火花点火发动机Pre-ignition形成机理及控制综述*

石 玲 卫海桥 吴国兴 范钱旺

（1-上海师范大学天华学院 上海 201815 2-天津大学 3-知豆电动汽车技术集成有限公司）

引言

传统石油供给的安全与可靠性及CO2减排的巨大压力，迫使高效节能低排放发动机的研究与开发倍受关注与重视。直喷汽油机小型化是改善发动机燃油经济性的有效措施之一，实现小型化的方法之一即为增压。增压技术提高发动机进气密度，促使小排量发动机可以实现较大排量的功率，但是增压同样附带了诸多不利于发动机运转的情况-诸如增压进一步恶化了发动机Pre-ignition现象。早燃（Preignition）现象是在传统进气道喷射（PFI）汽油机中存在的一种非正常燃烧[1]，且在现代直喷汽油机中更加频繁发生，与其传统爆震燃烧等有着显著区别。另外，根据已有研究结果可知，非正常燃烧-早燃（Preignition）是抑制小型化增压直喷汽油机发展的主要瓶颈之一。鉴于增压小型化技术对发动机燃烧影响，本文重点进行如下工作：

1）分析了Pre-ignition现象的特征；

2）基于已有的资料和试验结果综合分析了发动机不同边界条件（混合器浓度、点火时刻、喷油次数、燃油-润滑油、进气温度、冷却液温度、压缩比等）对Pre-ignition的影响；

3）基于现有技术总结了检测和控制Pre-ignition的方法；

4）基于离子电流技术提出检测和控制直喷汽油机Pre-ignition的方法。

该文分析总结有助于直喷汽油机设计开发过程中全面考虑pre-ignition促发的诱因，总结和提出了pre-ignition检测与控制方法。

1 Pre-ignition现象

根据已有研究可知，直喷汽油机早燃（Pre-ignition）和正常燃烧的差异，如图1所示[2]。Pre-ignition特征总结如下：

1）早燃（Pre-ignition）发生于点火之前；

2）初期燃烧速度缓慢；

3）燃烧速度陡然增加；

4）超级爆震；

5）随机发生；

6）早燃出现位置的不确定性；

7）不连续性。

图1 非正常燃烧Pre-ignition现象[2]

图2 总结了火花点火汽油机Pre-ignition发生的运行工况区域。鉴于目前大部分试验结果可知，Pre-ignition现象主要发生在低速大负荷的工况区域。

图2 Pre-ignition现象发生的工况区域

2 Pre-ignition的形成机理

Pre-ignition现象明显区别于爆震，与现在认同的终端混合气自燃而引起的爆震形成机理也存在差别。Pre-ignition形成总结分析可以分为几方面的原因：

1）缸内混合气：增压、混合气质量、缸内温度分布不均匀、缸内滞留废气、空燃比等；

2）缸内热源：火花塞、气门、燃烧室积碳、燃烧室内其他高温热点；

3）进入燃烧室的机油：机油可能是来源于活塞环、增压器、汽缸垫、气门杆密封等；

4）喷雾及燃油撞壁：喷雾质量、活塞顶/气缸壁面湿壁等；

5）积碳：燃烧室内积碳可分为两部分来源，一部分来源于机油；另一部分来源于汽油。

上述原因均属于边界参数或结构参数对Preignition的影响，但是根据燃烧理论，燃烧发生及维持的条件可知，Pre-ignition形成的基本机理如图3所示。

图3 Pre-ignition形成机理

2.1 混合气浓度对pre-ignition的影响

缸内混合气浓度是发动机燃烧过程及排放的关键决定因素，从内燃机学可知，过量空气系数λ=0.8～0.9范围内，燃烧速度最快，而λ=1.03～1.1范围内，则燃油消耗率达到较佳值[3]。缸内混合气浓度对早燃（Pre-ignition）的发生也有着重要影响。其中，稍稀薄的混合气能够促进增压直喷汽油机的Preignition现象的发生频率；加浓混合气有助于降低Pre-ignition现象发生频率，这主要可能是由于加浓混合气，喷入缸内燃油量增加，燃油蒸发过程中吸热量增加，导致缸内压缩温度下降所致。根据文献中的研究结果可知，过量空气系数λ=1.1时的条件下，Pre-ignition现象发生频率较高，如图4所示[4]。其中，图中PI表示Pre-ignition发生次数。

2.2 点火时刻对Pre-ignition的影响

图4 混合气浓度对Pre-ignition的影响[4]

发动机点火时刻是影响发动机动力性、经济性、排放性的重要参数之一，决定了火花点火发动机燃烧开始时刻，也是传统爆震燃烧发生的关键控制参数。大量研究发现，调整点火时刻-推迟点火可以避免传统爆震现象发生，但是这一举措并不能有效控制早燃（Pre-ignition）发生。尽管调整点火时刻不能像控制传统爆震而控制Pre-ignition现象，但是仍然存在一定的变化规律。适当提前点火时刻，则可以降低Pre-ignition发生的频率。其中，根据文献中研究结果可知，提前点火时刻，Pre-ignition现象发生频率也降低，如图5所示[5]。

