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增壓直噴汽油機超級爆燃研究

文檔作者：蘇博浩1，2 王偉1，2 屈偉1，2 孫建軍1，2 趙勇1，2 文檔來源： 1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2026年01月23日
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增壓直噴汽油機超級爆燃研究
蘇博浩1，2 王偉1，2 屈偉1，2 孫建軍1，2 趙勇1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000
2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）
摘要：缸內(nèi)直噴和增壓已成為當(dāng)今汽油機技術(shù)的主流方向，然而，隨著發(fā)動機小型化和動力性的
提高，增壓直噴汽油發(fā)動機出現(xiàn)了一種新的異常燃燒現(xiàn)象———超級爆燃，其嚴(yán)重影響著發(fā)動機性能
和使用壽命。根據(jù)國內(nèi)外超級爆燃的研究現(xiàn)狀，在典型增壓直噴汽油機上對不同的超級爆燃抑制方
法進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：加濃、二次噴射、冷型火花塞都能夠抑制超級爆燃。
關(guān)鍵詞：超級爆燃加濃二次噴射冷型火花塞
中圖分類號：TK411 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-8234（2014）04-0029-06
砸esearch of Super Knock in Turbocharged
GDI Gasoline Engine
Su Bohao1，2，WangWei1，2，QuWei1，2，Sun Jianjun1，2，Zhao Yong1，2
1- Technical Center，Great Wall Motor Company Limited（Baoding，Hebei，071000，China）
2- Hebei Automobile Engineering Technology&amp;amp;Research Center Abstract：Gasoline direct injection and turbocharging have become the main trend in gasoline engine
technology. However，while engines are prone to be downsized and to output higher power，a new abnormal
phenomenon，known as pre-ignition or super knock，occurs in turbochared GDI engine，which has a severe
influence on engine performance and service life. Based on the current researches on pre-ignition domestic
and overseas，this paper studies the different suppression strategies for the super-knock. Study shows that
mixture enrichment，double injection，cold spark plug could suppress the super-knock. Keywords：Super-knock，Mixture enrichment，Double injection，Cold spark plug，Lubricating
作者簡介：蘇博浩（1988-），男，工學(xué)學(xué)士，主要從事整機及電控系統(tǒng)開發(fā)與研究。
引言
缸內(nèi)汽油直噴（GDI）結(jié)合可變氣門正時以及廢
氣渦輪增壓技術(shù)，既可以實現(xiàn)發(fā)動機的輕量化，又能
大幅提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟(jì)性，因此，增壓直噴
汽油機目前已經(jīng)成為研發(fā)的主流。但是，隨著發(fā)動機
性能的顯著提升，高增壓直噴汽油機出現(xiàn)新的爆燃
模式———超級爆燃（低速早燃）。早燃是火花塞點火
