第32卷（2014）第1期
内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE
V ol.32（2014）No.1
收稿日期：2013-06-21；修回日期：2013-09-12．
基金项目：国家“863”计划资助项目(2012AA111715).
作者简介：徐雅齐，硕士研究生，E-mail ：1988.tony@https://www.doczj.com/doc/994743600.html,.
通信作者：王 志，副教授，博士，E-mail ：wangzhi@https://www.doczj.com/doc/994743600.html,.
文章编号：1000-0909(2014)01-0026-06
32-005
增压直喷汽油机超级爆震的不同抑制方法
徐雅齐1，王 志1，王建昕1，李东升2
(1. 清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；
2. 东风汽车公司技术中心，湖北 武汉 430056)
摘要：超级爆震是增压直喷汽油机提高升功率和降低油耗的主要障碍，在典型增压小排量直喷汽油机上对不同的超级爆震抑制方法进行了研究．结果表明，加浓、分层和扫气都能够抑制超级爆震，但采用混合气加浓会恶化发动机油耗，采用混合气分层发动机排温大幅升高，推迟排气门关闭时刻实现扫气也能抑制超级爆震，但油耗和CO 排放升高．进一步的研究发现，采用优化的进气行程两次喷射策略能够有效地抑制超级爆震，并且能够保证发动机的油耗、排温以及排放不恶化． 关键词：直喷汽油机；增压；超级爆震；抑制 中图分类号：TK411.2 文献标志码：A
Suppression Strategies for Super -Knock of
Turbo -Charged GDI Engines
XU Ya-qi 1，WANG Zhi 1，WANG Jian-xin 1，LI Dong-sheng 2
(1. State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ；
2. Research Center ，Dongfeng Motor Company ，Wuhan 430056，China )
Abstract ：Occu rrence of sporadic su per-knock is the main obstacle for modern TC-GDI engines. This
paper studied the different suppression strategies for the super-knock. Study showed that that mixture en-richment ，stratification and scavenging cou ld su ppress the su per-knock. Mixtu re enrichment wou ld in-crease the fu el consu mption. Mixtu re stratification cou ld redu ce su per-knock frequ ency bu t resu lt in re-markable increase of exhaust temperature. Scavenging by retarding exhaust valve close timing could sup-press the super-knock but increase fuel consumption and CO emission. It was found that two-stage injec-tions during intake stroke (TSII )could eliminate the super-knock while maintaining the accepted fuel con-sumption ，emissions and exhaust temperature.
Keywords ：direct injection gasoline engine ；turbo-charged ；super-knock ；suppression strategies
