吳天寶，范亞東，李雪松，許敏

(上海交通大學汽車電子控制技術(shù)國家工程實驗室，上海 200240)

面對日益嚴格的排放法規(guī)，小型化是發(fā)動機發(fā)展的重要方向之一，而增壓直噴技術(shù)，是發(fā)動機小型化后保證動力性能的重要技術(shù)手段，渦輪增壓與電子增壓相結(jié)合的雙增壓系統(tǒng)也已進入學者們的研究范圍之內(nèi)[1-3]。隨著發(fā)動機的強化，其進氣量、工作能量密度增加，同時工作狀態(tài)也更為劇烈，工作過程中缸壓峰值變大；低速大負荷情況下，隨機早燃發(fā)生的傾向也相應增加，早燃發(fā)生時運行狀態(tài)惡化，油耗增加，不利于節(jié)能減排[4-5]。低速早燃可能發(fā)展為重度爆震，甚至是超級爆震，而超級爆震對發(fā)動機的損害較大[6]。早燃的發(fā)生機理中缸內(nèi)熱點是一個十分重要的因素，而機油組分對于增壓直噴發(fā)動機缸內(nèi)熱點的強度與數(shù)量都有十分重要的影響[7-8]?，F(xiàn)有研究表明，在壓縮上止點前噴入微量機油，能夠引起早燃并發(fā)展為超級爆震[9]，說明在發(fā)動機實際運行過程中，進入缸內(nèi)的機油對早燃和超級爆震現(xiàn)象有直接影響。

機油添加劑組成是探索機油對早燃與超級爆震影響的重要研究方向[10-13]。在一定工況下，隨著機油添加劑的增加，低速早燃的頻次增加[10]。機油添加劑的元素組分也會影響機油的物理化學性質(zhì)，如黏度，酸堿度等[11]。此外，早燃是超級爆震的必要不充分條件，發(fā)生超級爆震，必定發(fā)生早燃[6]。目前國內(nèi)外學者主要從減少早燃發(fā)生的方向去研究如何避免超級爆震的發(fā)生。不同機油的臺架試驗表明，早燃頻次低，未必超級爆震次數(shù)少，因此減少早燃發(fā)生并不一定能夠減少超級爆震的次數(shù)。由于添加劑內(nèi)不同元素組分會影響實際燃燒的機理和速率，可以借由添加不同元素組分的添加劑來影響早燃的發(fā)展結(jié)果。所以，在探究機油添加劑元素組分對早燃頻次影響的基礎(chǔ)上，進一步分析了機油添加劑元素組分與早燃向超級爆震發(fā)展的傾向及相應平均爆震強度之間的關(guān)系。評價機油性能的好壞，不應以早燃發(fā)生頻次的多少來判斷，早燃發(fā)展為超級爆震的次數(shù)應該是更為重要的指標。

1 試驗設(shè)備與方法

1.1 發(fā)動機參數(shù)與臺架配置

圖1示出了試驗臺架的布置情況。在本研究中，ECU數(shù)據(jù)通過控制電腦1之中的INCA標定軟件獲取，并通過標定軟件修改ECU相關(guān)控制邏輯，以配合試驗要求；缸壓數(shù)據(jù)、曲軸轉(zhuǎn)角由燃燒分析儀Ki-box獲取，送入控制電腦2中進行實時顯示；AVL電力測功機臺架數(shù)據(jù)以及各外接傳感器測量得來經(jīng)由數(shù)采箱獲取的數(shù)據(jù)直接送入主控電腦之中。試驗過程中建立3臺控制電腦之間的通信，組成局域網(wǎng)，將全部數(shù)據(jù)傳輸至主控電腦，通過PUMA控制系統(tǒng)進行試驗相關(guān)操作以及整體監(jiān)控。

圖1 試驗臺架系統(tǒng)布置

試驗用發(fā)動機為1臺4缸2.0 L渦輪增壓直噴汽油機，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗流程

