葉伊蘇,王金石,劉 鵬,趙明祥,姚克甫,程梁柱
(1.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心,武漢 430058; 2.東風(fēng)柳州汽車有限公司,柳州 545000;3.東風(fēng)雷諾汽車有限公司技術(shù)中心,武漢 430051)
關(guān)于消除米勒循環(huán)增壓汽油機(jī)早燃現(xiàn)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(fēng)汽車公司技術(shù)中心,武漢 430058; 2.東風(fēng)柳州汽車有限公司,柳州 545000;3.東風(fēng)雷諾汽車有限公司技術(shù)中心,武漢 430051)
為克服低速早燃現(xiàn)象,以提高汽油機(jī)低速轉(zhuǎn)矩,改善汽車的駕駛性和降低油耗,首先對(duì)一款采用米勒循環(huán)的增壓汽油機(jī)低速早燃特性進(jìn)行了參數(shù)敏感性試驗(yàn)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),降低冷卻液和進(jìn)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(dá)到期望指標(biāo)。接著采用光纖傳感器監(jiān)測(cè)燃燒過程,發(fā)現(xiàn)早燃主要發(fā)生在排氣門附近,而CFD缸內(nèi)流場(chǎng)分析表明此區(qū)域湍動(dòng)能較弱,可能是早燃發(fā)生的主要原因。據(jù)此,通過改進(jìn)缸蓋進(jìn)氣道和導(dǎo)氣屏,提升滾流比和湍動(dòng)能,有效抑制了早燃,實(shí)現(xiàn)了期望目標(biāo)。
增壓汽油機(jī);早燃;滾流比;湍動(dòng)能
隨著車輛對(duì)駕駛性要求的提升,采用低速化節(jié)油措施、追求低速大轉(zhuǎn)矩是汽油機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。但增壓汽油機(jī)早燃現(xiàn)象(GDI/PFI均存在)已成為汽油機(jī)開發(fā)初期不得不面對(duì)的難題。早燃一般發(fā)生在低速大轉(zhuǎn)矩區(qū)域[1],由早燃引發(fā)的超級(jí)爆震極具破壞性,缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力甚至可以超過20MPa,發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、活塞等零部件會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p壞[2]。早燃發(fā)生時(shí),缸壓偏離壓縮線,不像普通爆震那樣可通過推遲點(diǎn)火角來避免[3]。關(guān)于其發(fā)生機(jī)理,目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的定論,但一般認(rèn)為有4方面的原因[4-9]:沉積物(如積炭)、局部熱點(diǎn)(如火花塞電極和排氣門過熱等)、機(jī)油液滴/機(jī)油蒸氣(機(jī)油閃點(diǎn)溫度降低引起的自燃)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)相關(guān)因素(缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)、殘余廢氣和混合氣濃度等)。相關(guān)研究表明,加濃混合氣、優(yōu)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(xiàn)象[1,9],優(yōu)化噴射策略可顯著降低早燃發(fā)生機(jī)率[10-11]。
本文中基于一款采用米勒循環(huán)的氣道噴射增壓汽油機(jī)在低速大轉(zhuǎn)矩工況下發(fā)生的早燃現(xiàn)象,進(jìn)行了冷卻液溫度、混合氣濃度和VVT等參數(shù)的敏感性試驗(yàn)分析。試驗(yàn)時(shí)利用燃燒分析儀分析判斷是否有早燃發(fā)生,同時(shí)利用帶光纖傳感器的火花塞進(jìn)行光譜分析,監(jiān)控早燃發(fā)生區(qū)域。根據(jù)參數(shù)敏感性分析結(jié)果,并結(jié)合氣門測(cè)溫試驗(yàn)和缸內(nèi)流場(chǎng)CFD仿真,總結(jié)出了早燃發(fā)生的可能原因。隨后通過缸蓋進(jìn)氣道/導(dǎo)氣屏設(shè)計(jì)優(yōu)化,提升缸內(nèi)滾流運(yùn)動(dòng),改善點(diǎn)火前湍動(dòng)能分布,有效抑制了早燃現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了期望目標(biāo)。
該發(fā)動(dòng)機(jī)為一款米勒循環(huán)增壓汽油機(jī),通過減小進(jìn)氣包角,降低氣門升程,使進(jìn)氣門早關(guān)來降低泵氣損失,從而降低油耗,但同時(shí)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(huán)型線及配氣相位圖
