CN106150660B - 一种抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法，在当前功率小于参考功率时采用高水温冷却发动机，提高滞留在进气道壁面上的液体润滑油颗粒的蒸发性。并在发生提前点火时，将发动机的部分高温排气以废气再循环的方式与增压器压缩机输出的压缩空气一同输送至进气歧管，提高整体进气的瞬态温度，使滞留在进气道壁面和进气门盘壁面上的润滑油颗粒迅速蒸发，并使悬浮在进气中的润滑油颗粒加速汽化。此外，该方法在当前过量空气系数大于参考过量空气系数时增大发动机的喷油系统的喷油量，将当前过量空气系数调整至参考过量空气系数，减弱利用EGR对发动机的进气道清洁时产生的瞬态动力输出下降及高温进气对常规可控爆震强度的影响。

Description

一种抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法。

背景技术

缸内直喷和增压技术是使汽油机小型化的一种有效方法，由于均质计量混合气燃烧可以采用成熟的三元催化后处理技术，这种燃烧模式被广泛地应用于小型直喷增压汽油机。

采用这种燃烧模式的发动机在低速高增压工况会遇到一种由进入气缸的润滑油引发的提前点火导致的强烈爆震现象，其压力震荡的峰值可达正常燃烧时气缸爆发压力的数量级，因而被称为超级震爆。

鉴于这种不正常燃烧仅发生在直喷增压汽油机的低转速工况，称这种现象低速提前点火或LSPI(low speed pre-ignition)。LSPI主要发生在2500转以下及平均有效压力高于16bar的低速高增压工况，如频繁发生可造成火花塞、排气门、活塞及连杆等发动机零部件失效。由于爆震产生的高频压力波会清理掉附着在燃烧室壁面上的残余润滑油，这种自清洁作用使LSPI具有随机性及不持续性。

如图1至图3所示，LSPI发生的区域和直喷增压汽油机的扫气区相吻合，即发生LSPI的工况进气压力高于排气压力。对直喷增压汽油机，在这个区域曲轴箱通风流量也接近发动机工作范围的最大值。由于直喷增加了燃油对发动机曲轴箱机油的稀释及被稀释的机油挥发性提高，曲轴箱通风再循环携带了可观的润滑油颗粒。发动机在增压模式工作时，曲轴箱通风再循环在增压前被引入进气系统，这使得小颗粒的润滑油得以在经中冷器冷却后聚合成大颗粒，有些大的润滑油颗粒会滞留在进气道壁面及进气门盘背面上。

在低速大负荷工况发动机需借助进气扫气来提高增压压力，滞留在进气道壁面及进气门盘背面上润滑油颗粒可能会随扫气流短路气缸进入排气道。扫气流动携带的部分较大的润滑油颗粒可能会滞留在位于缸盖上的燃烧室壁面上，其很有可能在压缩冲程的高温条件下蒸发并成为点火源，引发破坏力较大的LSPI，如图4和图5所示。

鉴于上述LSPI的破坏力，如何抑制LSPI是开发高增压直喷汽油机必须考虑的问题，也是当前汽车小型化面临的一个挑战。

因此，亟待针对上述技术问题，开发一种抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法，从而通过减少滞留在进气道或燃烧室壁面上的润滑油颗粒，以实现消除低速提前点火的现象。

发明内容

本发明的目的为提供一种抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法，以减少滞留在进气道或燃烧室壁面上的润滑油颗粒，从而消除低速提前点火的现象。

为解决上述技术问题，本发明提供一种抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法，包括如下步骤：

1)检测发动机的当前功率；

2)把发动机在发生低速提前点火上限转速的全负荷功率作为参考功率，比较所述发动机的当前功率与所述发动机的参考功率的大小，若前者小于后者，执行步骤3)；若前者大于后者，执行步骤4)；

