胡庭軍 ， 苗瑞剛 ， 陳 斌

（江鈴汽車(chē)股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)總院，江西 南昌 330001）

1 研究背景

對(duì)均質(zhì)混合燃燒的直噴增壓汽油機(jī)（TGDI），提前點(diǎn)火（PI）現(xiàn)象是經(jīng)常發(fā)生的，通常發(fā)生在轉(zhuǎn)速<2 500 rpm和平均有效制動(dòng)壓力（BMEP）≥15 bar的條件下。這種不正常燃燒現(xiàn)象被稱為低速預(yù)燃現(xiàn)象（LSPI）。由于PI發(fā)生的時(shí)間比正常燃燒火花塞點(diǎn)火時(shí)刻要早得多，通常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的爆震燃燒。該不正常燃燒現(xiàn)象可分為由PI引發(fā)的早燃、快速燃燒和壓力波動(dòng)劇烈的嚴(yán)重爆震燃燒三個(gè)階段，高增壓1.5 L TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)在1 500 rpm工況下正常缸壓曲線與超級(jí)爆震燃燒缸壓曲線對(duì)比如圖1所示。由于爆震燃燒過(guò)程中的壓力波動(dòng)與正常燃燒的燃燒壓力峰值（PFP）在同一數(shù)量級(jí)，PI引起的異常燃燒也被稱為超級(jí)爆震。

圖1 高增壓1.5 L TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)在1 500 rpm工況下正常缸壓曲線與超級(jí)爆震燃燒缸壓曲線對(duì)比

曲軸箱機(jī)油的液態(tài)顆粒進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)通常被認(rèn)為是造成LSPI現(xiàn)象的原因[1-5]。對(duì)增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)油進(jìn)入缸內(nèi)的主要途徑有兩個(gè)：通過(guò)活塞與缸套的間隙傳輸，通過(guò)通風(fēng)再循環(huán)或油箱的機(jī)油加載過(guò)程。據(jù)研究，輸送機(jī)油量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加而增加；在給定轉(zhuǎn)速下，輸送機(jī)油量隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而減少，這是由于氣缸壁的機(jī)油蒸發(fā)量增加[6]。這表明，機(jī)油傳輸過(guò)程可能不是造成在低速高負(fù)荷工況點(diǎn)條件下的LSPI現(xiàn)象的唯一原因[6]。

本次研究目的是理解不同SAE黏度等級(jí)的曲軸箱機(jī)油對(duì)LSPI現(xiàn)象的影響。在同款發(fā)動(dòng)機(jī)的相同負(fù)荷下，測(cè)試了市場(chǎng)上6種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油。測(cè)試的機(jī)油來(lái)自兩個(gè)不同的國(guó)際供應(yīng)商，包括：SAE 0W-20，0W-30，0W-40，5W-20，5W-30和5W-40。

本次研究的發(fā)動(dòng)機(jī)是一款直列4缸1.5 L渦輪高增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料為RON93汽油。該發(fā)動(dòng)機(jī)裝配有高效的廢氣渦輪增壓機(jī)和雙凸輪相位器，允許進(jìn)氣和排氣凸輪獨(dú)立移動(dòng)范圍達(dá)到60° CA。該發(fā)動(dòng)機(jī)為高增壓，且具有寬幅扭矩曲線涵蓋低速1 500 rpm到高速4 600 rpm。側(cè)置的噴油器有6個(gè)噴油孔，最大噴射壓力為150 bar。基礎(chǔ)機(jī)油為SAE 5W-30合成油，具有耐高溫、高剪切性能。圖2展示了本次測(cè)試中采用的RON93汽油的蒸餾曲線。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的油溫范圍標(biāo)記為陰影區(qū)域，以作為參考。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)機(jī)油溫度大于140 ℃時(shí)，多達(dá)25%的汽油混入了機(jī)油中導(dǎo)致了燃油稀釋，這在TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)中是不可避免的[7]。

圖2 RON93汽油的蒸餾特性曲線

2 缸內(nèi)液態(tài)機(jī)油顆粒成為點(diǎn)火源的條件

圖3展示了發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)液態(tài)機(jī)油顆粒點(diǎn)燃油混合氣的過(guò)程。機(jī)油的閃點(diǎn)是機(jī)油轉(zhuǎn)換為蒸汽的溫度，如果此時(shí)機(jī)油附近還有氧氣，則可被點(diǎn)燃。然而，液態(tài)機(jī)油顆粒很難轉(zhuǎn)換為點(diǎn)火源，因?yàn)闄C(jī)油蒸汽會(huì)快速霧化且液態(tài)機(jī)油顆粒在缸套和燃燒室的壁面上的溫度由于水冷很難達(dá)到300 ℃。然而，高增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱機(jī)油物性會(huì)受到燃油稀釋而改變，如受到缸內(nèi)燃油蒸汽凝結(jié)、缸內(nèi)燃油與缸套壁面接觸后稀釋、缸內(nèi)燃油撞擊活塞頂部的燃油噴霧等的影響，最高會(huì)提高10%以上。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速高負(fù)荷條件下，燃油稀釋的程度較高，因此，混入機(jī)油的大部分汽油組分會(huì)一直存留。而汽油中的重組分的自動(dòng)點(diǎn)火溫度，較未稀釋的機(jī)油要低（未稀釋機(jī)油的自動(dòng)點(diǎn)火溫度通常在300 ℃～350 ℃）。稀釋后的機(jī)油的可燃性主要受揮發(fā)性最強(qiáng)的組分影響，即汽油中具有低沸點(diǎn)和低自燃溫度的汽油組分。