圖2 米勒循環(huán)示功圖
在開發(fā)早期進(jìn)行燃燒試驗(yàn)時(shí),低速大負(fù)荷區(qū)域下發(fā)生早燃現(xiàn)象,不能達(dá)到期望指標(biāo),圖3示出發(fā)生早燃的發(fā)動(dòng)機(jī)工況。試驗(yàn)時(shí)利用燃燒分析儀分析判斷是否有早燃發(fā)生,當(dāng)最大缸壓大于12MPa(設(shè)置為該工況下正常最大缸壓的2倍)時(shí)即認(rèn)為發(fā)生了早燃,這種情況下缸壓曲線會(huì)偏離壓縮線,最大爆發(fā)壓力接近20MPa,并伴隨劇烈的壓力波動(dòng),如圖4所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)如表1所示。在1 500r/min(240N·m)1h的早燃試驗(yàn)中,4個(gè)缸累計(jì)發(fā)生105次早燃現(xiàn)象,各缸分布如圖5所示。需要說明的是,選擇該工況進(jìn)行試驗(yàn)是因?yàn)樗鼘?duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)下的最低轉(zhuǎn)速,最容易發(fā)生早燃,運(yùn)行1h是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)角度考慮的,當(dāng)?shù)陀?次/h,即認(rèn)為該燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足要求。
圖3 早燃發(fā)生的發(fā)動(dòng)機(jī)工況平面
圖4 早燃發(fā)生時(shí)的缸壓曲線
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)
經(jīng)故障樹分析,排除了積炭、局部熱點(diǎn)和機(jī)油液滴/蒸氣誘發(fā)早燃的可能,另外在具有不同壓縮比的樣機(jī)上試驗(yàn)時(shí)均有早燃發(fā)生,說明與壓縮比關(guān)系不大。本章敘述基于1 500r/min工況進(jìn)行的冷卻液溫度、中冷后進(jìn)氣溫度、空燃比和進(jìn)氣VVT等參數(shù)對(duì)早燃影響的試驗(yàn)研究情況,并結(jié)合相關(guān)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。
圖5 1 500r/min(240N·m)1h早燃次數(shù)監(jiān)測(cè)
2.1 運(yùn)行邊界/進(jìn)氣VVT的影響
空燃比設(shè)定為1,排氣門關(guān)閉角度EVC(1mm)設(shè)定為-20°CA ATDC,將環(huán)境壓力由0.101 3MPa提高到0.103MPa,降低壓比,提高壓氣機(jī)運(yùn)行效率,同時(shí)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(yùn)行邊界變化對(duì)早燃的影響。圖6為在發(fā)生早燃的邊界條件下轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率、進(jìn)氣歧管壓力和點(diǎn)火角隨進(jìn)氣門開啟角度IVO(1mm)的變化關(guān)系,可以看到,隨著進(jìn)氣門開啟時(shí)間的推遲,有效進(jìn)氣時(shí)間延長,進(jìn)氣量增多,進(jìn)氣歧管壓力提升,從而轉(zhuǎn)矩增加,但受到早燃限制。運(yùn)行邊界優(yōu)化后,轉(zhuǎn)矩提升將近30N·m,但同樣受早燃限制,仍不能達(dá)到目標(biāo),同時(shí)受點(diǎn)火角推遲的影響,油耗有所上升。
需要說明的是,此運(yùn)行邊界的調(diào)整在實(shí)際的道路試驗(yàn)中不可能實(shí)現(xiàn),旨在結(jié)合仿真探討早燃邊界與壓縮終了缸內(nèi)狀態(tài)(壓力、溫度)的關(guān)系。結(jié)合圖6進(jìn)行一維熱力學(xué)性能仿真發(fā)現(xiàn),當(dāng)早燃發(fā)生時(shí),其臨界缸內(nèi)溫度基本一致,如圖7所示。
2.2 空燃比/進(jìn)氣VVT的影響
設(shè)定環(huán)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(guān)閉角度 EVC(1mm)為-20°CA ATDC,探討混合氣濃度變化對(duì)早燃的影響。圖8為轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率等參數(shù)隨進(jìn)氣門開啟角度IVO(1mm)的變化關(guān)系。由圖可見,隨著混合氣加濃,當(dāng)處于早燃邊界時(shí),進(jìn)氣門可延遲開啟,轉(zhuǎn)矩增加,當(dāng)過量空氣系數(shù) λ=0.8,IVO=0°CA ATDC時(shí)轉(zhuǎn)矩可達(dá)到240N·m的目標(biāo)。這是因?yàn)樵谠囼?yàn)中噴油起始角SOI固定,噴油結(jié)束角EOI推遲,增加了燃油在缸內(nèi)蒸發(fā)霧化的時(shí)間,缸內(nèi)溫度降低所致。根據(jù)圖8參數(shù)進(jìn)行一維熱力學(xué)性能仿真,得出的點(diǎn)火前缸內(nèi)溫度趨勢(shì)圖(圖9)也可說明。與2.1節(jié)類似,早燃發(fā)生的臨界缸內(nèi)溫度基本一致,處于400~410℃之間。