近年来，高增压小排量汽油机得到了长足的发展，相对于传统汽油机具有大的节能减排潜力[1-2]. 但是，增压直喷汽油机在低速大负荷容易发生一种对发动机危害极大的非正常燃烧现象——超级爆震. 不同于常规汽油机爆震(敲缸)，超级爆震一般在火花点火之前出现早燃，最大爆压远远高于正常燃烧压力，并发生大幅压力振荡，极易对发动机造成致命性损坏，是目前增压直喷汽油机提高升功率和降低燃油消耗率遇到的主要障碍[3-7]．
对于超级爆震的抑制方法，GM [8]提出加浓混合
气可以抑制超级爆震，KIT [9]和GM 的研究发现压缩行程喷射燃油形成分层混合气能够降低超级爆震发生的概率．大众[4]和奇瑞[10]公司则提出扫气是一个较好的抑制超级爆震的方案．美国西南研究院[11]的试验发现，中冷EGR 对超级爆震的发生有明显的抑制效果．但中冷EGR 增加系统软硬件成本并影响发动机功率密度．
由于超级爆震极易损毁发动机，上述试验过程中并未测量发动机排温、燃油消耗率和排放等性能，主要是研究单一抑制方法对超级爆震发生频次的影响，
2014年1月 徐雅齐等：增压直喷汽油机超级爆震的不同抑制方法 ·27·
没有综合比较各种抑制策略．鉴于此，笔者对比研究了加浓、分层和扫气等超级爆震抑制方法对发动机的超级爆震发生概率、排温、燃油消耗率以及排放等性能的影响，进而提出了进气行程两次喷射抑制超级爆震的策略，并同上述方法进行了对比分析．
1 试验装置与方法
1.1 增压直喷汽油机试验平台
增压直喷汽油机的试验台架如图1所示．实验室采用空调恒温恒湿系统将温度控制在(25±1)℃，湿度为50%±10%．压力测量采用Kistler 6052CU 压力传感器，烟度测量采用A VL 公司的439烟度计，排放测量采用A VL 公司的CEB Ⅱ，油耗仪是A VL 公司的733S 油耗仪．
图1 增压直喷汽油发动机试验台架示意
Fig.1 Turbo -charged GDI engine test bench
试验发动机是1.4L 的增压直喷汽油机，具体参数如表1所示．
表1 试验用发动机主要参数
Tab.1 Test engine parameters
参数名称/单位
参数值
型式 直列4缸、直喷增压 缸径/mm 活塞行程/mm 73 83.4
排量
/L 1.4 压缩比 10 喷油器 博世6孔喷油器
喷射压力/MPa 15 燃油 市场93号
1.2 试验方法
发动机发生超级爆震一般在低速大负荷下，所以选取最大转矩点的最低转速工况进行研究．该发动机超级爆震试验工况见表2(在加浓抑制超级爆震试验中，空燃比单独控制)．
由于超级爆震发生的随机性，连续采集5000个循环记录发生的超级爆震循环数，试验中重复3次
5000个循环，取平均值来统计每一种工况下超级爆
震发生的频次(0°CA 为进气上止点)．
表2 发动机运行工况
Tab.2 Engine operating conditions
参数名称/单位
参数值
转速/(r ·min -1
) 1750
进气压力/MPa 0.19 平均有效压力(BMEP )/MPa 2.0
中冷温度/℃ 39 点火角度/°CA ATDC 370
空燃比 14.5
2 试验结果和讨论
试验中，连续循环出现超级爆震的示意如图2所示．在连续循环中，超级爆震会随机出现，并自行 消失．
图2 超级爆震的出现
Fig.2 Occurrence of super -knock
试验中典型超级爆震循环如图3所示．超级爆
震的发生首先有一个早于点火时刻的早燃，后期会产生急剧的压力升高和大幅振荡．最高爆发压力可以达到20MPa 以上．而正常燃烧循环的最高爆压只有8MPa 左右．因此，试验中定义最高爆压达到10MPa 以上的循环为超级爆震循环．
图3 典型超级爆震循环
Fig.3 Typical super -knock cycle
2.1 加浓抑制超级爆震
不同空燃比下3次试验的超级爆震平均发生次数如图4所示，加浓工况空燃比为13.5时，超级爆震
·28·内 燃 机 学 报第32卷 第1期导致活塞破损，更换发动机．当发动机空燃比不断加
浓时，3次试验超级爆震发生的平均次数不断降
低．发动机空燃比从14.5降低到12.5，在3次试验中
发生超级爆震的平均次数从1.68次(3次试验分别发
生的次数为1、2和2，平均为1.68次)降低到了
0．说明加浓混合气能够有效地抑制超级爆震．
图4不同空燃比超级爆震频次
Fig.4 Super-knock frequency for different A/F
加浓能够抑制爆震的原因主要在于含有更多燃
油的混合气的绝热指数k减小．根据绝热等熵压缩公
式得式(1)．
12 21k
k
T V T V ε
??
==
??
??