圖3 缸內(nèi)機(jī)油顆粒成為點(diǎn)火源的過(guò)程

圖4顯示了汽油含量對(duì)機(jī)油5W-30的閃點(diǎn)（正方標(biāo)識(shí)線）和燃點(diǎn)（三角標(biāo)識(shí)線）的影響?？梢钥吹?，閃點(diǎn)和燃點(diǎn)都隨著汽油含量的增加而降低。因此，燃油稀釋導(dǎo)致進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的液態(tài)機(jī)油顆粒的揮發(fā)性、可燃性及點(diǎn)火性降低，這導(dǎo)致它們?cè)趬嚎s沖程后期有很高的自燃傾向。

圖4 稀釋后曲軸箱機(jī)油的測(cè)試閃點(diǎn)及燃點(diǎn)

研究發(fā)現(xiàn)，LSPI的發(fā)生頻率隨著機(jī)油的自動(dòng)點(diǎn)火溫度降低而增加[8]。根據(jù)研究數(shù)據(jù)，LSPI頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油自動(dòng)點(diǎn)火溫度之間的關(guān)系如圖5所示，可知，燃油稀釋與LSPI之間存在強(qiáng)相關(guān)性。

圖5 LSPI頻率與油品自動(dòng)點(diǎn)火溫度的關(guān)系

3 不同機(jī)油的LSPI特征

3.1 LSPI的測(cè)試流程

如圖6所示，從低轉(zhuǎn)速進(jìn)入LSPI區(qū)時(shí)，LSPI現(xiàn)象是不可避免的，但是從高速區(qū)進(jìn)入?yún)s很少發(fā)生LSPI，圖中紅色線區(qū)域（即Zone of LSPI）為L(zhǎng)SPI發(fā)生的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷區(qū)，綠色線區(qū)域（即zone of scanvenging）為掃氣區(qū)。圖6中也展示了全負(fù)荷下的進(jìn)氣、排氣歧管的壓力。對(duì)本次研究的發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 rpm以上，存在高溫廢氣在氣門(mén)疊開(kāi)期由排氣道回流至進(jìn)氣道的情況，該高溫回流氣體會(huì)使得附在進(jìn)氣道及進(jìn)氣門(mén)背部的部分液態(tài)機(jī)油顆粒蒸發(fā)；導(dǎo)致在掃氣階段進(jìn)入缸內(nèi)的液態(tài)機(jī)油顆粒要比從低轉(zhuǎn)速進(jìn)入LSPI區(qū)的情況要少。

圖6 進(jìn)入LSPI區(qū)之前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

為了解不同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱機(jī)油對(duì)LSPI特性的影響，在同一款發(fā)動(dòng)機(jī)上測(cè)試了市場(chǎng)上6種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油。機(jī)油來(lái)自市場(chǎng)上兩個(gè)國(guó)際供應(yīng)商的產(chǎn)品，包括SAE 0W-20、0W-30、0W-40、5W-20、5W-30、5W-40，均為合成油品。所有研究均在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)均質(zhì)混合條件下進(jìn)行。針對(duì)機(jī)油的LSPI特性的測(cè)試均遵循5 h測(cè)試流程，包括3.5 h的發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)工況和1.5 h的LSPI測(cè)試工況。在調(diào)節(jié)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷條件下運(yùn)行2.5 h，其中1 h運(yùn)轉(zhuǎn)在4 000 rpm 70%負(fù)荷，另1.5 h在低端扭矩點(diǎn)運(yùn)行，再接1 h怠速工況。調(diào)節(jié)階段后，發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)由低端扭矩點(diǎn)切換至LSPI測(cè)試。兩次低端扭矩工況運(yùn)行的目的不同，第一次是為了在進(jìn)氣道和進(jìn)氣門(mén)上生成積碳累積，第二次則是為了進(jìn)入LSPI測(cè)試工況。

3.2 不同機(jī)油的LSPI特性

為了考慮發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度對(duì)LSPI的影響，分別在90 ℃和105 ℃的冷卻液溫度條件下進(jìn)行了測(cè)試。每次測(cè)試結(jié)束后，都測(cè)量了燃油稀釋水平和機(jī)油閃點(diǎn)。測(cè)試機(jī)油的稀釋水平如圖7所示。機(jī)油稀釋實(shí)驗(yàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3525-04(2010)進(jìn)行，代表了95%的稀釋概率。稀釋后機(jī)油的閃點(diǎn)在87 ℃～97 ℃范圍內(nèi)，其中0W機(jī)油的閃點(diǎn)高于5W機(jī)油。該閃點(diǎn)值較新鮮機(jī)油低大約150 ℃，這說(shuō)明機(jī)油的揮發(fā)性和可燃性受燃油稀釋作用影響明顯。