3)采用第一水温冷却所述发动机；

4)采用第二水温冷却所述发动机；再执行步骤11)；

11)保持发动机正常运行；

其中，所述第一水温高于第二水温。

采用这种方法，以低速全负荷功率把发动机100冷却水温分为两个区域：由于LSPI发生在小于参考功率的区域，因此在该区域采用较高的第一水温冷却水进行高温冷却，能使进气道具有较高的壁温，提高滞留在进气道壁面上的液体润滑油颗粒的蒸发性，从而消弱低速提前点火发生的可能性，并能够减少该区域发动机100的散热损失。而在大于参考功率的区域采用较低的第二水温冷却水进行低温冷却，能够抑制发动机100的常规爆震，减少因控制爆震对缸内混合气的加浓而引起的发动机100油耗增加。

由此可见，上述方法通过在LSPI发生的区域通过高温冷却蒸发滞留在进气道壁面的液体润滑油，从而起到预防超级爆震的效果。

优选地，所述第一水温的范围为105℃～108℃，所述第二水温的范围为90℃～95℃。

优选地，所述发动机的冷却系统在发动机冷却水进水侧设有电子节温器，步骤3)、步骤4)通过对所述电子节温器的开启温度进行标定而实现。

优选地，在步骤3)之后，还包括如下步骤：

5)检测所述发动机是否发生低速提前点火；若是，执行步骤6)；若否，执行步骤7)；

6)将所述发动机的高温废气的一部分与增压器压缩机输出的压缩空气一同输送至所述发动机的进气歧管；

7)仅将所述增压器压缩机输出的压缩空气输送至所述进气歧管。

优选地，步骤6)具体通过如下方式实现：预设EGR引射器和开关阀，在所述EGR引射器的入口端设置压缩空气入口、套装于所述压缩空气入口内部的EGR入口，在其出口端设有锥形扩压管，并将所述压缩空气入口与所述增压器压缩机出口连接、所述EGR入口与所述发动机的排气歧管连接、所述出口端通过所述开关阀与所述进气歧管连接。

优选地，步骤6)中进入进气歧管的气体温度范围为120℃～150℃。

优选地，在所述步骤6)之后，还包括步骤：

8)检测缸内混合气的当前过量空气系数；

9)比较所述当前过量空气系数、最大功率混合气对应的参考过量空气系数；若前者大于后者，执行步骤10)；若前者等于后者，执行步骤11)；

10)增大所述发动机的喷油系统的喷油量，将所述当前过量空气系数调整至所述参考过量空气系数，并持续运行预设时间段，再执行步骤11)。

附图说明

图1为常见的发生LSPI的发动机转速及负荷区；

图2为直喷增压汽油机全负荷工况下扫气区转速和LSPI区的关系；

图3为直喷增压汽油机曲轴箱通风量和LSPI的关系；

图4为高增压直喷汽油发动机的LSPI引发的超级爆震现象；

图5为超级震爆发生时发动机爆震传感器测得的缸压震荡；

图6为本发明所提供抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法的一种具体实施方式的流程框图；

图7为本发明所涉及的直喷增压汽油机冷却系统的结构示意图；

图8为本发明所涉及将部分高温废气引入进气歧管的具体实施结构图；

图9为图8中EGR引射泵的结构示意图。

其中，图7和图8、图9中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

散热器11；电子节温器12；冷却水进水管13；冷却水泵14；散热器主风扇15；散热器辅助风扇16；水温传感器17；

增压器涡轮机21；增压器压缩机22；中冷器23；节气门24；单向阀25；进气歧管26；EGR引射泵27；压缩空气入口271；EGR入口272；混合器273；扩压器274；引射喷管275；开关阀28；排气歧管29；三元催化器30；氧传感器31；

喷油系统3；

发动机100。

具体实施方式

本发明的核心为提供一种抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法，该方法能减少滞留在进气道或燃烧室壁面上的润滑油颗粒，从而消除低速提前点火的现象。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图6，图6为本发明所提供抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法的一种具体实施方式的流程框图。

