李智博，蔡自杰

(鄭州信息科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 450000)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)增壓小型化是許多汽車廠商為提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)而采用的有效途徑。對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來說，減小排量并采用增壓技術(shù)，比功率增加，可以顯著減少法規(guī)駕駛循環(huán)中常用工況的摩擦損失和泵氣損失。這些小型化發(fā)動(dòng)機(jī)傾向于在相對(duì)較低的轉(zhuǎn)速下就能獲得最大扭矩，但需要在高負(fù)荷工況下采用推遲燃燒以避免爆震，由此產(chǎn)生的低有效膨脹比導(dǎo)致殘余廢氣溫度比非高排放等級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)更高。此外缸內(nèi)直噴的燃油供給方式會(huì)導(dǎo)致汽缸濕壁增加，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)低摩擦損失，需采用低切向彈力活塞環(huán)設(shè)計(jì)，這使進(jìn)入燃燒室的潤(rùn)滑油增加,改變缸內(nèi)著火特性。所有這些技術(shù)發(fā)展的結(jié)合可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)破壞性異常燃燒，如低速早燃，該名稱源自美國(guó)西南研究院所發(fā)現(xiàn)的“Low Speed Pre-ignition”問題[1]。早燃可能引發(fā)超級(jí)爆震，與常規(guī)爆震燃燒不同的是，超級(jí)爆震并不會(huì)因推遲點(diǎn)火而消除，也不能通過混合氣加濃、加強(qiáng)壁面?zhèn)鳠峄虿捎酶邩?biāo)號(hào)汽油來避免，而且超級(jí)爆震具有偶發(fā)性和間歇性，影響因素眾多。目前早燃問題已成為汽油機(jī)繼續(xù)提高功率密度和降低油耗的一大障礙[1]。

1 LSPI的誘發(fā)機(jī)制

LSPI的特征在于由火花塞以外的點(diǎn)火源，例如高化學(xué)活性或已自燃的油滴以及熾熱的顆粒沉積物引發(fā)的過早放熱[2]。這可能導(dǎo)致部分或全部混合氣的快速燃燒，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)最大缸內(nèi)壓力比在正常循環(huán)中要大2或3倍。盡管這是一個(gè)在非常限定的工況條件下才會(huì)發(fā)生的隨機(jī)現(xiàn)象，并且可能發(fā)生頻次很低，但多次甚至單次LSPI會(huì)引起大量缸內(nèi)混合氣自燃，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。

小型增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在相對(duì)較低的轉(zhuǎn)速下就能達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，并且在這個(gè)非常特定的區(qū)域最有可能發(fā)生LSPI，在這個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的工況下缸內(nèi)峰值壓力接近最大值，燃燒相位處于最大推遲狀態(tài)，殘余廢氣的溫度增加，使得在隨后的循環(huán)中更容易達(dá)到混合氣的自燃溫度。此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)正?；鸹c(diǎn)火之前，低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為L(zhǎng)SPI提供了更充足的準(zhǔn)備時(shí)間[3]。

已有大量研究表明：機(jī)油液滴和顆粒物能夠成為熱點(diǎn)并誘發(fā)早燃，進(jìn)而引起超級(jí)爆震。機(jī)油通常由基礎(chǔ)油以及清凈劑、分散劑、抗氧抗腐劑、防銹劑、乳化劑等眾多添加劑組成，機(jī)油液滴竄入燃燒室后，由于含有滯燃期較短的長(zhǎng)鏈成分，有可能成為混合氣中的熱點(diǎn)，并可能在正?；鸹c(diǎn)火前先發(fā)生自燃，引燃周圍混合氣從而誘發(fā)早燃，并最終可能導(dǎo)致超級(jí)爆震[1]。但機(jī)油液滴并不是誘發(fā)早燃的唯一原因，燃燒室內(nèi)的殘余顆粒物也與早燃發(fā)生存在緊密聯(lián)系，顆粒物生成與燃油品質(zhì)、燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行工況有關(guān)，作為不完全燃燒的產(chǎn)物，顆粒物既有可能殘留在燃燒室中并在下一循環(huán)首先發(fā)生表面氧化反應(yīng)并引燃周圍混合氣從而誘發(fā)早燃，也可能作為熾熱點(diǎn)直接點(diǎn)燃混合氣[1]。

