早燃对汽油机的影响及早燃控制措施

马俊杰 史程中 成海元 尹建东 沈 源 王瑞平

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

汽油机早燃是指在火花塞点火之前，混合气已被燃烧室内的炽热点点燃而提前燃烧的现象。随着油耗和排放标准的不断加严，汽油机逐步向小型化发展[1]。为了保持动力性，小型化常常伴随着高增压，使得汽油机在点火前缸内压力和温度都大幅升高，从而为早燃创造了必要条件。早燃是一种常见的非正常燃烧现象，经常出现在发动机低速大负荷工况，故也被称之为低速早燃（LSPI）。但是早燃不仅出现在低速大负荷工况，在一些瞬态工况和高速大负荷工况也会偶发早燃。本文主要研究了早燃对汽油机的危害及控制早燃的有效措施。

早燃发生时，缸内爆发压力会大幅升高，且伴随着高频振荡，会对火花塞、喷油器、活塞、气门等造成危害。而燃油属性、机油组分[2]、喷油策略、积碳等众多因素都会影响早燃频次，这些因素对早燃的影响机理和影响幅度以及控制早燃的措施是本文的研究内容。

1.1 发动机基本信息

本文的研究基于某1.0 L 3 缸增压直喷汽油发动机，表1 为该发动机的主要参数。

表1 发动机基本参数

1.2 试验方法

本试验的主要目的是研究发动机在经历多次早燃后，各个零部件的变化情况。由于早燃的随机性，为了提高试验效率，采用手动创造早燃的试验方法，具体操作如下：采用发动机标定数据，使发动机平稳运行在2 000 r/min、2.2 MPa（200 N·m）工况，通过手动将点火提前角加大10°CA，火花塞提前点火，使发动机发生早燃。手动触发早燃时，发动机的气缸压力及爆震强度和随机早燃相同，甚至大于随机早燃。试验证明，该方法90%的几率会使发动机触发早燃。

图1 和图2 分别为采用手动触发早燃和随机早燃的气缸压力pcyl和爆震指数KPPK 曲线对比。其中，KPPK 是评价爆震强度的参数，如果某一循环（cycle）的KPPK 突然升高，代表发生了一次早燃。

图1 手动触发早燃的气缸压力及KPPK

从图1 和图2 可以看出，采用手动触发早燃，发动机的最大爆发压力pmax=15.8 MPa、爆震指数KPPK=4.8 MPa，均高于随机早燃的pmax=14.5 MPa、KPPK=4.3 MPa[3]，而且可以触发ECU（发动机电子控制单元）的加浓保护。因此，用手动触发早燃方法来近似模拟早燃的危害是合理的。

图2 随机早燃的气缸压力及KPPK

在发动机的生命周期内，单缸最多会发生600次早燃。为了验证单缸600 次早燃对发动机造成的损害，本文重点研究了发动机单缸发生600 次早燃即单个火花塞经历600 次早燃后的状况。试验用火花塞采用2 种：普通火花塞和金具突出火花塞。

1.3 试验结果

试验时，采用2 种火花塞，通过手动触发早燃，使发动机单缸发生600 次早燃，单个火花塞经历600次早燃，使发动机累计发生1 800 次早燃。发动机性能试验结果如图3 所示。

从图3 可以看出，发动机累计发生1 800 次早燃、单个普通火花塞经历600 次早燃后，发动机的高速油耗升高20 g，低速油耗升高8 g，平均油耗升高了5%，高速转矩下降3 N·m，下降了2%。发动机累计发生1 800 次早燃、单个金具突出火花塞经历600次早燃后，发动机性能几乎没有降低。试验表明，金具突出火花塞抵抗早燃冲击的能力更强。

图3 发生不同早燃次数后发动机转矩和油耗变化

ECU 检测到早燃后，首先发出“加浓”指令来抑制早燃，如果加浓后，发动机仍然发生早燃，ECU 会采取“限制转矩”措施来抑制早燃。通过加浓控制住的早燃叫“单次早燃”，这种早燃次数叫“早燃次数（加浓）”；
如果加浓没有控制住第一次早燃，会继续发生第二次早燃，最后通过限制转矩才控制住，这种早燃叫“连续早燃”，相应的早燃次数叫“早燃次数（限制转矩）”。

单个普通火花塞和单个金具突出火花塞经历600 次早燃后发动机的转速波动情况分别如图4 和图5 所示。

图4 单个普通火花塞经历600 次早燃后转速波动情况

图5 单个金具突出火花塞经历600 次早燃后转速波动情况

从图4 可以看出，采用普通火花塞时，在单次早燃（加浓，图中黑线）的情况下，会出现转速下降的现象；
从图5 可以看出，采用金具突出火花塞时，仅在连续早燃（限制转矩，图中白线）时才有转速明显下降的现象。这同样可以证明，在发生早燃后，金具突出火花塞的稳定性比普通火花塞好。随后拆下火花塞，可以看到普通火花塞有轻微裂纹。