在試驗過程中，為防止不同機油的相互干擾，需要在試驗間隔中進行機油排放和清潔。注入新機油后，進行早燃試驗，試驗通過PUMA控制系統(tǒng)控制邊界條件(見表2)。通過熱電偶進行溫度測量，證明試驗設(shè)備控溫性能可以實現(xiàn)上述要求。試驗過程中利用INCA標定軟件關(guān)閉ECU自動加濃機制，以維持試驗過程中空燃比為1。熱機完成后，在轉(zhuǎn)速1 750 r/min、扭矩320 N·m (全負荷)條件下運行，待邊界條件達到預定值后開始試驗[14-15]。

表2 試驗工況

本試驗中發(fā)動機測試循環(huán)周期見圖2。開始測量后，在轉(zhuǎn)速1 750 r/min、扭矩320 N·m、中冷水溫40 ℃狀態(tài)運行15 min，利用燃燒分析儀Ki-box獲取到缸壓、曲軸轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)，在設(shè)定好的判斷原則之下，自動判斷是否發(fā)生早燃，并記錄其間早燃發(fā)生時前后50個循環(huán)內(nèi)的缸壓、缸壓振蕩峰峰值、AI10等數(shù)據(jù)；然后保持轉(zhuǎn)速不變，將扭矩降至50 N·m運行5 min，以清除缸內(nèi)積炭，并保證發(fā)動機的穩(wěn)定運行；接著再將扭矩升高到320 N·m，待中冷出水溫度回到40 ℃后進行重復試驗。為避免早燃的隨機性對試驗結(jié)果造成影響，每種機油進行18次早燃重復性測試，共計超過245 000個進排氣循環(huán)的試驗。

圖2 發(fā)動機測試循環(huán)示意

完成一種機油的早燃試驗后，對發(fā)動機進行清洗，隔天注入其他待測機油進行相同試驗。對5種添加劑元素組分各不相同的機油進行早燃試驗，試驗后進行數(shù)據(jù)對比分析，以研究機油添加劑元素組分對早燃頻次、早燃向重度超級爆震發(fā)展傾向及相應平均爆震強度的影響。

1.3 早燃與爆震定義

早燃是發(fā)動機在火花塞點火前發(fā)生著火的一種非常規(guī)著火現(xiàn)象[16]。提前著火使得燃油提前被消耗，累計熱釋放率10%點(AI10)對應曲軸轉(zhuǎn)角提前。由表2可知，試驗過程中發(fā)動機點火角為10.5°ATDC。根據(jù)15次早燃發(fā)生時共計1 500個循環(huán)的AI10實測數(shù)據(jù)來看(見圖3)，在1 750 r/min工況下，火花塞點火正常燃燒的最小遲滯時間對應曲軸轉(zhuǎn)角為7.5°，所以在本研究中，檢測到AI10出現(xiàn)時刻早于18°ATDC則視為發(fā)生早燃。

圖3 早燃發(fā)生對應循環(huán)AI10實測數(shù)據(jù)

早期的研究中并沒有將早燃和超級爆震相區(qū)分，近幾年隨著高增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機的出現(xiàn)，低速大負荷下早燃與超級爆震現(xiàn)象的影響愈發(fā)明顯，這兩種現(xiàn)象也引起了國內(nèi)外學者的重視。清華大學王志等[6]提出早燃與超級爆震之間有著密切關(guān)系(見圖4)，發(fā)生早燃并不一定發(fā)生超級爆震，而超級爆震發(fā)生時，必定先發(fā)生了早燃。本研究根據(jù)早燃發(fā)生后是否發(fā)生爆震以及爆震發(fā)生后其強度大小，將早燃發(fā)展的結(jié)果分為正常燃燒(不發(fā)生爆震)、輕度爆震、重度爆震、超級爆震4種情況。