之前缸內(nèi)出現(xiàn)的異常燃燒現(xiàn)象，發(fā)生早燃時，燃燒室
內(nèi)火焰前鋒傳播速度極快，缸內(nèi)壓力和溫度急劇上
升，并伴隨劇烈的壓力波動與極大的噪聲，隨機單次
或連續(xù)出現(xiàn)，推遲點火也無法避免，早燃產(chǎn)生的超級
爆燃比常規(guī)爆燃更加具有破壞性。其產(chǎn)生機理目前
仍不十分明確，雖不能完全排除，也可以通過改變控
制策略加以抑制。
本文在一臺增壓直噴汽油機上進(jìn)行臺架試驗，
通過混合氣加濃、二次噴射和降低火花塞熱值方法，
對超級爆燃現(xiàn)象進(jìn)行了試驗研究。
1 試驗裝置
試驗發(fā)動機為3.0 L增壓缸內(nèi)直噴汽油機，其主
要技術(shù)參數(shù)見表1。供油系統(tǒng)為Bosch HDP5高壓共
軌系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力為20 MPa。燃燒系統(tǒng)采用中置式
噴油器，應(yīng)用均質(zhì)燃燒模式。
小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)
SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE TECHNIQUE
第43卷第4期
圓園14 年8 月Vol. 43 No. 4
Aug. 2014
小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)第43 卷
表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)
試驗在配置有冷卻水恒溫系統(tǒng)和燃油恒溫系統(tǒng)
的AVL 電力測功機試驗臺上進(jìn)行，發(fā)動機進(jìn)排氣
側(cè)、冷卻系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)均安裝有壓力和溫度傳感
器，試驗設(shè)備見圖員。試驗過程中，INCA5.4 通過
ETAS ES590 連接ECU 來調(diào)節(jié)發(fā)動機參數(shù)；燃油消
耗量由AVL735S油耗儀測量；排氣空燃比由Lambda
（寬域氧）傳感器和ETAS ES630 空燃比測量儀測量；
煙度由AVL S415全自動濾紙式煙度計測量，單位為
FSN。
為了測試超級爆燃，發(fā)動機的6 個氣缸均安裝
有缸壓傳感器，缸壓信號通過AVL-Indicom燃燒分
析儀處理和計算后，在與Indicom 相連的PC 上顯示
缸壓曲線。
2 超級爆燃及測試
2.1 超級爆燃現(xiàn)象的表現(xiàn)特征
圖2 示出了發(fā)動機在1500r/min 全負(fù)荷工況時
用燃燒分析儀測量的氣缸壓力。由圖中可以看出，
員缸、3 缸、4 缸、5 缸和6 缸的缸壓呈現(xiàn)雙峰，分別為
上止點時的壓縮峰和上止點后火花點燃的燃燒峰。
第2缸的缸內(nèi)壓力異常偏高，達(dá)到正常燃燒缸壓的3
倍，在點火角之前缸內(nèi)壓力開始明顯上升，之后便出
現(xiàn)劇烈振蕩。由此可以斷定，在火花塞點火之前，缸
內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了超級爆燃現(xiàn)象。
對于增壓汽油機來講，超級爆震發(fā)生在低速（小
于2000r/min）大負(fù)荷工況（大于12 MPa BMEP）如圖
3 所示，低速早燃成為制約發(fā)動機小型化和提高熱效
率的主要因素。與傳統(tǒng)的汽油機爆燃不同，超級爆燃
具有“間歇性發(fā)生”這一典型特征，并在多次重復(fù)發(fā)
生過程中表現(xiàn)為著火越來越早而缸內(nèi)最高燃燒壓力
越來越高。增壓直噴汽油機的超級爆燃無法通過推
遲點火時刻來控制。研究表明：發(fā)生超級爆燃時的著
火位置并不固定，而是出現(xiàn)在缸內(nèi)多處不同的地方。
2.2 測試方法
超級爆燃具有隨機偶發(fā)性，通常采用統(tǒng)計法來
量化頻次。為了確保超級爆燃頻次統(tǒng)計的可靠性，必
須采集大量燃燒事件的樣本。本試驗采用BOSCH公
司推薦的早燃接受標(biāo)準(zhǔn)5伊10-6。
1）清除積碳
首先將發(fā)動機轉(zhuǎn)速設(shè)定為標(biāo)定轉(zhuǎn)速的60%，負(fù)
荷為最大扭矩的60%，且保證此時空燃比為14.7，點
火角調(diào)至有輕微爆燃的臨界角度，在此工況點下運
行1 h，保證有充足的時間清除缸內(nèi)的積碳。
2）試驗工況
在完成清除積碳后，將工況點切換為該機型所
