燃油和机油组合对低速预燃的影响

【美】 M.C.KOCSIS T.BRIGGS G.ANDERSON

0 前言

为提高发动机效率以满足当前和未来的CO2排放法规,发动机的发展趋势是小型化和低速化。为保持车辆性能,需要发动机匹配涡轮增压器以输出较大的扭矩。这使发动机易于在一种非正常燃烧工况下运行,明显不同于传统预燃工况。这种非正常燃烧通常被称为低速预燃(LSPI)。

目前,许多研究旨在找出低速预燃现象背后的机理。国际上主要有2种理论可以解释引起低速预燃现象的原因,分别是液体飞沫理论和沉积理论。液体飞沫理论是指,活塞缝隙区域的液体发生自燃,使火焰传播燃烧提前,最终导致发动机缸内发生强烈的爆燃。依据液体飞沫理论的假设,预计燃油和机油特性将会影响低速预燃的发生。

Kosis等[1-2]在之前所做的试验中,研究了机油配方和燃油特性(化学成分)对低速预燃特性的影响,但是没有将两者进行结合研究,而采用普通燃油测试所有的机油,或采用普通的机油测试所有的燃油。许多文献将燃油特性[3-6]和机油特性对低速预燃特性的影响分隔开来进行研究。Kassai等[6]发表了一篇燃油和机油特性对低速预燃特性影响的研究文献,依然将燃油与机油的影响分隔而论。这些研究结果显示,磺酸钙等机油添加剂有助于提高低速预燃的活性,而磺酸镁等机油添加剂则更易于降低低速预燃的活性。同时,芳香族含量高的燃油会提高低速预燃的活性,较高蒸馏温度(70～100℃范围)的燃油也会提高低速预燃的活性。

这些研究的局限性在于仅以某种机油作为参照改变燃油特性,或者以某种燃油作为参照改变机油特性,进行单因素影响的规律研究。在许多研究中,将一种低速预燃活性中等的机油或燃油作为参照,适用于机油或燃油特性各自对低速预燃特性的影响,也适用于机油和燃油共同对发动机低速预燃特性的影响。在确定了各种机油和燃油特性对低速预燃的影响后,接下来需要研究机油和燃油两者的相互影响。

为此,利用早期系列试验中的燃油和机油原料,集合成小的矩阵。这能将燃油和机油进行组合,呈现出全范围的低速预燃发生率。该研究将机油和燃油形成不同的组合,旨在确定低速预燃活性低的燃油是否能够抵消低速预燃活性高的机油对低速预燃特性的影响,反之亦然。同时也研究了发动机中同时存在低速预燃活性高的燃油和机油时发生低速预燃情况的关键问题。

这些试验的结果并不能确保与全球市场上真实燃油和机油的结果具有可比性。试验所用燃油和机油均是专用设计,对市场上的燃油和机油中多种添加剂等细节忽略不计。然而,通过低速预燃特性试验结果可以较好地预测燃油或机油的特性。

1 试验方法

在2.0 L GM Ecotec LHU 发动机上进行了低速预燃研究。表1为该发动机的规格参数。发动机装有温度、压力和流量测量仪。图1示出了测量仪的布置点,表2示出各种测量仪的精度。由于该发动机具有较高的缸内爆压(压力约40 MPa),因此采用AVL 公司的GU22CK压电传感器进行缸压测量。为了保持研究的一致性,采用文献[1]中定义的试验术语,详见表3。

表1 发动机规格参数

图1 测量仪安装图

表2 测量类型和公差要求

由于文献[2]中的燃油数量有限,所以对文献[1]、[2]中所用的循环进行了改进。试验循环中去掉了低负荷/转速工况的试验段,因为之前的数据显示低速工况的预燃次数少,对试验结果的影响较小。图2示出改进的试验循环,发动机转速固定于2 000 r/min。每一试验段先进行2 000个稳态循环,然后在特定工况下进行25 000个循环试验。试验段之间包括暖机、冷却和短暂的过渡工况。表4为发动机在高负荷/高速工况下的试验条件。根据燃油的剩余量,试验运行5个或者7个试验段。