图5 点火时刻对Pre-ignition的影响[5]

2.3 喷油时刻对Pre-ignition的影响

喷油时刻是直喷汽油机燃油喷雾撞壁、缸内混合气形成的关键参数之一。喷油时刻是决定喷雾发展和燃油湿壁的关键要素，较早和较晚的喷油时刻都会导致燃油湿壁，进而可能引起Pre-ignition发生。根据文献中Takuya和Amann研究结果可知，就Pre-ignition而言，喷油时刻存在最佳位置，较晚的喷油时刻，则早燃（Pre-ignition）现象发生的频率增加。如图6所示[6-7]。喷射次数对Pre-ignition的影响如图7所示。

2.4 燃油-润滑油对Pre-ignition的影响

Pre-ignition产生最为主要的因素之一就是来自活塞与气缸壁面缝隙的机油和汽油混合所致；另外主要因素之一是积碳形成。这两者都与燃油组分有着密切的关系。

图6 喷油时刻对Pre-ignition的影响[6]

图7 喷射次数对Pre-ignition的影响[4]

根据文献中Dahnz的研究可知，辛烷值增加，则有助于降低Pre-ignition现象发生，其结果如图8所示[8]。但是存放时间较长的燃油更加易于发生Preignition现象，主要原因可能是存储时间较长的燃油，其中轻馏分物质挥发，导致Pre-ignition发生频率大幅度增加。

图8 燃油对Pre-ignition的影响[8]

根据文献可知，润滑油对Pre-ignition的影响有着重要的作用。Akram关于润滑油对Pre-ignition影响的试验结果如图9所示[4]。图中，基础燃油-年度等级5W-30，添加剂量-正常水平，润滑油质量-GMLL-A-025；润滑油 A-5W-30，添加剂量-减少，润滑油质量-ACEAC3；润滑油B0W-40，添加剂量-正常，润滑油质量-GM-LL-AB-025；润滑油C-5W-30，添加剂量-减少，润滑油质量-ACEAC3。

图9 润滑油对Pre-ignition的影响[9]

2.5 冷却液温度对Pre-ignition的影响

根据试验研究结果可知，冷却液温度增加，Preignition发生的频率降低。这可能是一方面由于冷却液温度增加改善了缸内燃油雾化效果，降低燃油湿壁量；另一方面是改善了润滑效果所致。试验结果如图 10所示[8]。

图10 冷却液温度对Pre-ignition的影响[8]

2.6 压缩比对Pre-ignition的影响

压缩比是提高发动机热效率的重要结构参数，提高压缩比可以提高发动机动力性和经济性，但是也会增加Pre-ignition现象发生。根据D.DOWN在PFI汽油中研究结果可知[1]，压缩比从6∶1增加到8∶1后，促进了Pre-ignition的发生频率。

2.7 进气压力对Pre-ignition的影响

进气压力对发动机性能及排放有着重要的影响。采用增压技术提高了进气压力，增加了充气效率，明显提高发动机动力性能，且增压比越大，发动机的比功率越高，热效率也越高，燃油消耗率下降。但是同时，根据文献中的研究结果可知，提高进气压力导致Pre-ignition发生频率增加，其结果如图11所示[4]。

图11 进气压力对Pre-ignition的影响[4]

3 Pre-ignition检测与控制

3.1 基于参数敏感性分析Pre-ignition检测与控制

基于上文各参数对Pre-ignition影响的分析，总结出了各参数对Pre-ignition发生的影响程度可知，进气温度、冷却液温度、点火时刻以及混合气浓度对Pre-ignition的发生有着重要作用。鉴于此，可以采用以下措施降低或避免Pre-ignition发生的频率[10-11]。

1）增加点火提前角；

2）增加进气冷却，降低进气温度；

3）满足目标转矩的条件下，尽量降低增压比；

4）降低缸内滞留的EGR，合理控制进排气门重叠；

5）采用冷却EGR；

6）采用分层燃烧；

7）采用稀薄燃烧；

8）采用两次喷油策略：在全负荷和过量空气系数为1条件下，分别在进气和压缩冲程各喷油一次，则对Pre-ignition发生有着显著的抑制作用，其效果等效于有效压缩比降低0.6；

9）采用VVT技术降低有效压缩比：例如马自达SKYACTIV-G发动机采用能够实现推迟IVC的硬件系统将有效压缩比控制到PI-Limit以下，再结合AFR调节（混合气加浓），即使在最恶劣的情况下，依然能够避免PI的发生。

3.2 基于预测燃烧相位的Pre-ignition检测与控制

Pre-ignition发生具有随机性，但是其发生也是需要满足一定条件。如果能够基于检测到的某一参数，通过预测模型计算出其发生的边界线，则可以有效借助降低进气温度或压缩比等手段而降低或避免Pre-ignition的发生。例如：如果采用缸压传感器预测到燃烧始点的相位（如10%MBF），然后找到Preignition发生的边界线与10%MBF之间关系，可以确定Pre-ignition发生的条件，即10%MBF发生在燃烧相位的有效压缩比或进气温度等就是相应条件下降低Pre-ignition的边界线，进而可以通过降低有效压缩比等手段降低Pre-ignition的发生。