2 LSPI臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試循環(huán)

可以通過測(cè)量和分析缸內(nèi)壓力來檢測(cè)并記錄LSPI的發(fā)生。已有文獻(xiàn)指出，測(cè)試開始時(shí)燃燒室的狀況(例如當(dāng)前沉積物的種類和數(shù)量)會(huì)顯著影響測(cè)試結(jié)果[4]。因此為確保試驗(yàn)結(jié)果可靠性，文獻(xiàn)[3]中所采用的測(cè)試循環(huán)以清掃燃燒室的準(zhǔn)備階段開始，確保在每次LSPI測(cè)試過程之前燃燒室處于相同狀態(tài)。通過發(fā)動(dòng)機(jī)在適當(dāng)高轉(zhuǎn)速半負(fù)荷稀燃工況下來實(shí)現(xiàn)初始測(cè)試階段的燃燒室沉積物的清掃，從而在燃燒室清潔狀態(tài)下評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。在初始測(cè)試階段之后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入以最大扭矩和能獲得最大扭矩的最小轉(zhuǎn)速為運(yùn)行工況的LSPI測(cè)試階段。在一組LSPI測(cè)試階段之后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入旨在增加燃燒室沉積物的階段，從而評(píng)估由長(zhǎng)時(shí)間怠速工況運(yùn)行導(dǎo)致的“臟”燃燒室狀況下的LSPI特性。

3 LSPI的試驗(yàn)判斷方法

可以通過在線處理缸壓信號(hào)來識(shí)別并記錄LSPI的發(fā)生，如果某一循環(huán)燃燒始點(diǎn)明顯早于正常循環(huán)或者早于火花點(diǎn)火時(shí)刻，則此循環(huán)定義為早燃循環(huán)[3]。這兩個(gè)邏輯條件可由以下公式定義：

θMFB2i<θign

其中：θMFB2i為第i循環(huán)2%累計(jì)放熱量時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置；σ為前100循環(huán)θMFB2i的標(biāo)準(zhǔn)差；θign為火花點(diǎn)火時(shí)刻。

在早燃循環(huán)中，燃燒始點(diǎn)明顯早于期望值。然而，從發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性的角度來看，監(jiān)測(cè)具有特別高缸壓峰值的早燃循環(huán)也是具有重要意義的。當(dāng)由早燃釋放的熱量足以同時(shí)引燃大部分缸內(nèi)充量時(shí)就會(huì)出現(xiàn)超級(jí)爆震[3]，可使用以下公式來判斷這種特殊的早燃事件：

其中：pmaxi為第i循環(huán)的缸壓峰值；σ為前100循環(huán)pmaxi的標(biāo)準(zhǔn)差。

LSPI不一定引發(fā)超級(jí)爆震，但超級(jí)爆震的前提一定是LSPI的發(fā)生。LSPI可以引發(fā)超級(jí)爆震，也可以導(dǎo)致強(qiáng)烈爆震、輕微爆震和不爆震[1]。區(qū)分這兩種早燃類型也是重要的，因?yàn)榭梢约皶r(shí)發(fā)現(xiàn)伴隨著過高缸壓且具有潛在破壞性的的早燃循環(huán)，并采取相應(yīng)措施以減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損害。具有非常高的峰值壓力但不滿足早燃循環(huán)燃燒相位判斷準(zhǔn)則的循環(huán)被認(rèn)為是爆震燃燒。