圖6 早燃邊界下各參數(shù)與運(yùn)行邊界、IVO的關(guān)系
圖7 點(diǎn)火前缸內(nèi)溫度隨運(yùn)行邊界、IVO變化趨勢(shì)
圖8 早燃邊界下各參數(shù)與空燃比、IVO的關(guān)系
圖9 點(diǎn)火前缸內(nèi)溫度隨空燃比、IVO變化趨勢(shì)
雖然加濃混合氣可提高早燃發(fā)生時(shí)的轉(zhuǎn)矩,且能達(dá)到期望指標(biāo),但國六法規(guī)下需要盡量擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)λ=1的MAP范圍,以滿足WLTC和RDE循環(huán)應(yīng)用范圍,不允許在低速大負(fù)荷區(qū)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(fā)生與點(diǎn)火前缸內(nèi)溫度的高低密切相關(guān),降低冷卻液溫度、中冷后進(jìn)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(dāng)λ=0.8時(shí)在不發(fā)生早燃的情況下,甚至可以達(dá)到期望指標(biāo)。但這些措施在實(shí)際的道路試驗(yàn)中不能實(shí)現(xiàn),或不被法規(guī)所允許。因此需要探索另外的解決辦法。
應(yīng)用光纖傳感器測(cè)量缸內(nèi)燃燒光強(qiáng)信號(hào),并結(jié)合燃燒分析儀可有效分析缸內(nèi)燃燒情況,判斷爆震和早燃發(fā)生區(qū)域[12]。圖10為第2和第4缸的測(cè)量結(jié)果,可以看出,早燃主要發(fā)生在排氣側(cè)區(qū)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(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)和點(diǎn)火前湍動(dòng)能分布是否合理等方面來分析。
圖10 第2和第4缸早燃區(qū)域監(jiān)控結(jié)果
根據(jù)氣門溫度測(cè)試結(jié)果及其與類似機(jī)型(BMEP更大)的比較,該發(fā)動(dòng)機(jī)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(nèi)流場(chǎng)CFD分析結(jié)果看,1 500r/min時(shí)滾流運(yùn)動(dòng)和湍動(dòng)能比參考機(jī)型弱,另外點(diǎn)火前湍動(dòng)能分布不合理,排氣側(cè)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(fā)動(dòng)機(jī)受缸內(nèi)混合氣溫度限制,發(fā)生早燃而使轉(zhuǎn)矩不能達(dá)標(biāo)的主要原因。
圖11 WOT 1 500r/min下點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍動(dòng)能分布
在進(jìn)氣歧管靠近缸蓋端加裝滾流閥,引導(dǎo)氣流更多地從氣門上方進(jìn)入氣缸,加強(qiáng)滾流運(yùn)動(dòng)。圖12為加裝滾流閥前后進(jìn)氣門關(guān)閉前的速度矢量分布圖對(duì)比。可以看到,加裝滾流后,氣門下方的氣體流動(dòng)減少,有利于加強(qiáng)滾流,從圖13中同樣可以看出。
圖12 進(jìn)氣門關(guān)閉前缸內(nèi)速度矢量圖對(duì)比
圖13 和圖14為增加滾流閥前后缸內(nèi)滾流比、湍動(dòng)能和點(diǎn)火前缸內(nèi)湍動(dòng)能分布的對(duì)比圖,可以看出,滾流運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng),尤其是在壓縮行程后期,可提高破碎后的湍流,盡管點(diǎn)火時(shí)刻火花塞周圍平均湍動(dòng)能變化不大,但湍動(dòng)能分布得到改善,尤其是排氣側(cè)湍動(dòng)能提升較多,從而可減少早燃的發(fā)生概率。
經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)外特性目標(biāo),且無早燃發(fā)生。
根據(jù)以上分析,需要進(jìn)行缸蓋進(jìn)氣道和導(dǎo)氣屏的改進(jìn)以達(dá)到與加裝滾流閥同樣的效果,從而改善早燃。為此進(jìn)行了以下改進(jìn)設(shè)計(jì),如圖15所示,將進(jìn)氣道出口上抬,引導(dǎo)氣流更多地從氣門上方進(jìn)入氣缸,同時(shí)增加導(dǎo)氣屏長度,減少氣門下方氣流運(yùn)動(dòng),以提升滾流強(qiáng)度。