在一种具体实施方式中，如图6所示，本发明提供一种抑制直喷增压汽油发动机100低速提前点火的方法，包括如下步骤：

S1：检测发动机100的当前功率；

S2：把发动机在发生低速提前点火上限转速的全负荷功率作为参考功率，比较所述发动机的当前功率与所述发动机的参考功率的大小，若前者小于后者，执行步骤S3；若前者大于后者，执行步骤S4；

S3：采用第一水温冷却所述发动机；

S4：采用第二水温冷却所述发动机；再执行步骤S11；

S11：保持发动机正常运行；

其中，所述第一水温高于第二水温。

采用这种方法，以低速全负荷功率把发动机100冷却水温分为两个区域：由于LSPI发生在小于参考功率的区域，因此在该区域采用较高的第一水温冷却水进行高温冷却，能使进气道具有较高的壁温，提高滞留在进气道壁面上的液体润滑油颗粒的蒸发性，从而消弱了低速提前点火发生的可能性，并能够减少该区域发动机100的散热损失。而在大于参考功率的区域采用较低的第二水温冷却水进行低温冷却，能够抑制发动机100的常规爆震，减少因控制爆震对气缸内混合气的加浓而引起的发动机100油耗增加。

由此可见，上述方法通过在LSPI发生的区域通过高温冷却蒸发滞留在进气道壁面的液体润滑油，从而起到预防超级爆震的效果。需要说明的是，上述低速提前点火上限转速一般为2500转左右，由发动机具体标定决定。

上述第一水温的范围可以为105℃～108℃，上述第二水温的范围可以为90℃～95℃。

经大量实验证明，采用上述第一水温范围既能起到较好的蒸发作用，也由于气缸壁温的提高减少了发动机100的传热损失及降低了缸内燃料蒸汽在缸壁的冷凝，从而提高了燃料的利用效率。

请参考图7，图7为本发明所涉及的直喷增压汽油机冷却系统的结构示意图。

如图7所示，上述发动机100的冷却系统中，开启大循环时，发动机100内的高温冷却水经出水管路流向散热器11，散热器11散热、降温后的冷却水经电子节温器12流至冷却水进水管13，再经冷却水泵14抽取，最终流回发动机100内部进行冷却。小循环时，发动机100内的高温冷却水流经电子节温器12(如图7中虚线方向所示)，再流至冷却水进气管13，再经冷却水泵14抽取，最终流回发动机100内部进行冷却。

具体的方案中，上述方法通过标定电子节温器12的开启温度实现当前功率小于全负荷功率时用第一水温冷却发动机100、当前功率大于全负荷功率时用第二水温冷却发动机100。

采用这种方法，通过对电子节温器12的打开温度进行标定，简单、方便地实现了不同功率情况下不同水温的冷却。具体对电子节温器12的标定过程需根据整车在不同车速及道路条件下散热器、水温控制同步进行。

可以想到，上述控制方法并不仅限对电子节温器12标定来实现不同温度的冷却，还可以通过其他方式来实现。例如，可以通过水温传感器17检测水温，并通过散热器设置的主冷却风扇15和辅助冷却风扇16的开关及转速控制独立地对冷却进水管13的温度控制，当判断当前功率所属区域、进而判断所需冷却水温度后，将控制信号发送给散热器冷却风扇的控制单元，该控制单元比较冷却进水管的当前温度与所需温度选择主辅冷却风扇的开关或转速，调节通过散热器的冷却风量，实现对冷却进水管水温的控制，以使进水冷却水的当前温度达到所需温度。

在一种具体实施方式中，上述方法在步骤S3之后，还包括如下步骤：

S5：检测发动机100是否发生低速提前点火；若是，执行步骤S6；若否，执行步骤S7；

S6：将发动机100的部分高温排气以废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，即EGR)的方式与增压器压缩机22输出的压缩空气一同输送至发动机100的进气歧管26；