需要驗證的工況點，工況點選在外特性最大扭矩的
項目參數(shù)
發(fā)動機型式直列6 缸
缸徑伊行程/（mm伊mm） 83伊93
排量/L 3.0
壓縮比10.0
噴油器電磁線圈驅(qū)動多孔式
增壓器單流道雙并聯(lián)渦輪增壓
中冷器臺架水冷
配氣系統(tǒng)DOHC/進(jìn)排氣VVT
圖1 試驗設(shè)備布置
燃燒分析儀
測功機
油耗儀
測功機控制柜
汽油
水冷中冷器
20
16
12
840
-360 -260 -160 -60 40 140 240 340
火花塞點火
第1、3、4、5、6 缸
正常燃燒
第2 缸超級爆燃
PPCCLLYY12 PPCCLLYY34 PPCCLLYY56
曲軸轉(zhuǎn)角/毅CA
圖2 超級爆燃與普通缸壓曲線比較
圖3 超級爆燃常發(fā)區(qū)域
轉(zhuǎn)速/（r·min-1）
超級爆燃區(qū)域
30
第4 期
第一個轉(zhuǎn)速點運行百萬個燃燒循環(huán)。當(dāng)出現(xiàn)超級爆
燃現(xiàn)象，并記錄此循環(huán)前后各50組燃燒數(shù)據(jù)進(jìn)行處
理，形成基于角度的缸壓曲線。
3 試驗過程及結(jié)果分析
3.1 加濃混合氣抑制超級爆燃
不同空燃比下3 次試驗的超級爆燃平均發(fā)生次
數(shù)如圖4所示，當(dāng)發(fā)動機混合氣不斷加濃時，3 次試
驗超級爆燃發(fā)生的平均次數(shù)不斷降低。發(fā)動機空燃
比從14.7降低到12，在3 次試驗中發(fā)生超級爆燃的
平均次數(shù)從22 次降低到了4。說明加濃混合氣能夠
有效地抑制超級爆燃。
加濃能夠抑制超級爆燃的原因主要在于含有更
多燃油的混合氣的絕熱指數(shù)k 減小。根據(jù)絕熱等熵
公式得：
T1/T2 =（V2/V1）k = 著k （1）
式中：T1—壓縮終了的混合氣溫度；
T2—壓縮始點的混合氣溫度；
V1—壓縮終了的燃燒室體積；
V2—壓縮始點的燃燒室體積；
著—壓縮比。
可以看出，當(dāng)k 值減小時，發(fā)動機壓縮終了的混
合氣溫度降低，發(fā)動機內(nèi)熱點比較難達(dá)到其自燃溫
度，抑制了超級爆燃。
同時采用chemkin 軟件建立絕熱壓縮模型，改
變發(fā)動機缸內(nèi)混合氣的空燃比，計算得到發(fā)動機壓
縮終了溫度（如圖5 所示）?？杖急冉档偷?2，混合氣
在壓縮終了的溫度降低了約12益，熱點不容易自燃，
超級爆燃發(fā)生概率降低。
可見，加濃混合氣是一種有效抑制超級爆燃的
方法，但大大損失了燃油經(jīng)濟(jì)性。另外，由于現(xiàn)代汽
油機中都采用成熟的三效催化劑來降低排溫，而三
效催化劑高效轉(zhuǎn)化效率集中于理論空燃比附近的狹
窄區(qū)間，利用加濃混合氣來抑制超級爆燃還會使發(fā)
動機排放惡化，CO排放高達(dá)50伊10-3 以上。因此，加
濃混合氣抑制超級爆燃不是最佳的解決方案。
3.2 二次噴射抑制超級爆燃
二次噴射（主噴垣后噴）中主噴將沿用單次噴油
時的相位，因此，在驗證二次噴射對超級爆燃影響之
前，必須優(yōu)化發(fā)動機單次噴射的噴油相位。優(yōu)化二次
噴射工作分為兩步：首先選擇二次噴射中后噴的最
佳截止相位，其次是優(yōu)化二次噴射中后噴的噴油
比例。
優(yōu)化單次噴射噴油相位就是選擇最佳進(jìn)氣行程
噴油起始相位。系統(tǒng)軟件設(shè)定單次噴射相位參考點
為發(fā)動機排氣上止點，從參考點到噴油開始的角度
設(shè)定為噴油起始相位。依據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷設(shè)定掃描工
況點，在相應(yīng)工況確定噴油相位，盡量避免燃油在排
氣VVT打開時噴射，防止部分燃油從燃燒室掃到排
氣管，導(dǎo)致排氣管溫度升高和燃油消耗率增加。試驗
設(shè)定單次噴油起始相位掃點范圍260毅CA~320毅CA，
步長10毅CA。根據(jù)煙度FSN 兼顧AI50、爆燃強度
吟KP_PK伊1 000/speed、燃燒波動率Cov%，確定最終
單次噴射的噴油起始相位。
二次噴射中主噴相位沿用單次噴射起始相位，
后噴相位參考點為發(fā)動機壓縮上止點，從參考點到
噴油結(jié)束的角度設(shè)定為噴油截止相位點。后噴相位
優(yōu)化范圍為60毅CA~120毅CA，步長10毅CA。由于后噴
燃油比例過大會使燃油不能完全霧化，導(dǎo)致燃油消
耗增加、排放惡化，為此，先將主噴比例設(shè)置80%和
70%，確定最優(yōu)相位方法同單次噴射。下面以優(yōu)化二
次噴射比例和二次噴射相位為例進(jìn)行超級爆燃驗證
