增压直喷汽油机低速早燃问题研究

李智博，蔡自杰

(郑州信息科技职业学院机电工程学院，河南郑州 450000)

0 引言

发动机增压小型化是许多汽车厂商为提高发动机效率和实现二氧化碳排放标准而采用的有效途径。对于汽油发动机来说，减小排量并采用增压技术，比功率增加，可以显著减少法规驾驶循环中常用工况的摩擦损失和泵气损失。这些小型化发动机倾向于在相对较低的转速下就能获得最大扭矩，但需要在高负荷工况下采用推迟燃烧以避免爆震，由此产生的低有效膨胀比导致残余废气温度比非高排放等级发动机更高。此外缸内直喷的燃油供给方式会导致汽缸湿壁增加，同时为实现发动机低摩擦损失，需采用低切向弹力活塞环设计，这使进入燃烧室的润滑油增加,改变缸内着火特性。所有这些技术发展的结合可能会导致发动机出现破坏性异常燃烧，如低速早燃，该名称源自美国西南研究院所发现的“Low Speed Pre-ignition”问题[1]。早燃可能引发超级爆震，与常规爆震燃烧不同的是，超级爆震并不会因推迟点火而消除，也不能通过混合气加浓、加强壁面传热或采用高标号汽油来避免，而且超级爆震具有偶发性和间歇性，影响因素众多。目前早燃问题已成为汽油机继续提高功率密度和降低油耗的一大障碍[1]。

1 LSPI的诱发机制

LSPI的特征在于由火花塞以外的点火源，例如高化学活性或已自燃的油滴以及炽热的颗粒沉积物引发的过早放热[2]。这可能导致部分或全部混合气的快速燃烧，导致发动机最大缸内压力比在正常循环中要大2或3倍。尽管这是一个在非常限定的工况条件下才会发生的随机现象，并且可能发生频次很低，但多次甚至单次LSPI会引起大量缸内混合气自燃，从而导致发动机关键零部件发生严重损坏。

小型增压直喷发动机在相对较低的转速下就能达到最大转矩，并且在这个非常特定的区域最有可能发生LSPI，在这个区域对应的工况下缸内峰值压力接近最大值，燃烧相位处于最大推迟状态，残余废气的温度增加，使得在随后的循环中更容易达到混合气的自燃温度。此外，在发动机正常火花点火之前，低发动机转速为LSPI提供了更充足的准备时间[3]。

已有大量研究表明：机油液滴和颗粒物能够成为热点并诱发早燃，进而引起超级爆震。机油通常由基础油以及清净剂、分散剂、抗氧抗腐剂、防锈剂、乳化剂等众多添加剂组成，机油液滴窜入燃烧室后，由于含有滞燃期较短的长链成分，有可能成为混合气中的热点，并可能在正常火花点火前先发生自燃，引燃周围混合气从而诱发早燃，并最终可能导致超级爆震[1]。但机油液滴并不是诱发早燃的唯一原因，燃烧室内的残余颗粒物也与早燃发生存在紧密联系，颗粒物生成与燃油品质、燃烧室结构设计和运行工况有关，作为不完全燃烧的产物，颗粒物既有可能残留在燃烧室中并在下一循环首先发生表面氧化反应并引燃周围混合气从而诱发早燃，也可能作为炽热点直接点燃混合气[1]。

2 LSPI台架试验测试循环

可以通过测量和分析缸内压力来检测并记录LSPI的发生。已有文献指出，测试开始时燃烧室的状况(例如当前沉积物的种类和数量)会显著影响测试结果[4]。因此为确保试验结果可靠性，文献[3]中所采用的测试循环以清扫燃烧室的准备阶段开始，确保在每次LSPI测试过程之前燃烧室处于相同状态。通过发动机在适当高转速半负荷稀燃工况下来实现初始测试阶段的燃烧室沉积物的清扫，从而在燃烧室清洁状态下评估发动机的性能。在初始测试阶段之后，发动机进入以最大扭矩和能获得最大扭矩的最小转速为运行工况的LSPI测试阶段。在一组LSPI测试阶段之后，发动机进入旨在增加燃烧室沉积物的阶段，从而评估由长时间怠速工况运行导致的“脏”燃烧室状况下的LSPI特性。

3 LSPI的试验判断方法

可以通过在线处理缸压信号来识别并记录LSPI的发生，如果某一循环燃烧始点明显早于正常循环或者早于火花点火时刻，则此循环定义为早燃循环[3]。这两个逻辑条件可由以下公式定义：