S7：仅将增压器压缩机22输出的压缩空气输送至进气歧管26。

由于发动机100的排气通常温度较高，采用上述方法，在检测到LSPI发生后将EGR与压缩空气混合，从而提高整体进气的温度，该瞬态高温进气能使滞留在进气道壁面和进气门盘壁面上的润滑油颗粒迅速蒸发，并能使悬浮在进气中的润滑油颗粒加速汽化，从而使其难以在发动机100扫气时以液体形式附着在燃烧室壁面上。同时，将EGR混入进气能对进气氧浓度进行稀释，对进气氧浓度的稀释能使提前点火即使发生也因时间太迟难以引发超级爆震，进一步起到抑制超级爆震的效果。

由此可见，该方法能够在LSPI发生时瞬态提高进气温度，从而加速液体润滑油的蒸发，起到减少超级爆震的效果。

上述吸入的EGR量可以根据实际需要自行选择，经试验证明，如果EGR量为总进气量的6％时，在计量燃烧条件下对进气氧浓度的稀释可达10％，既能起到较好的抑制超级爆震的效果，又不会大幅度提高缸压。当然，也可以采用其他数值。

此外，上述EGR与压缩空气混合后的进气温度也可以根据实际需要自行选择，经大量实验证明，当进气温度达到120℃～150℃能够对曲轴箱通风再循环带入进气系统的机油中的低沸点、低燃点组分起到较好的蒸发、汽化作用。当然，该进气温度也可以选用其他数值。

请参考图8和图9，图8为本发明所涉及将EGR引入进气歧管的具体实施结构图，图9为图8中EGR引射泵的结构示意图。

如图8和图9所示，上述步骤S6可以具体通过如下方式实现：发动机100的进气系统可以通过增压器涡轮机21带动增压器压缩机22转动，输出压缩空气给中冷器23，经中冷器23冷却后的气体经节气门24、单向阀25通过进气歧管26进入发动机100内部，同时发动机100输出的高温废气又驱动增压器涡轮机21转动。具体的方案中，上述方法可以预设EGR引射器27和开关阀28，在EGR引射器27的入口端设置压缩空气入口271、套装于压缩空气入口271内部的EGR入口272，在其出口端设有混合器273、锥形扩压管274，并将压缩空气入口271与增压器压缩机22出口连接、EGR入口272与发动机100的排气歧管29连接、出口端通过开关阀28与进气歧管26连接。

工作过程中，如果检测到发动机100已经发生LSPI，打开开关阀28，使部分未冷却的压缩空气由压缩空气入口271进入EGR引射器27，在引射器喷管275处膨胀加速，并在引射器喷管275出口产生低压，在该低压作用下发动机100的少量排气经EGR入口272被吸入EGR引射器27内部。由压缩空气入口271进入的压缩空气和EGR入口272吸入的EGR在混合器273内混合，并经扩压管274增压后，经开关阀28和来自中冷器23的压缩空气混合，然后进入发动机100的进气歧管26内。如果检测到发动机100并未发生LSPI，关闭开关阀28，则EGR无法进入进气歧管26，发动机100在无EGR条件运行。

由此可见，利用EGR引射泵27能利用引射原理简单、方便地自动将EGR引入发动机100的气缸进气。可以想到，上述方法还可以通过其他方式将EGR输送至进气歧管26，例如，可以用离心式或罗茨式EGR泵代替EGR引射泵27，当检测到LSPI已经发生，开启EGR泵，部分发动机100的废气被EGR泵抽取、经开关阀28进入进气管、与中冷后的压缩空气进行混合，再一同进入进气歧管26。

在另一种具体实施方式中，上述抑制直喷增压汽油发动机100低速提前点火的方法，在步骤S6之后，还可以包括步骤：

S8：检测缸内混合气的当前过量空气系数；

S9：比较所述当前过量空气系数、最大功率混合气对应的参考过量空气系数；若前者大于后者，执行步骤S10；若前者等于后者，执行步骤S11；为获取稳定燃烧，不建议发动机100在小于最大功率混合气对应的过量空气系数下工作；