表3 对于低速预燃的定义

图2 在发动机转速2 000 r/min下修订的循环试验

2 试验方法

2.1 低速预燃的确定

选择2种试验变量来识别发动机是否发生低速预燃：(1)峰值压力(PP)；(2)2%已燃质量的曲轴转角位置(MFB02)。低速预燃时峰值压力超过了阈值,MFB02可能超过也可能未超过阈值,一般通过量产发动机上的爆燃传感器可以监测到低速预燃现象。仅MFB02超过阈值的低速预燃现象不可能由爆燃传感器监测到,也不会对发动机造成损坏,但是试验中不希望发生这种不受控制的燃烧过程。

表4 发动机试验条件

这种分类系统包括仅有峰值压力超过阈值的循环,但通常不认为会发生预燃现象。峰值压力阈值用于区分使发动机损坏的循环和过早发生的燃烧现象,但不会发展为严重恶化燃烧的循环。在该试验程序开发期间,发现仅峰值压力超过阈值的循环与其他2种循环相关。经研究,认为所包含的这些循环基于同一种假设而得出,即由于相同的机制引起较晚的燃烧相位。

图3示出仅峰值压力超过阈值的低速预燃循环的可视化研究及其气缸压力曲线。由于此时燃烧室内可视光较少,燃烧室某些地方和火核部位亮度较高。缸内点火时可以看到2个火核,一个火核在火花塞附近,另一个与预燃相关的火核出现在进气门附近。

图3 仅峰值压力超过阈值的低速预燃

低速预燃循环是基于文献[1]中的分析而确定的。使用格拉布斯准则剔除异常值,当峰值压力或MFB02值与特定发动机气缸和试验段中的设定值不一致时,可认为是发生了低速预燃。

如果发生了以下任何一种情况,那么该发动机气缸和试验段中的1个工作循环被确定为异常值：(1)峰值压力＞峰值压力平均值+4.7×峰值压力标准偏差；(2)MFB02＜MFB02平均值-4.7×MFB02标准偏差。采用以下步骤,确定每个试验段和气缸的低速预燃循环：(1)计算各缸在1个试验段内,峰值压力和MFB02的平均值和标准偏差；(2)确定超过峰值压力和MFB02限值的异常值循环；(3)去掉第二步中的异常值循环后,重新计算平均值和标准偏差。重复第二步和第三步,直到剔除所有异常值。

2.2 试验矩阵

基于可获得的燃油和机油量及之前研究中低速预燃发生的次数,低速预燃试验从金属添加物矩阵中选择了3种机油[1](机油G、L 和N),从燃油成分矩阵中选择了3种燃油[2](燃油7、9和10)。文献[2]中使用的燃油通过精炼油合成,并非单一成分,合成后的燃油类似于市场的实际燃油,但是一些参数仍需要严加控制。使用不同的精炼油,可合成不同的成分等级和不同沸点的燃油,而其他规格却维持在恒定水平。为了涵盖美国和欧洲各个等级的典型商用燃油,选择了4种成分等级的燃油。在之前的研究中,低速预燃发生次数较多的机油和燃油被标识为“劣质油”,低速预燃发生次数较少的机油和燃油被标识为“优质油”,不易发生低速预燃的燃油芳香烃含量低,沸点较低,沸点在T70～T90范围内。文献[1]中不易发生低速预燃的机油,硫酸钙含量通常较低。图4示出低速预燃循环的平均次数和范围(高于和低于平均数的区间)。在之前的研究中,试验燃油运行时搭配1种基础机油,而试验机油则搭配1种基础燃油。

图4 燃油/机油组合的低速预燃结果

该研究选择了6种燃油/机油组合,如表5所示。在3种机油试验中,燃油7数量充足,而燃油9的供给则非常有限,所以用燃油9与低速预燃发生频率中等的机油G 组合进行试验。采用机油G 和燃油7组合运行,进行5个试验段。这是为了确保有足够的燃油剩余量,来进行“劣质机油”和“优质机油”与燃油7的组合试验,剩余的组合则进行7段试验。