1.4 发动机拆解结果

拆机结果显示，除了活塞环积碳较多之外，缸套网纹清晰无异常，2 种火花塞均无明显异常，燃烧系统正常。

尽管发动机经历了多达1 800 次的早燃冲击仍然能保持良好的状态。但是，早燃次数依旧应该减少。

2.1 早燃工况

早燃主要发生在低速大负荷工况[4]，本文针对试验用发动机的特点，选取2 000 r/min、200 N·m 作为试验工况，试验时间定为2 h，为了保证各个早燃控制措施具有可比性，试验边界控制完全相同，包括试验前在转速为3 000 r/min、BMEP 为1.6 MPa 的工况运行30 min 后清积碳。

2.2 试验结果对比

整个试验对比了清积碳与否、不同冷却水温度、不同燃油喷射策略、不同机油劣化程度、是否为抗早燃机油以及混合气是否加浓（过量空气系数是否小于1）对早燃次数的影响，

2.2.1 清积碳对早燃次数的影响

图6 为清积碳对1 次喷射早燃次数的影响，图7为清积碳对3 次喷射早燃次数的影响。

图6 清积碳对1 次喷射早燃次数的影响

图7 清积碳对3 次喷射早燃次数的影响

发动机积碳增多后，燃烧室热点增多，为早燃提供了必要条件。图6 和图7 的试验结果显示，清积碳可以有效减少早燃次数。而燃油喷射策略不同，清积碳后，早燃次数减少幅度不同。从图6 可以看出，1 次喷射，清积碳后，早燃次数减少35%；
从图7 可以看出，3 次喷射，清积碳后，早燃次数减少26%。

2.2.2 冷却水温度对早燃次数的影响

图8 为冷却水温度对早燃次数影响。

图8 的试验结果显示，大幅降低冷却水温度可以有效减少早燃次数，但冷却水温度对早燃次数的影响并非线性。原因是适当升高冷却水温度，缸内燃油雾化效果更好，燃烧速度更快，反而有利于减少早燃次数[5]。

图8 冷却水温度对早燃次数的影响

2.2.3 燃油喷射策略对早燃次数的影响

本次试验共使用了4 种燃油喷射策略，分别是1次喷射、2 次喷射、3 次喷射2 种（3.1：喷射比例为4 ∶4 ∶2，3.2：喷射比例为2 ∶7 ∶1，详细策略见表2）。

图9 为燃油喷射策略对比示意图，图10 为燃油喷射策略对早燃次数的影响。

图9 燃油喷射策略对比示意图

图10 燃油喷射策略对早燃次数影响

图10 的试验结果显示，2 次喷射可以有效减少早燃次数，3 次喷射策略1 由于第1 次喷油时刻过早，早燃次数大幅增加，推迟第1 次喷油时刻，即采用3 次喷射策略2 后，早燃次数明显减少，但仍然处于较多的水平。

2.2.4 机油劣化及机油抗早燃性对早燃次数的影响

机油在长时间使用后会发生劣化，因此会导致早燃。图11 为新旧机油对早燃的影响对比，图12 为机油抗早燃性对早燃次数的影响。

图11 的试验结果显示，机油劣化后，早燃次数增多33%。图12 的试验结果显示，使用含钙量低的抗早燃机油后，早燃次数明显减少。本试验采用抗早燃机油5W30 后，已经没有早燃发生，多次重复试验，结果一样，证明抗早燃机油对减少早燃次数有明显作用。

图11 新旧机油对早燃的影响对比

图12 机油抗早燃性对早燃次数的影响

2.2.5 混合气加浓对早燃次数的影响

混合气加浓可以有效降低缸内温度，从而抑制早燃发生。图13 为混合气加浓对早燃次数的影响。

图13 混合气加浓对早燃次数的影响

图13 的试验结果显示，混合气加浓至过量空气系数为0.85 时，早燃没有发生。

不同早燃控制措施对早燃的控制效果汇总见表2。

表2 不同早燃措施对早燃的控制效果汇总

综上所述，使用抗早燃机油和混合气加浓可以大幅减少早燃发生频次，是目前普遍采用的控制早燃技术；
清积碳和使用新机油也可以一定程度减少早燃次数，但这需要驾驶员有良好的驾驶习惯并按时保养；
燃油喷射策略对早燃有很大影响，通过调整喷射策略来减少早燃次数有很大的潜力；
将发动机冷却水温度降低到60 ℃也可以减少早燃次数，但是目前该技术很难实现。

1）早燃是高增压汽油机普遍存在的一种非正常燃烧现象，本试验采用的某1.0 L 3 缸增压直喷汽油发动机单缸发生600 次早燃，单个火花塞经历600次早燃，发动机累计发生1 800 次早燃后，发动机的动力性和经济性略有下降，整个燃烧系统无明显异常。

2）金具突出火花塞抵抗早燃的能力更强，更适用于早燃严重的燃烧系统及由于早燃引起的火花塞容易失效的发动机。

3）目前，抑制早燃最有效的措施是采用抗早燃机油和混合气加浓。而抗早燃机油最重要的添加剂是钙，减少钙含量，可以有效减少早燃频次。另外，燃油喷射策略、清积碳、机油劣化及冷却水温度对早燃也有不同程度的影响。合理的喷射策略对减少早燃次数有很大的潜力，但喷油过早不利于抑制早燃；
清积碳可以有效减少早燃次数；
机油劣化后早燃频次会增加，按时保养可以有效减小早燃对发动机的损害。