发动机早燃概述及控制
发布时间:2022-12-07 09:47:02 来源:我的引擎 作者:我的引擎
早燃的基本概念
增压发动机能够在不增加发动机排量的情况下，实现较高的平均有效压力，这能够显著提升车辆的动力性。但所面临的挑战是如何降低随之而来的早燃倾向。由于早燃是在火花塞点火之前混合气满足自燃条件所产生的。因此不同于普通爆震，推迟点火角无法抑制早燃的发生。下图1为不同燃烧类型的缸内压力信号。
可以看出早燃发生时缸内的压力在点火时刻之前就开始急剧升高，并在燃烧室内产生强烈的压力震荡波。
早燃的危害
早燃往往会引起超级爆震，产生较强的压力波，对发动机内各零部件会造成较大的应力冲击，严重时强度较大的连续早燃会使火花塞陶瓷体，活塞及活塞环，排气门，喷油器等零部件的损害。下图为典型的发动机零部件由于早燃频繁导致的失效案例。
如果燃烧室内的零部件损坏还可能进一步引起发动机外围零部件如轴承，连杆等的损坏。因此，应该尽量减少早燃出现的频次，降低发动机各部件的损害风险。
早燃产生的机理
早燃产生的机理众说纷纭，但被普遍接受的几种观点通常有：
机油液滴和沉积物
由曲轴箱通风进入燃烧室的机油颗粒是诱发早燃的一部分原因；燃烧室内的机油沉淀物，一部分会脱离缸盖或活塞顶，悬浮在燃烧室内。由于其自身热容较高，且没有较为理想的散热条件，在随后的换气过程会维持表面相对较高的温度。这些颗粒物可能会成为前期早燃诱发的源头。通常机油进入燃烧室的途径有：（a）非正常的曲轴箱通风系统“窜油”；（b）通过气门导管渗漏，缸壁刮入。
热点（燃烧室内的受热零部件）
发动机在全负荷运行时，燃烧室内的各零部件承受较高的热负荷，这使得混合气达到自燃温度。热负荷较高的零部件通常为：火花塞，排气门，活塞等。
缸内的燃烧动力学
缸内的滞留废气和回流废气对后续的燃烧有不利的影响，一方面影响充量的压力和温度，另一方面这些废气中包括一些活性元素，这些活性元素对燃烧动力学有很大影响，使得正常燃烧火焰没有足够的时间到燃烧室各处，早燃倾向增加。
影响早燃倾向的因素
影响早燃倾向的原因有很多，大体可分为：发动机结构，燃油因素和发动机控制。如下图所示：
这些影响因素归根结底，都是产生了对诱发早燃的有利的结果。如：发动机燃烧室的设计会影响缸内热点的分布（如鼻梁区附近的热负荷），使缸内热应力增大；燃油中所含有的不同HC组分，促使缸内形成较多的长碳链，这些较为稳定的长碳链化合物，无法在燃烧中消除，沉积在燃烧室内会形成热点。
降低早燃倾向的根本措施和手段往往要从发动机的结构设计优化出发，减少缸内热点。这需要在发动机前期开发阶段就进行设计相关的优化，如：
加装活塞冷却喷嘴，降低活塞表面的热负荷，减少活塞表面形成热点的可能性；
选热值较低的火花塞，增大火花塞自身的散热，降低火花塞电极间形成热点的可能性；
采用较高耐热强度的气门材料，减少气门（进，排气门都有可能）处形成热点；
优化进气系统的结构设计，减少进入缸内杂质颗粒物出现，这类颗粒物可能附着在缸内形成炙热点；
优化中冷器结构，降低发动机进气温度；
优化发动机冷却系统，降低发动机冷却液温度。
早燃控制策略
早燃控制正常起作用的情况下，EMS系统实时检测爆震传感器的信号，并计算出早燃强度用于早燃识别。系统识别到早燃后，需要通过合理的方式避免后续可能的早燃发生，达到保护发动机的目的。一般识别到早燃后采取的控制方式有：（1）混合气加浓（2）减小气门重叠角（3）限制负荷（4）断油。在识别到早燃后的控制策略上不能采取较为激进的方式（如立即断油等），这会带来较差的驾驶感受。因此，需要平衡发动机保护和驾驶性，找到合适的控制方式。
混合气加浓
系统识别到早燃后，会选择加浓混合气，降低缸内温度，抑制后续早燃出现。通常识别到早燃后加浓混合气到空燃比为0.75~0.8，混合气太稀达不到抑制早燃的目的，混合气太浓油耗会更恶化。偏浓的混合气持续约10~15s。
减小气门重叠角
系统识别到早燃次数超过VVT动作的阀值会触发VVT往气门重叠角减小的方向移动，此目的是为了减小缸内残余废气，降低早燃倾向。对于带扫气项目，减小其门重叠角也是为了防止催化器温度升高。VVT在没有气门重叠角下持续时间应大于混合气加浓的持续时间。
限制缸内最大充量
减小缸内最大充量可以降低缸内温度，降低早燃倾向。通常设置成与减小气门重叠角相同的开启阀值，避免出现压力超调。负面结果是影响动力性，使加速性能变差。
断油控制
当早燃倾向特别严重时，加浓混合气，限制缸内充量都无法有效抑制早燃出现，为了快速保护发动机，需要采取更为紧急的保护方式。即直接对早燃较多的气缸采取断油控制。断油控制对驾驶性的影响最大，因此断油控制的开启阀值相对较高。