圖4 早燃與爆震之間的關(guān)系

由圖5可見，超級爆震發(fā)生時，缸壓數(shù)值出現(xiàn)顯著振蕩現(xiàn)象，并且最大缸壓(pmax)高于正常燃燒過程中其相應數(shù)值。爆震發(fā)生時的缸壓曲線經(jīng)過高通濾波之后的振蕩壓力峰峰值(Kpeak)的大小體現(xiàn)了缸壓振蕩的劇烈程度，以此來表征爆震的強度大小。

本研究Kpeak與pmax的數(shù)值大小與輕度爆震、重度爆震以及超級爆震的對應關(guān)系如下：當Kpeak<0.1 MPa時，缸壓振蕩幅度極小，屬于正常燃燒過程；當0.1 MPa2 MPa并且pmax>10 MPa(正常運行過程壓力峰值的1.5倍)時，缸壓劇烈振蕩，壓力峰值及出現(xiàn)時刻均與正常運行狀況有極大差異，屬于超級爆震范疇[6，17-18]。圖6示出各級爆震示意。

圖5 爆震最大缸壓及其振蕩峰峰值

圖6 低速早燃發(fā)展結(jié)果與正常著火對比[17]

2 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗結(jié)果

根據(jù)1.3節(jié)中對早燃的定義，得到了5種機油(本研究中以A,B,C,D,E指代)在試驗過程中的早燃頻次，以及對應早燃各類發(fā)展結(jié)果的頻次分布(見圖7)。

圖7 各機油的早燃頻次及其發(fā)展結(jié)果

不同機油早燃頻次差異較為明顯，而機油A的3次試驗早燃頻次基本一致。不同機油早燃的發(fā)展結(jié)果分布也有明顯差異，機油A的3次試驗呈現(xiàn)的早燃發(fā)展結(jié)果分布趨勢也基本一致。說明試驗時間足夠長時，早燃發(fā)生的隨機性對試驗結(jié)果影響不大。 試驗中所使用機油的基礎(chǔ)油均為對添加劑、油封材料、涂料及礦物油有良好相容性的聚α-烯烴(PAO)，5種機油的主要區(qū)別在于添加劑部分元素組分以及由此引起的物理化學性質(zhì)差異。為分析機油元素組分對早燃頻次及其發(fā)展結(jié)果的影響，本研究采用電感耦合等離子體光譜法對5種機油的元素組分進行了定性及定量分析，結(jié)果顯示5種機油元素組分主要包括硼(B)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鉬(Mo)、磷(P)、及鋅(Zn)六大元素，具體數(shù)值見表3。

表3 各機油主要元素質(zhì)量濃度 μg/L

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1早燃發(fā)生時刻與其發(fā)展結(jié)果之間的關(guān)系

首先對整個試驗期內(nèi)發(fā)生的217次早燃現(xiàn)象對應的早燃發(fā)生時刻(以10%燃油消耗點AI10為評價指標)、Kpeak、pmax進行分析以驗證試驗的可靠性并定性分析三者之間的關(guān)系。

早燃發(fā)生時刻越早，缸壓振蕩峰峰值越大(見圖8)。Kpeak>2 MPa的超級爆震對應的早燃發(fā)生時刻基本都再10°ATDC之前；重度爆震所對應的早燃發(fā)生時刻則主要集中在10°～15°ATDC之間；而輕度爆震與正常燃燒所對應的早燃發(fā)生時刻在10°～18°ATDC范圍內(nèi)均有分布，但大部分位于15°～18°ATDC之間。此外，早燃發(fā)生時刻提前的最高點為-7.216°ATDC，對應缸壓振蕩峰峰值為10.35 MPa。

圖9示出了早燃發(fā)生時刻與最大缸壓的關(guān)系。由圖9可見，早燃發(fā)生時刻提前程度越高，最大缸壓也越大。與缸壓振蕩峰峰值和早燃發(fā)生時刻相關(guān)系數(shù)(R2=0.896 2)相比較，最大缸壓與早燃發(fā)生時刻之間的相關(guān)系數(shù)(R2=0.963 5)更大，相關(guān)性更高。