θMFB2i<θign

其中：θMFB2i为第i循环2%累计放热量时对应的曲轴转角位置；σ为前100循环θMFB2i的标准差；θign为火花点火时刻。

在早燃循环中，燃烧始点明显早于期望值。然而，从发动机耐久性的角度来看，监测具有特别高缸压峰值的早燃循环也是具有重要意义的。当由早燃释放的热量足以同时引燃大部分缸内充量时就会出现超级爆震[3]，可使用以下公式来判断这种特殊的早燃事件：

其中：pmaxi为第i循环的缸压峰值；σ为前100循环pmaxi的标准差。

LSPI不一定引发超级爆震，但超级爆震的前提一定是LSPI的发生。LSPI可以引发超级爆震，也可以导致强烈爆震、轻微爆震和不爆震[1]。区分这两种早燃类型也是重要的，因为可以及时发现伴随着过高缸压且具有潜在破坏性的的早燃循环，并采取相应措施以减少对发动机的损害。具有非常高的峰值压力但不满足早燃循环燃烧相位判断准则的循环被认为是爆震燃烧。

4 机油添加剂对LSPI的影响

所有现代乘用车润滑油都需要添加高碱性清净剂，以保护发动机免受沉积物和酸性物质积聚的影响。乘用车通常使用钙基清净剂，某些情况下也会使用镁基清净剂。已有许多研究调查了清净剂对LSPI的影响[3-6]。钙基和镁基清净剂等这些碱土金属添加剂典型地以碳酸盐和氢氧化物颗粒存在，在亲脂性皂分子溶液中稳定，并形成胶束。清净剂通常具有处于头部位置的由附着于颗粒的磺酸盐、酚盐或水杨酸盐官能团组成的极性基团，以及可以在溶液中稳定胶束的处于尾部的亲油烃基基团。文献[3]中研究发现钙基清净剂对LSPI频次的增加有明显促进作用，但即使使用高浓度的镁基清净剂LSPI也不会出现。二烷基二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)可用于某些润滑油添加剂组分以减少摩擦，文献[3,6]中研究了MoDTC浓度对LSPI的影响，发现增加MoDTC的浓度对LSPI发生具有抑制作用。

5 燃油品质对LSPI的影响

燃油辛烷值和爆震燃烧之间关系是明确的，且辛烷值在一定程度上对早燃有所影响，但不能完整地描述对早燃或超级爆震倾向的影响[1]。文献[3]中研究发现LSPI倾向和燃油辛烷值之间没有表现出直接相关性，但随着辛烷值的提高，超级爆震次数减少。

燃油在影响由离开活塞顶环岸区域或缸壁的润滑油液滴自燃引起的早燃现象中可能扮演着两种独立的角色。第一是燃油起稀释润滑油作用，并帮助润滑油从缸壁或活塞顶环岸区域分离，此种情况下稀释润滑油的燃油数量是重要的，且稀释量的大小受燃油挥发性影响强烈。低挥发性燃油在混合气形成过程蒸发量相对较小，所以较高比例的燃油将与缸壁接触并与润滑油混合。由于润滑油的自燃温度和辛烷值远低于燃油，所以润滑油的自燃特性在此时占主导地位，而燃油的辛烷值并不那么重要。第二是燃油辛烷值对稀释的润滑油液滴自燃特性的影响。一旦润滑油液滴着火，会释放足够的热量以引燃大量混合气同时快速燃烧，这种情况发生的可能性将取决于燃油抵抗自燃的能力，因此燃油辛烷值在此过程中占主导地位。

6 结语

随着排放和油耗法规的愈加严苛以及混合动力市场的发展，发动机增压直喷小型化是大势所趋，但这引起的缸内压力和温度的增加以及汽油直喷引起的湿壁稀释润滑油问题和颗粒物增加的问题最终会导致早燃的发生，并亦可引起对发动机损伤巨大的超级爆震。研究者可以通过发动机台架试验在线处理缸压信号来识别并记录LSPI和超级爆震的发生。小型增压直喷发动机在相对较低的转速下就能达到最大转矩，并且在这个特定的工况下最有可能发生LSPI。机油液滴和颗粒物能够成为热点并诱发LSPI，机油添加剂对LSPI发生的频次有一定的影响，燃油辛烷值的提高能减少超级爆震次数。直喷增压汽油机早燃问题的解决不仅要求在发动机结构设计和电控策略上深入研究，同时还需要润滑油公司继续研究更加优良的添加剂以减少对抑制早燃的不利影响。