另外，根据马自达的研究可知，利用Liven-Wood积分公式分析了达到PI-Limit时的缸内温度和压力之间的关系之后，开发了一个预测模型，使用发动机上的传感器可以测得的参数，如充气效率、进气温度、环境温度、冷却水温度等，可以预测缸内温度和压力的情况；最终基于这组模型可以预测/计算出这些可测参数条件对应的PI-Limit，预测模型为标定和电控提供依据。当ECU监测到运行条件恶化（如进气温度、冷却水温度异常与标准情况）时，可以根据预测模型计算出对应的PI-Limit，然后推迟IVC降低平均有效压缩比，防止Pre-ignition的现象发生。

3.3 基于离子电流信号的Pre-ignition检测与控制

根据Pre-ignition发生在点火之前的特征，可以采用缸内离子电流信号作为检测Pre-ignition的反馈信号。针对不可测干扰因素变化的突发情况，如无法检测或预测的积碳导致的压缩比升高，使用辛烷值不合乎要求的汽油等，开发Pre-ignition现象控制系统（Pre-ignition Control System，PCS）进行被动处理。PCS系统应用离子电流技术来检测发生在点火之前的燃烧，利用集成在点火线圈中的离子电流传感器探测出离子电流出现的时间，可以获知燃烧开始相位（10%MBF），并可以预先判断Pre-ignition现象的强度。Pre-ignition现象控制系统探测出Preignition发生及强度后，通过控制进气门相位（IVC）和喷油相位等做出反应，进而可以有效控制Preignition的发生。

3.4 基于焓原理的Pre-ignition检测与控制

根据特定的燃烧现象发生需要达到一定的能量边界-临界值。而焓这一变量则是描述缸内气体能力变化的有效参数。为了描述缸内能量变化，应用如下一些关键方程。基于焓描述换气过程中的能量变化如下所述：

基于热力学第一定律能量守恒量化进入缸内新鲜空气、滞留废气、热交换以及做功过程进出气缸的焓。如下述的方程：

另外，焓绝对值取决于气体质量和发动机尺寸等，根据下面能量密度方程可以获得单位压缩体积下的比焓：

基于上述方程和焓原理控制Pre-ignition的方法即为缸内平均焓与发生Pre-ignition时的焓阈值进行比较，然后判断是否发生Pre-ignition和调整参数避免或抑制Pre-ignition的发生。

3.5 基于可视化技术的Pre-ignition检测与控制

可视化技术可采用AVL Visio scope等设备测试缸内燃烧情况。采用可视化技术主要可以量化Pre-ignition发生的空间位置，进一步可以分析Preignition产生的原因。

基于可视化技术控制Pre-ignition仅仅限于实验室和发动机开发阶段，而并不能应用于发动机实际运行过程中进行检测和反馈控制，而且其成本高昂。

4 解决Pre-ignition的技术

基于Pre-ignition的特征及参数影响规律，本文提出2种解决Pre-ignition的控制技术。其一，基于发动机本体燃烧系统优化降低Pre-ignition现象；其二，基于离子电流信号检测和控制策略解决Preignition现象。

1）基于发动机本体燃烧系统优化降低Preignition方法，采用缸内压力传感器检测Pre-ignition现象，然后借助先进光学测试技术分析缸内Preignition现象，再进行燃烧系统优化，具体流程如图12所示。

图12 基于燃烧系统优化Pre-ignition的方法

2）鉴于发动机小型化、增压比增加、压缩比提高等发展趋势，Pre-ignition现象在未来发动机中不可避免的发生，因此仅仅优化燃烧系统解决Preignition有着较大的困难。因此，类似于爆震控制的思路本文提出了基于控制策略优化Pre-ignition的方法，即采用离子电流信号检测Pre-ignition现象，然后根据控制策略对比分析，采用当前循环不点火或大幅度推迟点火的手段抑制Pre-ignition导致的超级爆震恶性燃烧，降低了对发动机的损害，具体控制方法如图13所示。

图13 基于离子电流技术检测和控制Pre-ignition的方法[9-10]

5 结论

本文总结了Pre-ignition现象、出现Pre-ignition现象时发动机运行工况以及各主要边界参数对Preignition现象的影响。总结和提出了几种检测和控制方法。这一分析总结有助于进一步了解和分析Preignition现象，为开发直喷增压发动机提供参考。

1）缸内局部温度超过800℃，促进Pre-ignition发生。

2）压缩比、冷却液温度、喷油策略以及润滑油质量对Pre-ignition发生影响尤为显著。

3）优化缸内热点、优化喷雾、提高缸内气流运动、采用两次喷射可以改善Pre-ignition。

4）基于离子电流检测技术是实现Pre-ignition控制的工程手段之一。