圖9 早燃發(fā)生時刻與最大缸壓的關(guān)系

結(jié)合圖8與圖9可以看出，AI10對應的曲軸轉(zhuǎn)角從18°ATDC開始逐步提前時，最大缸壓呈明顯上升趨勢，缸壓振蕩程度也隨之提高。在18°ATDC附近，缸壓振蕩峰峰值接近于0并且十分集中，缸壓上升速度也相對較小。因此可將18°ATDC作為判斷早燃發(fā)生與否的臨界值。本研究所定義的早燃后四種爆震區(qū)間對應的早燃發(fā)生時刻范圍也有著顯著區(qū)分，并且各自的集中程度也不相同。早燃發(fā)生時刻提前程度越高，對應的發(fā)展結(jié)果惡劣程度也越高。

2.2.2機油添加劑元素組分對早燃的影響

從表3中可以看出，各機油添加劑元素組分最大的差異來自于Ca元素含量。國內(nèi)外學者的研究表明Ca元素的存在能夠促進早燃的發(fā)生[19]，所以本研究在對早燃的定義基礎(chǔ)上，以Ca元素促進早燃的發(fā)生為前提，根據(jù)圖7所示試驗結(jié)果對其他元素對早燃頻次的影響進行如下分析。

機油B除Mg元素含量極低外，其他各元素含量均為機油E的123%～124%，而機油B早燃頻次較高，說明在機油E的元素配比下，當各元素含量同時增加時，早燃頻次增加。

機油C中含有較多的Mg元素，Ca元素較少，其他元素含量與機油E相近。Ca元素的減少應當減少機油C試驗過程中發(fā)生的早燃頻次，但其早燃頻次很大程度高于機油E早燃頻次，說明Mg元素含量的上升較大程度提高了試驗過程中早燃發(fā)生的頻次，Mg元素能促進早燃的發(fā)生。

2.2.3機油添加劑元素組分對超級爆震的影響

由圖10可見，當Ca元素含量逐漸增加時，超級爆震發(fā)生的頻次逐漸增多，并且超級爆震頻次占早燃事件發(fā)展結(jié)果的比例逐漸增加。由此可見，Ca元素含量越高，超級爆震發(fā)生頻次越高，早燃發(fā)生后向超級爆震的發(fā)展傾向越大。Ca元素能促進早燃向超級爆震發(fā)展。

圖10 Ca元素含量與超級爆震頻次、占比的關(guān)系

由圖11 A，B，D，E 4種機油的試驗結(jié)果可以看出，隨著Ca元素含量逐漸增加，以缸壓振蕩峰峰值的平均數(shù)表征的超級爆震平均強度逐漸增大。Ca元素含量越高，爆震強度越大，Ca元素能夠促進爆震的增強。從表3中的元素含量可知，A，B，D，E 4種機油的Mg元素含量極低，而機油C中的Mg元素含量明顯較高。從圖11可見，機油C超級爆震平均強度高達8.218 MPa，高于其他4種機油，所以Mg元素增多會提升超級爆震的強度。

圖11 Ca元素含量與超級爆震強度的關(guān)系

3 結(jié)論

a) 總體而言，早燃發(fā)生時刻越提前，對應循環(huán)的最大缸壓振蕩峰峰值及最大缸壓越大，并且其發(fā)展結(jié)果越惡劣；

b) 按照文中E機油的配比同比增加各類元素會提升早燃頻次，機油添加劑中的Mg元素、B元素能促進早燃的發(fā)生；

c) 機油添加劑中Ca元素的含量越高，早燃向超級爆震轉(zhuǎn)化的傾向越嚴重，超級爆震次數(shù)越多，并且超級爆震平均強度越大，Mg元素增多會提升超級爆震的強度。