(1)式中：T1为压缩终了的混合气温度；T2为压缩始点的混合气温度；V1为压缩终了的燃烧室体积；V2为压缩始点的燃烧室体积；ε 为压缩比．可以看出，当k值减小时，发动机压缩终了的混合气温度降低，发动机内热点比较难达到其自燃温度，抑制了超级爆震．同时，采用Chemkin软件建立绝热压缩模型，改变发动机缸内混合气的空燃比，计算得到发动机压缩终了温度，如图5所示．空燃比降低到12.5，混合气在压缩终了的温度降低了12℃，热点不容易自燃，超级爆震发生概率降低．
图5压缩终了温度随空燃比的变化
Fig.5Temperature at the end of compression stroke for different A/F
可见，采取过浓混合气是一种有效抑制超级爆震的方法，但大大损失了燃油经济性．另外，由于现代汽油机中都采用成熟的三效催化剂来降低排放，而三效催化剂高效转化效率集中于理论空燃比附近的狭窄区间，利用浓混合气来抑制超级爆震还会使发动机排放恶化，CO排放高达50×10-3以上．因此，加浓混合气抑制超级爆震不是较佳的解决方案．
2.2扫气抑制超级爆震
由于提前进气门开启时刻(IVO)实现扫气提高发动机的有效压缩比，容易诱发超级爆震．所以固定IVO为－13°CA AT DC，研究不同排气门关闭时刻(EVC)对发动机超级爆震、燃油消耗率和排气温度(涡轮前端)的影响，如图6所示．
图6不同EVC时的超级爆震次数、燃油消耗率以及排气温度
Fig.6Super-knock frequency，exhaust temperature and fuel consumption for different EVC
推迟EVC能够有效地抑制发动机的超级爆震．发动机的EVC越靠后，气门重叠角越大，扫气强度越大，发动机发生超级爆震概率越小．EVC时刻在3°CA AT DC时，发动机在3次试验中超级爆震发生的平均次数为3.00次．EVC时刻在23°CA ATDC时，发动机在3次试验中超级爆震平均次数降低到了0.33次．这是由于试验时控制发动机排气管中的空燃比为14.5，扫气时排气管内会存在被扫出的新鲜空气，缸内空燃比就会过浓，而推迟排气门关闭的时刻，气门重叠角度就越大，扫气强度越高，进入排气管的新鲜空气越多，相应的缸内混合气的浓度就越高．缸内过浓环境有助于抑制爆震，同时扫气对发动机缸内的热点有一定的冷却作用，进一步抑制发动机的超级爆震．但过浓也造成了发动机的燃油消耗率增加．在EVC从3°CA ATDC推迟到了23°CA ATDC时，燃油消耗率从280g/(kW·h)升高到了318g/(kW·h)．不同EVC的排放变化如图7所示．发动机在发生扫气时，NO x和THC排放同时降低，但CO排放却随之升高．这是由于发动机在产生扫气时，缸内实际为过浓燃烧，NO x排放降低，CO排放增加．THC在缸内燃烧时增加，但进入排气管后，排气管中存在其它气缸被扫出的新鲜空气，THC和新鲜空气反应生
2014年1月 徐雅齐等：增压直喷汽油机超级爆震的不同抑制方法 ·29·
成CO ，造成了THC 排放的下降和CO 排放的进一步增加．这也可以从图7中CO 2排放没有增加反而有所降低来说明，而未燃THC 发生的反应主要生成的是CO 而不是CO 2．
图7
不同EVC 时的排放
Fig.7 Emissions for different EVC
综上，通过推迟EVC 实现扫气能够抑制发动机的超级爆震．但是，扫气时，发动机燃油消耗率恶化严重，同时CO 排放有所上升．因此扫气也不适合在发动机低速大负荷工况稳定运行抑制超级爆震． 2.3 压缩行程二次喷油实现分层混合气抑制超级爆震 通过在压缩行程喷射第二次燃油来研究燃油分层抑制超级爆震的效果．图8给出了第一次喷射开始时刻SOI 1为40°CA AT DC 时，不同第二次喷油结束时刻EOI 2以及第二次喷油比例ROI 2对超级爆震发生频次以及排气温度的影响． 