表5 燃油/机油组合

为了验证试验的复现性,在试验矩阵的初始和结尾,开展对基础燃油和基础机油(DEXOS许可的商用5W-30机油)的组合试验,如表6所示。

表6 试验顺序

3 试验结果

采用6种燃油/机油组合,共发生346次低速预燃(基础试验除外),1缸和4缸低速预燃次数最高,如图5所示。74%的低速预燃事件为单循环,其中,燃油10(芳香烃含量高的乙醇燃料)和机油L(硅含量高、锌含量低)的组合低速预燃发生率占69%。

图6示出6种燃油/机油的组合,通过传感器监测到发生低速预燃循环的总数。燃油9和燃油10的低速预燃循环包含峰值压力和MFB02同时超过阈值的循环,仅MFB02 超过阈值的循环。燃油7 与机油N或机油L组合,都不会发生低速预燃循环。

图5 基础油料外各个气缸的低速预燃发生次数(燃油/机油组合)

图6 通过传感器监测到的低速预燃循环频率

3.1 燃油机油组合方差分析比较

为检验均方根(低速预燃+0.5)的变化,通过图7所示的燃油/机油组合(包括2个基础机油试验段)及高负荷/高速条件下的试验段,进行方差分析比较。

图7 燃油机油组合矩阵方差分析设计

表7为方差分析结果。燃油/机油组合试验中,均方根(低速预燃+0.5)为5%,统计差异显著,试验段的影响作用不明显。均方根误差(RMSE)为0.52,模型残差与正态分布假设不冲突。

表7 燃油机油组合方差分析结果

通过“图基法”多重比较试验确定哪个燃油/机油组合与其他组合显著不同,结果示于图8。对各种燃油/机油组合的平方根(低速预燃+0.5)值进行最小二乘法处理,平方根通过方差分析获得,处理值示于蓝色菱形区域。图9示出各个最小二乘法的图基于95%置信区间,以显示被测燃油/机油组合之间最小二乘法的差异性。结论如下：(1)在2个基础试验段,并未出现显著差异。(2)燃油10与机油L 组合后,相比其他燃油/机油组合,均方根(低速预燃+0.5)明显更大。(3)燃油9(低速预燃发生率中度)和机油G(低速预燃发生率中度)组合后,运行明显不同于燃油10(低速预燃不良)和机油N(低速预燃良好)的组合。(4)如果不考虑与燃油组合的机油,相比其他燃油/机油组合,燃油7(低速预燃发生率小)的均方根(低速预燃+0.5)明显更小。(5)与机油L 相比,机油N 与燃油10组合,低速预燃发生率约降低50%。如图9所示,在5或7高负荷/高速试验段中,均方根并无明显差异(低速预燃+0.5)。

图8 燃油/机油组合模型最小二乘法

图9 基于试验段的燃油/机油组合模型最小二乘法处理

4 结论

试验结果显示,发动机燃用正常的或者低速预燃发生率高的燃油时,使用低速预燃发生率低的机油可以降低低速预燃的发生率。低速预燃的发生率降低到使用基础燃油/基础机油组合时的水平,大约是低速预燃发生率高的燃油和基础机油组合使用时的50%。这种机油并不能消除低速预燃的发生,但是相比实际使用中可预测的发生率而言,发生率下降50%,改善效果也十分显著。

使用低速预燃发生率较低的机油,同时发动机使用低速预燃发生率小的燃油,改善结果非常显著。与低速预燃发生率低的燃油进行组合,低速预燃发生率接近于零,明显超越了机油对低速预燃的影响。试验所用燃油为石蜡含量高的低沸点T90燃油,这种燃油不满足当前的ASTM 汽油规范,所以研究结果更倾向于学术性,而非市场实用性。

相对于机油,燃油对低速预燃发生率具有更强的影响作用。低速预燃发生率低的燃油可完全忽略机油产生的影响,机油仅能部分抵消燃油对低速预燃的影响作用。但试验结果显示,采用低速预燃发生率低的机油可显著降低使用“劣质”燃油所致的低速预燃高发生率。结论表明,开发能反映此事实的机油配方对于现阶段发动机控制低速预燃发生率有益。