（如表2、表3所示）。
記錄30 s，取平均值，試驗結(jié)果以優(yōu)化EOI為例
（如圖6~圖9所示）。
選取原則：
原則上煙度、AI50、燃燒波動、爆燃強度值越小
越好；
25
20
15
10
5
0 14.7 13.5 12
22
14
4
空燃比
圖4 不同空燃比超級爆燃頻次
圖5 壓縮終了溫度隨空燃比的變化
650
645
640
635
630
625 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.7
空燃比
蘇博浩等：增壓直噴汽油機超級爆燃研究31
小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)第43 卷
表2 二次噴射優(yōu)化步驟從圖6 可以看出，煙度值具有相似的變換趨勢，
隨著二次噴射截止相位的增大，煙度逐漸減小，隨后
又有增大趨勢，主噴比例80%煙度最小值對應(yīng)的二
次噴射結(jié)束角是100毅CA，主噴比例70%煙度最小值
對應(yīng)的二次噴射結(jié)束角90毅CA；
AI50越大燃燒越滯后，高溫持續(xù)時間長，為下一
燃燒循環(huán)創(chuàng)造了早燃條件。從圖7 可以看出主噴比
例70%整體好于80%，在結(jié)束角70毅CA時達(dá)到最??；
燃燒波動率：由燃燒分析儀測量的缸內(nèi)平均有
效壓力循環(huán)波動率，值越小說明燃燒越穩(wěn)定；
爆燃強度值也可以反映燃燒波動情況，一般情
況在1 到1.5 范圍之內(nèi)或越靠近此范圍越好；
依據(jù)煙度、AI50、燃燒波動和爆燃強度值最小原
則，綜合對比確定噴射比例為80/20，二次噴射結(jié)束
相位為100毅CA。
基于上述選取原則優(yōu)化二次噴射（噴油相位、噴
油比例）后，將經(jīng)過插值處理的噴油相位及后噴比例
數(shù)據(jù)導(dǎo)入ECU 查詢表。結(jié)合上述測試方法，在發(fā)動
機轉(zhuǎn)速為1500 r/min 工況點分別采集每1 h發(fā)生的
超級爆燃頻次數(shù)據(jù)，平均計算后，與單次噴射時的情
況進(jìn)行對比。結(jié)果表明，采用二次噴射后，超級爆燃
的頻次降低幅度大于66豫，這說明二次噴射對超級
爆震有明顯的抑制效果，如圖10所示。
3.3 降低火花塞熱值
當(dāng)火花塞絕緣體小頭或電極溫度超過一定值
時，過熱的絕緣體表面、電極或絕緣體與電極表面的
沉積物可能會引起混合物的自燃。不同型號的火花
塞有不同的熱值，不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)動機燃燒室內(nèi)
的熱負(fù)荷也有很大的差別。低熱值火花塞，不能自潔
而積炭。高熱值火花塞，容易產(chǎn)生早燃，即超級爆燃。
基于發(fā)動機早燃問題，可以采取降低熱值的設(shè)
SOI/毅CA 260~330 最佳最佳
EOI/毅CA — 60~120 60~120
1 噴射/% 100 80 70
2 噴射/% 0 20 30
表3 數(shù)據(jù)記錄
燃燒分析儀ECU 試驗臺架
AI50 SOI FSN
吟kp_pk伊1000/speed EOI 其它
圖8 不同噴射比例在不同EOI對應(yīng)的Cov%
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0 60 70 80 90 100 110 120
FOI/毅CA
80/20
70/30
圖9 不同噴射比例在不同EOI 對應(yīng)的爆燃強度
4
3
2
1
0 60 70 80 90 100 110 120
FOI/毅CA
80/20
70/30
圖6 不同噴射比例在不同EOI對應(yīng)的煙度
0.8
0.6
0.4
0.2
0 60 70 80 90 100 110 120
FOI/毅CA
80/20
70/30
圖7 不同噴射比例在不同EOI對應(yīng)的AI50
60 70 80 90 100 110 120
FOI/毅CA
圖10 不同負(fù)荷單次與二次噴射超級爆震頻次
單次噴射
14 二次噴射
12
10
86420
1500/380 1500/400
轉(zhuǎn)速/（r·min-1）扭矩/（N·m）
26.5
26.0
25.5
24.5
24.0
23.5
80/20
70/30
32
第4 期
計，熱型火花塞吸熱表面大，傳熱路徑長；冷型火花
塞吸熱表面小，傳熱路徑短。減少鼻端陶瓷體長度，
縮短了散熱路徑即降低了熱值。降低熱值可以保證
發(fā)動機缸內(nèi)所有零部件不存在提前點火，并且能有