从图8a 可以看出，在两次喷射的EOI 2接近压缩上止点(300°CA AT DC )时，ROI 2从0(单次喷射)变化到0.4，超级爆震的平均发生频次从0.68逐步降低到了0，有效地抑制了超级爆震的发生．但是，排气温度却从860℃升高到了913℃，恶化严重，因此，压缩行程中二次喷油形成强分层混合气不适合作为发动机大负荷工况下的抑制超级爆震策略． 从图8b 可以看出，分层两次喷射的EOI 2在压缩行程中期(240°CA AT DC )，ROI 2在0、0.2和0.4时，超级爆震发生的平均频次分别为0.68、1.00和0．说明此时ROI 2较小的分层两次喷射并不能够抑制超级爆震的发生，只有当ROI 2较大(0.4)时，超级爆震能够被抑制．但是，当ROI 2为0.4时，相对于单次喷射，排气温度上升了22℃，达到882℃． 综上，压缩行程中二次喷油形成分层混合气能够抑制超级爆震，但排气温度却大幅升高．而且，在压缩行程喷油也容易造成碳烟排放和燃油消耗率的升高．所以，压缩冲程喷射形成分层混合气也不是一个好的抑制超级爆震的方案．
a ）EOI 2为300°CA ATDC
b ）EOI 2为240°CA ATDC
图8 不同ROI 2时超级爆震次数及排气温度 Fig.8Super -knock frequency and exhaust temperature
for different ROI 2
2.4 进气行程两次喷射抑制超级爆震
由于上述的超级爆震抑制方法对发动机的燃油消耗率、排放以及排气温度等性能都有一定的恶化，不适合作为发动机的稳态工况运行．进而提出通过进气行程的两次喷射减少燃油的碰壁和碰活塞顶部量来抑制超级爆震．同时保证较为均匀的油气混合来保持发动机的燃油消耗率、排放以及排气温度性能在较优水平．
图9为超级爆震次数以及排放和燃油消耗率随着二次喷射比例(ROI 2)的变化关系．在ROI 2为0.1和0.3的时候，发动机并没有发生超级爆震．而在只进行单次喷射时，发动机3次试验内平均超级爆震的频次为0.68．这是由于ROI 2较小时，第一次喷射贯穿距大，燃油碰气缸壁面和活塞顶部概率增加，机油稀释和碳烟排放增加，容易诱发超级爆震．而当ROI 2上升到0.5以上时，发动机发生超级爆震的概率也增加．这是由于随 着ROI 2增加，第二次燃油喷射碰气缸壁面油量增多，汽油和机油的交互也容易导致超级爆震．
而且，在ROI 2为0.1和0.3时，同单次喷射相比，排气温度在增压器允许范围(从873℃分别上升到了876℃和877℃)，而燃油消耗率略有降低(从300g/ (kW ·h )降低到299g/(kW ·h )和297g/(kW ·h ))．
·30· 内 燃 机 学 报 第32卷 第1期
图9 不同ROI 2的超级爆震发生次数及排温和燃油消耗率
Fig.9 Super -knock frequency ，
exhaust temperature and fuel consumption for different ROI 2
图10给出了发动机在不同的ROI 2时的排放特性．碳烟和THC 的排放随着发动机ROI 2的上升而下降，这主要是由于发动机喷射碰活塞量降低，池火燃烧不易发生．而发动机NO x 排放则是先下降再上升，这是由于ROI 2在0.3时发动机的油气混合最均匀，没有明显的浓稀分层．
图10 不同ROI 2的排放
Fig.10 Emissions for different ROI 2
在ROI 2为0.3时，不同SOI 1对发动机超级爆震、燃油消耗率以及排气温度的影响，如图11所示．SOI 1在60°CA AT DC 、75°CA AT DC 和90°CA ATDC 这3种喷射策略中，发动机超级爆震的次数都较少(平均频次最多为0.33)．同时，相对于其他喷射策略，这3种策略的排气温度、燃油消耗率都比较低
图11 不同SOI 1的超级爆震发生次数及排温、燃油消耗率
Fig.11 Super -knock frequency ，
