增壓直噴汽油機低速早燃問題研究

李智博，蔡自杰

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

0 引言

發(fā)動機增壓小型化是許多汽車廠商為提高發(fā)動機效率和實現(xiàn)二氧化碳排放標準而采用的有效途徑。對于汽油發(fā)動機來說，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)動機傾向于在相對較低的轉(zhuǎn)速下就能獲得最大扭矩，但需要在高負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發(fā)動機更高。此外缸內(nèi)直噴的燃油供給方式會導(dǎo)致汽缸濕壁增加，同時為實現(xiàn)發(fā)動機低摩擦損失，需采用低切向彈力活塞環(huán)設(shè)計，這使進入燃燒室的潤滑油增加,改變缸內(nèi)著火特性。所有這些技術(shù)發(fā)展的結(jié)合可能會導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)破壞性異常燃燒，如低速早燃，該名稱源自美國西南研究院所發(fā)現(xiàn)的“Low Speed Pre-ignition”問題[1]。早燃可能引發(fā)超級爆震，與常規(guī)爆震燃燒不同的是，超級爆震并不會因推遲點火而消除，也不能通過混合氣加濃、加強壁面?zhèn)鳠峄虿捎酶邩颂柶蛠肀苊?，而且超級爆震具有偶發(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)機制

LSPI的特征在于由火花塞以外的點火源，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)動機最大缸內(nèi)壓力比在正常循環(huán)中要大2或3倍。盡管這是一個在非常限定的工況條件下才會發(fā)生的隨機現(xiàn)象，并且可能發(fā)生頻次很低，但多次甚至單次LSPI會引起大量缸內(nèi)混合氣自燃，從而導(dǎo)致發(fā)動機關(guān)鍵零部件發(fā)生嚴重損壞。

小型增壓直噴發(fā)動機在相對較低的轉(zhuǎn)速下就能達到最大轉(zhuǎn)矩，并且在這個非常特定的區(qū)域最有可能發(fā)生LSPI，在這個區(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)中更容易達到混合氣的自燃溫度。此外，在發(fā)動機正?；鸹c火之前，低發(fā)動機轉(zhuǎn)速為LSPI提供了更充足的準備時間[3]。

已有大量研究表明：機油液滴和顆粒物能夠成為熱點并誘發(fā)早燃，進而引起超級爆震。機油通常由基礎(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，機油液滴竄入燃燒室后，由于含有滯燃期較短的長鏈成分，有可能成為混合氣中的熱點，并可能在正?；鸹c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)致超級爆震[1]。但機油液滴并不是誘發(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)計和運行工況有關(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，也可能作為熾熱點直接點燃混合氣[1]。

2 LSPI臺架試驗測試循環(huán)

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

3 LSPI的試驗判斷方法

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

θMFB2i<θign

其中：θMFB2i為第i循環(huán)2%累計放熱量時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置；σ為前100循環(huán)θMFB2i的標準差；θign為火花點火時刻。

在早燃循環(huán)中，燃燒始點明顯早于期望值。然而，從發(fā)動機耐久性的角度來看，監(jiān)測具有特別高缸壓峰值的早燃循環(huán)也是具有重要意義的。當由早燃釋放的熱量足以同時引燃大部分缸內(nèi)充量時就會出現(xiàn)超級爆震[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的標準差。

LSPI不一定引發(fā)超級爆震，但超級爆震的前提一定是LSPI的發(fā)生。LSPI可以引發(fā)超級爆震，也可以導(dǎo)致強烈爆震、輕微爆震和不爆震[1]。區(qū)分這兩種早燃類型也是重要的，因為可以及時發(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)措施以減少對發(fā)動機的損害。具有非常高的峰值壓力但不滿足早燃循環(huán)燃燒相位判斷準則的循環(huán)被認為是爆震燃燒。

4 機油添加劑對LSPI的影響

所有現(xiàn)代乘用車潤滑油都需要添加高堿性清凈劑，以保護發(fā)動機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，某些情況下也會使用鎂基清凈劑。已有許多研究調(diào)查了清凈劑對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組成的極性基團，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。文獻[3]中研究發(fā)現(xiàn)鈣基清凈劑對LSPI頻次的增加有明顯促進作用，但即使使用高濃度的鎂基清凈劑LSPI也不會出現(xiàn)。二烷基二硫代氨基甲酸鉬(MoDTC)可用于某些潤滑油添加劑組分以減少摩擦，文獻[3,6]中研究了MoDTC濃度對LSPI的影響，發(fā)現(xiàn)增加MoDTC的濃度對LSPI發(fā)生具有抑制作用。

5 燃油品質(zhì)對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早燃有所影響，但不能完整地描述對早燃或超級爆震傾向的影響[1]。文獻[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)域或缸壁的潤滑油液滴自燃引起的早燃現(xiàn)象中可能扮演著兩種獨立的角色。第一是燃油起稀釋潤滑油作用，并幫助潤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)性影響強烈。低揮發(fā)性燃油在混合氣形成過程蒸發(fā)量相對較小，所以較高比例的燃油將與缸壁接觸并與潤滑油混合。由于潤滑油的自燃溫度和辛烷值遠低于燃油，所以潤滑油的自燃特性在此時占主導(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稀釋的潤滑油液滴自燃特性的影響。一旦潤滑油液滴著火，會釋放足夠的熱量以引燃大量混合氣同時快速燃燒，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)的愈加嚴苛以及混合動力市場的發(fā)展，發(fā)動機增壓直噴小型化是大勢所趨，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滑油問題和顆粒物增加的問題最終會導(dǎo)致早燃的發(fā)生，并亦可引起對發(fā)動機損傷巨大的超級爆震。研究者可以通過發(fā)動機臺架試驗在線處理缸壓信號來識別并記錄LSPI和超級爆震的發(fā)生。小型增壓直噴發(fā)動機在相對較低的轉(zhuǎn)速下就能達到最大轉(zhuǎn)矩，并且在這個特定的工況下最有可能發(fā)生LSPI。機油液滴和顆粒物能夠成為熱點并誘發(fā)LSPI，機油添加劑對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爆震次數(shù)。直噴增壓汽油機早燃問題的解決不僅要求在發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計和電控策略上深入研究，同時還需要潤滑油公司繼續(xù)研究更加優(yōu)良的添加劑以減少對抑制早燃的不利影響。