很好的散熱功能保證電極溫度在合理范圍內(nèi)。同時
采取陶瓷體鼻端傘棱設(shè)計保證了低溫積碳問題。
從圖11 可以看出，隨著功率的增加電極的溫度
也在升高，但是，低熱值火花塞的溫度在所有工況范
圍內(nèi)都低于自凈溫度500 益，中等熱值火花塞的工
作溫度在900 益以下，而高熱值火花塞在高負(fù)荷時
溫度超過了正常工作范圍。
下面通過火花塞溫度測量和離子流測量來確定
合適的火花塞熱值。
后火率的大小與火花塞熱值有關(guān)。一般來講，熱
值越大（博世標(biāo)準(zhǔn)），火花塞工作時的溫度越高，產(chǎn)生
后火的幾率也越高。圖12是不同熱值火花塞在同一
缸后火率的對比圖。依照此圖再按照一定規(guī)則就可
以判斷哪種熱值火花塞更適合與發(fā)動機匹配。按照
博世的規(guī)定，后火率不大于40%及比產(chǎn)生早火的火
花塞低2 個熱值檔次的熱值比較合適，因此圖中
FR7DE即可被推薦使用在被測試的發(fā)動機上。如圖
13 所示為后火率不滿足標(biāo)準(zhǔn)的FR8DE 和滿足標(biāo)準(zhǔn)
的FR7DE 超級爆燃次數(shù)對比。
4 結(jié)論
1）加濃混合氣是一種有效抑制超級爆燃的方
法，但發(fā)動機的燃油消耗率和CO排放大幅升高。因
此加濃混合氣抑制超級爆燃不是最佳的解決方案。
2）采用二次噴射方式，基于煙度最小等原則選
擇噴油相位和噴油比例，對比兩種噴油方式下超級
爆燃頻次，試驗結(jié)果表明：
葬）選擇適當(dāng)?shù)亩螄娚鋰娪拖辔缓蛧娪捅壤?
以降低發(fā)動機煙度，煙度下降幅度可以達(dá)到40%以
上；
遭）采用二次噴射后，超級爆燃頻次明顯降低，降
低幅度可以達(dá)到55%；
糟）通過減少煙度可抑制超級爆燃的發(fā)生。
3）降低火花塞熱值同時采取陶瓷體鼻端傘棱設(shè)
計保證了低溫積碳問題，可以有效抑制超級爆燃發(fā)生。
參考文獻(xiàn)
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工大學(xué)出版社，2002
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3 李元平，平銀生，尹琪援增壓缸內(nèi)直噴汽油機早燃及超級
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highly boosted SI engine-the occurrence of super knock[砸]援
SAE Paper 2012-01-1141
圖12 不同熱值火花塞在同一缸的后火率
100
80
60
40
20
0 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 5 000 5 500
FR6DE
FR7DE
FR8DE
FR9DE
FR10DE
發(fā)動機轉(zhuǎn)速/（r·min-1）
早火
圖11 不同火花塞熱值在同一發(fā)動機內(nèi)的工作溫度
1 600
1 400
1 200
1 000
800
600
400
200
00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
發(fā)動機輸出功率/%
高熱值
中熱值
低熱值
圖13 不同熱值超級爆燃頻次
14
12
10
86420
1500/400
轉(zhuǎn)速/（r·min-1）扭矩/（N·m）
（下轉(zhuǎn)第63 頁）
蘇博浩等：增壓直噴汽油機超級爆燃研究33
第4 期
（上接第33 頁）
5 結(jié)論
1）采用蒙特卡羅法編寫了發(fā)動機壓縮比統(tǒng)計公
差分析程序，基于壓縮比各相關(guān)尺寸設(shè)計范圍，可快
速有效地對壓縮比公差進(jìn)行多種統(tǒng)計分析，得到理
論最佳和最差的壓縮比公差范圍。并可基于實際尺
寸鏈抽樣檢測樣本，對生產(chǎn)過程中壓縮比實際公差
進(jìn)行評估。
2）基于蒙特卡羅法，采用正態(tài)抽樣計算理論最
佳壓縮比公差時，不同置信率下獲得的壓縮比公差
幾乎相等；而采用平均抽樣計算理論最差壓縮比公
差時，對研究機型而言，置信率為99.99%時的壓縮
比公差和采用極值法獲得的壓縮比公差接近。
3）對壓縮比公差控制而言，燃燒室容積偏差的
控制最為關(guān)鍵。對研究機型而言，其公差對壓縮比公
差的影響達(dá)到35%，而實際生產(chǎn)過程中，由于燃燒室
容積散差較大，其對壓縮比實際公差的影響更大。
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