exhaust temperature and fuel consumption for different SOI 1
(排气温度在875℃左右，燃油消耗率为295g/
(kW ·h )左右)，是较好的3种喷射策略．
SOI 1为15°CA ATDC 和30°CA ATDC 时，发动机发生超级爆震的频次增加．SOI 1为15°CA AT DC 时，5000个循环中超级爆震发生的平均次数为2.68次，SOI 1等于30°CA AT DC 时超级爆震发生的平均频次为1.33次．这主要是由于燃油喷射越接近发动机的进气上止点，喷雾碰活塞顶部壁面越严重，发动机的碳烟急剧升高(图12)．因此，发动机残余废气中的热碳烟也可能是发动机超级爆震的诱发源． 图12为不同发动机SOI 1时刻的排放变化．SOI 1在15°CA ATDC 和30°CA ATDC 时，发动机的排放极度的恶化．烟度、THC 和NO x 等指标都已经远远高出其余的喷射策略．这主要是由于接近上止点喷射时，燃油喷雾碰撞在活塞顶部壁面，形成油膜，产生池火燃烧，使得THC 排放急剧升高，并带来碳烟和NO x 的同时升高．
图12 不同SOI 1的排放变化 Fig.12 Emissions for different SOI 1
综上，优化进气行程两次喷射能够明显地抑制发
动机超级爆震，并且能够保证发动机的燃油消耗率、排放以及排气温度性能均优．对于本台典型增压直喷汽油机，较优的喷射策略是进气行程两次喷射，第一次喷射开始时刻在进气行程中期，第二次喷射结束时刻在进气行程晚期，第二次喷射比例约为30%．
3 不同抑制策略综合比较
在超级爆震
运行工况点，对比了不同超级爆震抑制策略下发动机的超级爆震发生频次、燃油消耗率以及排温等性能，如图13所示．标定工况的燃油消耗
率为300g/(kW ·h )，排温为873℃，
超级爆震发生频次为0.68次．加浓工况时(空燃比为
12.5)，过浓混合气能够有效抑制超级爆震(发生频次为0)，但燃油消耗率从标定工况的300g/(kW ·h )大幅升高到340g/(kW ·h )，排放也会严重恶化．
2014年1月徐雅齐等：增压直喷汽油机超级爆震的不同抑制方法 ·31·
扫气工况时(IVO为－13°CA AT DC，EVC为23°CA AT DC)，利用气门重叠优化扫气对超级爆震有抑制效果(发生频次由标定工况的0.68降低到0.33)，但燃油消耗率上升到318g/(kW·h)．
压缩行程中二次喷油(EOI2为300°CA AT DC，ROI2为0.4)时，优化的中心浓周围稀的混合气能有效抑制超级爆震(发生频次为0)，但排气温度上升到913℃，燃油消耗率升高到313g/(kW·h)．
进气行程两次喷射工况(SOI2为90°CA AT DC，EOI2为170°CA AT DC，ROI2为0.3)时，优化的两次喷油时刻和喷油比例可以杜绝超级爆震的发生，同时排温基本和标定工况持平，燃油消耗率降低到295 g/(kW·h)．
综合比较，在上述超级爆震控制策略中，进气两次喷射策略具有明显优势，能够有效抑制超级爆震，并保证发动机的燃油消耗率、排温和排放水平均优．图13不同抑制策略的超级爆震次数、燃油消耗率及排气温度
Fig.13Super-knock frequency，exhaust temperature and fuel consumption for different suppression strate-
gies
4结 论
(1) 加浓混合气能够抑制发动机超级爆震，但发动机的燃油消耗率和CO排放大幅升高．
(2) 推迟排气门关闭角度实现扫气能够抑制发动机的超级爆震，但燃油消耗率和CO排放升高．
(3) 较大比例的混合气浓度分层能够抑制超级爆震，但会恶化发动机的排温和燃油消耗率．
(4) 优化的进气行程二次喷射策略能够有效地抑制超级爆震，并且能够保证发动机的燃油消耗率、排气温度以及排放不恶化．
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