S10：增大所述发动机的喷油系统的喷油量，将所述当前过量空气系数调整至所述参考过量空气系数，并持续运行预设时间段，再执行步骤S11。

由于EGR引入进气后会降低进入气缸的工质的密度，不可避免地会产生瞬态动力输出的降低，为尽可能减弱利用EGR对发动机100进气道清洁时产生的瞬态动力输出下降及可能的高温进气对常规可控爆震强度的影响，上述方法中步骤S10增大喷油量，使当前过量空气系数调整至所述参考过量空气系数，使发动机100在最大功率混合气对应的空燃比下工作，这样，最大程度地弥补瞬态功率下降、并使燃烧迅速，弥补了清洁进气道方法导致的发动机100瞬态功率的下降。这种加浓作用使气缸内混合气要求的点火能量和点火滞后期都增加，进一步消除了提前点火发生的条件；火焰速度在最大功率空燃比下接近最大值，因而即使发生提前点火，由于火焰可以在接近最大速度条件下向整个燃烧室传播，从而消弱了超级爆震发生的可能性。

该加浓的控制方法可以具体通过在三元催化器30前的氧传感器31检测当前氧浓度，并具体通过增加喷油时间来增加喷油量。上述预设时间段可以具体为30s或500个工作循环，也可以为其他数值，根据需要具体设定。

以上对本发明所提供的抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)检测发动机的当前功率；

2)把发动机在发生低速提前点火上限转速的全负荷功率作为参考功率，比较所述发动机的当前功率与所述发动机的参考功率的大小，若前者小于后者，执行步骤3)；若前者大于后者，执行步骤4)；

3)采用第一水温冷却所述发动机；

4)采用第二水温冷却所述发动机；再执行步骤11)；

11)保持发动机正常运行；

其中，所述第一水温高于所述第二水温。

2.根据权利要求1所述的抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法，其特征在于，所述第一水温的范围为105℃～108℃，所述第二水温的范围为90℃～95℃。

3.根据权利要求2所述的抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法，其特征在于，所述发动机的冷却系统在发动机冷却水进水侧设有电子节温器，步骤3)、步骤4)通过对所述电子节温器的开启温度进行标定而实现。

4.根据权利要求1-3任一项所述的抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法，其特征在于，在步骤3)之后，还包括如下步骤：

5)检测所述发动机是否发生低速提前点火；若是，执行步骤6)；若否，执行步骤7)；

6)将所述发动机的高温废气的一部分与增压器压缩机输出的压缩空气一同输送至所述发动机的进气歧管；

7)仅将所述增压器压缩机输出的压缩空气输送至所述进气歧管。

5.根据权利要求4所述的抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法，其特征在于，步骤6)具体通过如下方式实现：预设EGR引射器和开关阀，在所述EGR引射器的入口端设置压缩空气入口、套装于所述压缩空气入口内部的EGR入口，在所述EGR引射器的出口端设有锥形扩压管，并将所述压缩空气入口与所述增压器压缩机出口连接、所述EGR入口与所述发动机的排气歧管连接、所述出口端通过所述开关阀与所述进气歧管连接。

6.根据权利要求5所述的抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法，其特征在于，所述步骤6)中进入进气歧管的气体温度范围为120℃～150℃。

7.根据权利要求4所述的抑制直喷增压汽油发动机低速提前点火的方法，其特征在于，在所述步骤6)之后，还包括步骤：

8)检测缸内混合气的当前过量空气系数；

9)比较所述当前过量空气系数、最大功率混合气对应的参考过量空气系数；若前者大于后者，执行步骤10)；若前者等于后者，执行步骤11)；

10)增大所述发动机的喷油系统的喷油量，将所述当前过量空气系数调整至所述参考过量空气系数，并持续运行预设时间段，再执行步骤11)。