圖13 增加滾流閥前后缸內(nèi)流動(dòng)參數(shù)對(duì)比
圖14 增加滾流閥前后點(diǎn)火前缸內(nèi)湍動(dòng)能分布對(duì)比
圖15 進(jìn)氣道和導(dǎo)氣屏改進(jìn)方案
圖16 為進(jìn)氣道改進(jìn)、導(dǎo)氣屏改進(jìn)和進(jìn)氣道與導(dǎo)氣屏同時(shí)改進(jìn)3種情況下滾流比與原方案的對(duì)比??梢钥闯?,壓縮行程后期的滾流比逐漸增強(qiáng),且進(jìn)氣道與導(dǎo)氣屏同時(shí)改進(jìn)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(yàn)中早燃次數(shù)的對(duì)比。由圖可見,僅改進(jìn)進(jìn)氣道或?qū)馄敛⒉荒芡耆缛棘F(xiàn)象,而同時(shí)改進(jìn)進(jìn)氣道和導(dǎo)氣屏后,早燃現(xiàn)象消除,在正常的冷卻液溫度、中冷后進(jìn)氣溫度和λ=1的情況下能實(shí)現(xiàn)外特性目標(biāo)。
圖16 滾流比對(duì)比
以上說明由滾流破碎形成的湍流達(dá)到一定強(qiáng)度后才能有效抑制早燃的發(fā)生。早燃的發(fā)生概率和頻次與點(diǎn)火前缸內(nèi)平均湍動(dòng)能大小和分布有密切關(guān)聯(lián)。從圖17中還可看出,隨著湍動(dòng)能的增加,早燃發(fā)生頻次減少,當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí),早燃不再出現(xiàn)。
圖17 1 500r/min(240N·m)時(shí)早燃次數(shù)與缸內(nèi)平均湍動(dòng)能的關(guān)系
綜上所述,當(dāng)早燃由化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素引起時(shí),其發(fā)生概率和頻次與壓縮終了缸內(nèi)狀態(tài)(壓力、溫度和湍動(dòng)能)存在密切關(guān)聯(lián),今后將繼續(xù)做進(jìn)一步的研究。
本文中結(jié)合某款米勒循環(huán)增壓汽油機(jī)的開發(fā)對(duì)影響早燃的相關(guān)因素(進(jìn)氣/冷卻液溫度和混合氣濃度)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并對(duì)改善早燃的措施進(jìn)行探討和分析,結(jié)論如下:
(1)早燃的發(fā)生與點(diǎn)火前缸內(nèi)混合氣溫度、湍動(dòng)能強(qiáng)度和分布情況密切相關(guān);
(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(nèi)溫度,對(duì)提高早燃發(fā)生時(shí)臨界狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩有一定效果;
(3)加強(qiáng)滾流、提高點(diǎn)火前湍動(dòng)能水平和改善其分布可有效抑制早燃的發(fā)生,并能實(shí)現(xiàn)在理論空燃比下正常燃燒,以滿足排放法規(guī)。
今后將進(jìn)一步研究缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)(滾流、湍動(dòng)能)強(qiáng)度與早燃發(fā)生概率和頻次的關(guān)系,同時(shí)還要探討降低點(diǎn)火前缸內(nèi)混合氣溫度以減小早燃發(fā)生概率的措施。
[1] 張志福,舒歌群,梁興雨,等.增壓直噴汽油機(jī)超級(jí)爆震現(xiàn)象與初步試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),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] 徐雅齊,王志,王建昕,等.增壓直噴汽油機(jī)超級(jí)爆震的不同抑制方法[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2014,32(1):26-31.
[11] 蘇方旭,張艷青,向清華.早燃 超級(jí)爆燃調(diào)查方法及控制策略優(yōu)化研究[C].2016中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集:394-398.
[12] 張玉銀,武得鈺,楊中樂,等.應(yīng)用光纖測(cè)量技術(shù)研究汽油機(jī)燃燒過程[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),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(jí)工程師,E-mail:yeys@dfmc.com.cn。