的同時，增加水流速度，從而有效控制爆震。

發動機轉速6 000 r/min外特性工況缸蓋水套、缸體水套流速云圖如圖8所示。缸蓋、缸體的水流量比例約為7∶3時，各缸排氣鼻梁區流速較均勻，能夠達到2.2 m/s，缸間流速超過2 m/s，冷卻效果明顯且能夠抑制爆震。

3.2.2 缸體增加擋水板對爆震的影響

缸體增加擋水板可降低缸體、缸蓋金屬溫度和水套溫差，從而改善爆震，同時降低缸孔變形幅值。優化擋水板前、后的各部位溫度見圖9。可以看出，通過增加擋水板，水套、缸體及缸蓋的最高溫度分別下降20 ℃、6 ℃、2 ℃，發動機金屬溫度顯著降低，各缸均勻性得到明顯改善。

在發動機轉速2 500 r/min及平均有效壓力0.8 MPa工況下對比優化擋水板前、后試驗結果，如圖10所示。加擋水板后，燃燒重心CA50提前0.6°，燃燒持續期縮短了0.9°，有效燃油消耗率由195.9 g/kW?h降低為195.4 g/kW?h，改善0.3%，可以有效抑制爆震。

3.3 抑制爆震的EGR開發設計

EGR將排氣系統的部分廢氣引入燃燒室，令其重新參與燃燒。由于廢氣中含有大量的惰性氣體，能夠降低燃燒溫度，有效抑制末端混合氣的自燃，減少爆震，使點火角提前，降低油耗并減少NOx等有害氣體排放。引入EGR可以降低進氣歧管真空度，減少泵氣損失，進一步提升熱效率[18-19]。

EGR率對發動機油耗、點火角、節氣門開度、CA50等的影響，如圖11所示，當EGR閥全開時，發動機EGR率可達25%，EGR的通入可以稀釋缸內氧氣濃度，降低燃燒溫度，爆震傾向減弱，因此點火角可以進一步提前，使得燃燒重心CA50值由16°逐漸提前到8°附近，節氣門開度增加約13%，從而使得發動機有效燃油消耗率減少18 g/kW?h。

對比EGR系統優化前、后各部分壓損，結果如圖12所示。通過增大進氣管路直徑、平順進氣腔入口、將EGR冷卻器翅片由5層增加為8層、增大出氣波紋管直徑、增大EGR閥喉頸，使得EGR系統的總壓損由9.65 kPa降低至6.16 kPa，改善36.2%，EGR率由20%提升至25%。

3.4 抑制爆震的發動機控制參數優化

在高溫條件下，阿特金森循環發動機通過調整進、排氣門正時，改變發動機的有效壓縮比和缸內殘余廢氣量，降低壓縮過程中缸內溫度，提升發動機熱效率的同時抑制爆震[20]。該發動機性能可表示為：

[εM=VIVCVC] （3）

式中：εM為有效壓縮比，VIVC為進氣門關閉時刻氣缸的總容積，VC為燃燒室容積。

進氣溫度60 ℃條件下進排氣可變氣門正時（Variable Value Timing，VVT）優化對2 000 r/min外特性性能的影響如表3所示，提前開啟進氣門、增大氣門重疊角可以降低有效壓縮比，提升扭矩，從而降低性能衰減幅度。

在大負荷（轉速3 000 r/min、平均有效壓力0.9 MPa）以及中小負荷（轉速3 000 r/min、平均有效壓力0.6 MPa）工況點，發動機出水溫度對油耗及燃燒參數的影響，如圖13所示。隨著水溫升高，大負荷工況爆震傾向增強，點火角推遲，EGR通入減少，燃燒重心CA50變大，導致有效燃油消耗率升高；對于中小負荷工況點，隨著水溫升高，燃燒重心CA50仍可維持在6°～8°的最佳燃燒相位。由于水溫升高，燃燒散熱減少，發動機出水溫度及機油溫度升高，使機油粘度降低，減少摩擦損耗，降低了有效燃油消耗率。

分析不同環境下發動機出水溫度控制對各參數影響，結果如圖14所示。在整車應用中，中小負荷工況下，將水溫提升至105 °C，或在大負荷工況下，將水溫降低至90 ℃，發動機均能夠達到最佳的性能及油耗水平。在高溫環境下，由于進氣溫度升高，發動機爆震傾向加劇，此時，發動機出水溫度應低于常溫環境。

4 結束語

在工程開發中，本文通過對混動專用發動機各子系統結構、出水溫度、點火角等參數進行優化，抑制爆震的同時，提高發動機熱效率并減少動力性損失。未來，將在此基礎上進一步提升發動機熱效率、降低碳排放。

參 考 文 獻

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（責任編輯 瑞 秋）

修改稿收到日期為2024年4月29日。