圖7 測(cè)試機(jī)油的稀釋水平

對(duì)于一些可重復(fù)性差的未知原因?qū)е碌腖SPI現(xiàn)象，沒(méi)有被采用到比較當(dāng)中。所選擇的結(jié)果呈現(xiàn)在表1到表4。結(jié)果表明，LSPI現(xiàn)象是高度隨機(jī)的?？梢钥吹?，0W機(jī)油不一定優(yōu)于5W機(jī)油，機(jī)油黏度或發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度對(duì)LSPI的影響沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的趨勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度對(duì)LSPI的影響并不明顯。

表1 來(lái)自供應(yīng)商1的機(jī)油，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度90 ℃

表2 來(lái)自供應(yīng)商1的機(jī)油，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度105 ℃

表3 來(lái)自供應(yīng)商2的機(jī)油，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度90 ℃

表4 來(lái)自供應(yīng)商2的機(jī)油，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度105 ℃

為說(shuō)明LSPI的隨機(jī)特性，使用0W-30發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的LSPI測(cè)試結(jié)果（供應(yīng)商1產(chǎn)品），冷卻液溫度為105 ℃。在這次特殊記錄數(shù)據(jù)中，LSPI現(xiàn)象連續(xù)記錄了有12次，其中11次都涉及超級(jí)爆震（高爆壓值循環(huán)）。然后在相同條件下重復(fù)測(cè)試的結(jié)果，這次僅在不同的缸內(nèi)檢測(cè)到一次LSPI，且沒(méi)有導(dǎo)致超級(jí)爆震。比較第一次LSPI現(xiàn)象和重復(fù)測(cè)試時(shí)唯一的一次LSPI現(xiàn)象的缸壓曲線，可以看出，第一次LSPI現(xiàn)象導(dǎo)致了超級(jí)爆震，而在重復(fù)測(cè)試中，壓力的波動(dòng)可以忽略不計(jì)。不論LSPI是否導(dǎo)致超級(jí)爆震，都應(yīng)該被歸類(lèi)于非正常燃燒，因?yàn)槠淙紵龎毫ι呗屎妥畲蟊l(fā)壓力都要遠(yuǎn)高于正常燃燒循環(huán)，其發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)也和正常燃燒循環(huán)不同。

對(duì)比了采用0W-20（供應(yīng)商2產(chǎn)品）在冷卻液105 ℃下重復(fù)試驗(yàn)的缸壓曲線在兩次測(cè)試中，都只檢測(cè)到一次獨(dú)立的LSPI現(xiàn)象。雖然兩次測(cè)試中的LSPI現(xiàn)象都發(fā)生在同一缸內(nèi)，但重復(fù)測(cè)試的LSPI并沒(méi)有導(dǎo)致超級(jí)爆震。

通過(guò)本次研究發(fā)現(xiàn)，LSPI是在一個(gè)復(fù)雜的條件下觸發(fā)的，受很多參數(shù)的影響，包括進(jìn)氣流量、排氣流量、進(jìn)入缸內(nèi)的液態(tài)機(jī)油顆粒的物理特性、卷吸作用再循環(huán)中液態(tài)機(jī)油顆粒的數(shù)量密度、掃氣時(shí)間和流量、進(jìn)氣系統(tǒng)的積碳情況等。因此，LSPI特性僅在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上描述才有意義。

4 總結(jié)

研究小組以一款直列4缸1.5 L 渦輪高增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)為測(cè)試對(duì)象，研究了曲軸箱機(jī)油特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)LSPI區(qū)域燃燒的影響。測(cè)試中用到的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油包括SAE 0W-20、0W-30、0W-40、5W-20、5W-30和5W-40。在測(cè)試中，燃油稀釋水平達(dá)到了6%。在這樣的燃油稀釋水平下，稀釋后的機(jī)油閃點(diǎn)下降了約150 ℃，這說(shuō)明燃油稀釋改變了曲軸箱機(jī)油的特性。無(wú)明顯跡象表明，測(cè)試中采用的SAE機(jī)油相比其他類(lèi)型機(jī)油對(duì)LSPI現(xiàn)象影響更強(qiáng)，無(wú)論是促進(jìn)或抑制LSPI。對(duì)測(cè)試中用到的所有機(jī)油，很難在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下，在同一缸內(nèi)復(fù)現(xiàn)相同的LSPI模式。這說(shuō)明LSPI現(xiàn)象是在復(fù)雜的條件下被觸發(fā)的，涉及很多相關(guān)變量，如進(jìn)氣流量、排氣流量、進(jìn)入缸內(nèi)的液態(tài)機(jī)油顆粒的物理特性、卷吸作用再循環(huán)的液態(tài)機(jī)油顆粒數(shù)量密度、掃氣持續(xù)期和流量、進(jìn)氣系統(tǒng)的積碳水平等。