4 機(jī)油添加劑對(duì)LSPI的影響

所有現(xiàn)代乘用車潤(rùn)滑油都需要添加高堿性清凈劑，以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)免受沉積物和酸性物質(zhì)積聚的影響。乘用車通常使用鈣基清凈劑，某些情況下也會(huì)使用鎂基清凈劑。已有許多研究調(diào)查了清凈劑對(duì)LSPI的影響[3-6]。鈣基和鎂基清凈劑等這些堿土金屬添加劑典型地以碳酸鹽和氫氧化物顆粒存在，在親脂性皂分子溶液中穩(wěn)定，并形成膠束。清凈劑通常具有處于頭部位置的由附著于顆粒的磺酸鹽、酚鹽或水楊酸鹽官能團(tuán)組成的極性基團(tuán)，以及可以在溶液中穩(wěn)定膠束的處于尾部的親油烴基基團(tuán)。文獻(xiàn)[3]中研究發(fā)現(xiàn)鈣基清凈劑對(duì)LSPI頻次的增加有明顯促進(jìn)作用，但即使使用高濃度的鎂基清凈劑LSPI也不會(huì)出現(xiàn)。二烷基二硫代氨基甲酸鉬(MoDTC)可用于某些潤(rùn)滑油添加劑組分以減少摩擦，文獻(xiàn)[3,6]中研究了MoDTC濃度對(duì)LSPI的影響，發(fā)現(xiàn)增加MoDTC的濃度對(duì)LSPI發(fā)生具有抑制作用。

5 燃油品質(zhì)對(duì)LSPI的影響

燃油辛烷值和爆震燃燒之間關(guān)系是明確的，且辛烷值在一定程度上對(duì)早燃有所影響，但不能完整地描述對(duì)早燃或超級(jí)爆震傾向的影響[1]。文獻(xiàn)[3]中研究發(fā)現(xiàn)LSPI傾向和燃油辛烷值之間沒有表現(xiàn)出直接相關(guān)性，但隨著辛烷值的提高，超級(jí)爆震次數(shù)減少。

燃油在影響由離開活塞頂環(huán)岸區(qū)域或缸壁的潤(rùn)滑油液滴自燃引起的早燃現(xiàn)象中可能扮演著兩種獨(dú)立的角色。第一是燃油起稀釋潤(rùn)滑油作用，并幫助潤(rùn)滑油從缸壁或活塞頂環(huán)岸區(qū)域分離，此種情況下稀釋潤(rùn)滑油的燃油數(shù)量是重要的，且稀釋量的大小受燃油揮發(fā)性影響強(qiáng)烈。低揮發(fā)性燃油在混合氣形成過程蒸發(fā)量相對(duì)較小，所以較高比例的燃油將與缸壁接觸并與潤(rùn)滑油混合。由于潤(rùn)滑油的自燃溫度和辛烷值遠(yuǎn)低于燃油，所以潤(rùn)滑油的自燃特性在此時(shí)占主導(dǎo)地位，而燃油的辛烷值并不那么重要。第二是燃油辛烷值對(duì)稀釋的潤(rùn)滑油液滴自燃特性的影響。一旦潤(rùn)滑油液滴著火，會(huì)釋放足夠的熱量以引燃大量混合氣同時(shí)快速燃燒，這種情況發(fā)生的可能性將取決于燃油抵抗自燃的能力，因此燃油辛烷值在此過程中占主導(dǎo)地位。

6 結(jié)語

隨著排放和油耗法規(guī)的愈加嚴(yán)苛以及混合動(dòng)力市場(chǎng)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)增壓直噴小型化是大勢(shì)所趨，但這引起的缸內(nèi)壓力和溫度的增加以及汽油直噴引起的濕壁稀釋潤(rùn)滑油問題和顆粒物增加的問題最終會(huì)導(dǎo)致早燃的發(fā)生，并亦可引起對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)損傷巨大的超級(jí)爆震。研究者可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)在線處理缸壓信號(hào)來識(shí)別并記錄LSPI和超級(jí)爆震的發(fā)生。小型增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在相對(duì)較低的轉(zhuǎn)速下就能達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，并且在這個(gè)特定的工況下最有可能發(fā)生LSPI。機(jī)油液滴和顆粒物能夠成為熱點(diǎn)并誘發(fā)LSPI，機(jī)油添加劑對(duì)LSPI發(fā)生的頻次有一定的影響，燃油辛烷值的提高能減少超級(jí)爆震次數(shù)。直噴增壓汽油機(jī)早燃問題的解決不僅要求在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電控策略上深入研究，同時(shí)還需要潤(rùn)滑油公司繼續(xù)研究更加優(yōu)良的添加劑以減少對(duì)抑制早燃的不利影響。