機油元素組分對低速早燃與超級爆震的影響

吳天寶，范亞東，李雪松，許敏

(上海交通大學汽車電子控制技術國家工程實驗室，上海 200240)

面對日益嚴格的排放法規，小型化是發動機發展的重要方向之一，而增壓直噴技術，是發動機小型化后保證動力性能的重要技術手段，渦輪增壓與電子增壓相結合的雙增壓系統也已進入學者們的研究范圍之內[1-3]。隨著發動機的強化，其進氣量、工作能量密度增加，同時工作狀態也更為劇烈，工作過程中缸壓峰值變大；低速大負荷情況下，隨機早燃發生的傾向也相應增加，早燃發生時運行狀態惡化，油耗增加，不利于節能減排[4-5]。低速早燃可能發展為重度爆震，甚至是超級爆震，而超級爆震對發動機的損害較大[6]。早燃的發生機理中缸內熱點是一個十分重要的因素，而機油組分對于增壓直噴發動機缸內熱點的強度與數量都有十分重要的影響[7-8]。現有研究表明，在壓縮上止點前噴入微量機油，能夠引起早燃并發展為超級爆震[9]，說明在發動機實際運行過程中，進入缸內的機油對早燃和超級爆震現象有直接影響。

機油添加劑組成是探索機油對早燃與超級爆震影響的重要研究方向[10-13]。在一定工況下，隨著機油添加劑的增加，低速早燃的頻次增加[10]。機油添加劑的元素組分也會影響機油的物理化學性質，如黏度，酸堿度等[11]。此外，早燃是超級爆震的必要不充分條件，發生超級爆震，必定發生早燃[6]。目前國內外學者主要從減少早燃發生的方向去研究如何避免超級爆震的發生。不同機油的臺架試驗表明，早燃頻次低，未必超級爆震次數少，因此減少早燃發生并不一定能夠減少超級爆震的次數。由于添加劑內不同元素組分會影響實際燃燒的機理和速率，可以借由添加不同元素組分的添加劑來影響早燃的發展結果。所以，在探究機油添加劑元素組分對早燃頻次影響的基礎上，進一步分析了機油添加劑元素組分與早燃向超級爆震發展的傾向及相應平均爆震強度之間的關系。評價機油性能的好壞，不應以早燃發生頻次的多少來判斷，早燃發展為超級爆震的次數應該是更為重要的指標。

1 試驗設備與方法

1.1 發動機參數與臺架配置

圖1示出了試驗臺架的布置情況。在本研究中，ECU數據通過控制電腦1之中的INCA標定軟件獲取，并通過標定軟件修改ECU相關控制邏輯，以配合試驗要求；缸壓數據、曲軸轉角由燃燒分析儀Ki-box獲取，送入控制電腦2中進行實時顯示；AVL電力測功機臺架數據以及各外接傳感器測量得來經由數采箱獲取的數據直接送入主控電腦之中。試驗過程中建立3臺控制電腦之間的通信，組成局域網，將全部數據傳輸至主控電腦，通過PUMA控制系統進行試驗相關操作以及整體監控。

圖1 試驗臺架系統布置

試驗用發動機為1臺4缸2.0 L渦輪增壓直噴汽油機，其主要技術參數見表1。

表1 發動機主要技術參數

1.2 試驗流程

在試驗過程中，為防止不同機油的相互干擾，需要在試驗間隔中進行機油排放和清潔。注入新機油后，進行早燃試驗，試驗通過PUMA控制系統控制邊界條件(見表2)。通過熱電偶進行溫度測量，證明試驗設備控溫性能可以實現上述要求。試驗過程中利用INCA標定軟件關閉ECU自動加濃機制，以維持試驗過程中空燃比為1。熱機完成后，在轉速1 750 r/min、扭矩320 N·m (全負荷)條件下運行，待邊界條件達到預定值后開始試驗[14-15]。

表2 試驗工況

本試驗中發動機測試循環周期見圖2。開始測量后，在轉速1 750 r/min、扭矩320 N·m、中冷水溫40 ℃狀態運行15 min，利用燃燒分析儀Ki-box獲取到缸壓、曲軸轉角等數據，在設定好的判斷原則之下，自動判斷是否發生早燃，并記錄其間早燃發生時前后50個循環內的缸壓、缸壓振蕩峰峰值、AI10等數據；然后保持轉速不變，將扭矩降至50 N·m運行5 min，以清除缸內積炭，并保證發動機的穩定運行；接著再將扭矩升高到320 N·m，待中冷出水溫度回到40 ℃后進行重復試驗。為避免早燃的隨機性對試驗結果造成影響，每種機油進行18次早燃重復性測試，共計超過245 000個進排氣循環的試驗。

圖2 發動機測試循環示意

完成一種機油的早燃試驗后，對發動機進行清洗，隔天注入其他待測機油進行相同試驗。對5種添加劑元素組分各不相同的機油進行早燃試驗，試驗后進行數據對比分析，以研究機油添加劑元素組分對早燃頻次、早燃向重度超級爆震發展傾向及相應平均爆震強度的影響。

1.3 早燃與爆震定義

早燃是發動機在火花塞點火前發生著火的一種非常規著火現象[16]。提前著火使得燃油提前被消耗，累計熱釋放率10%點(AI10)對應曲軸轉角提前。由表2可知，試驗過程中發動機點火角為10.5°ATDC。根據15次早燃發生時共計1 500個循環的AI10實測數據來看(見圖3)，在1 750 r/min工況下，火花塞點火正常燃燒的最小遲滯時間對應曲軸轉角為7.5°，所以在本研究中，檢測到AI10出現時刻早于18°ATDC則視為發生早燃。

圖3 早燃發生對應循環AI10實測數據

早期的研究中并沒有將早燃和超級爆震相區分，近幾年隨著高增壓缸內直噴發動機的出現，低速大負荷下早燃與超級爆震現象的影響愈發明顯，這兩種現象也引起了國內外學者的重視。清華大學王志等[6]提出早燃與超級爆震之間有著密切關系(見圖4)，發生早燃并不一定發生超級爆震，而超級爆震發生時，必定先發生了早燃。本研究根據早燃發生后是否發生爆震以及爆震發生后其強度大小，將早燃發展的結果分為正常燃燒(不發生爆震)、輕度爆震、重度爆震、超級爆震4種情況。

圖4 早燃與爆震之間的關系

由圖5可見，超級爆震發生時，缸壓數值出現顯著振蕩現象，并且最大缸壓(pmax)高于正常燃燒過程中其相應數值。爆震發生時的缸壓曲線經過高通濾波之后的振蕩壓力峰峰值(Kpeak)的大小體現了缸壓振蕩的劇烈程度，以此來表征爆震的強度大小。

本研究Kpeak與pmax的數值大小與輕度爆震、重度爆震以及超級爆震的對應關系如下：當Kpeak<0.1 MPa時，缸壓振蕩幅度極小，屬于正常燃燒過程；當0.1 MPa2 MPa并且pmax>10 MPa(正常運行過程壓力峰值的1.5倍)時，缸壓劇烈振蕩，壓力峰值及出現時刻均與正常運行狀況有極大差異，屬于超級爆震范疇[6，17-18]。圖6示出各級爆震示意。

圖5 爆震最大缸壓及其振蕩峰峰值

圖6 低速早燃發展結果與正常著火對比[17]

2 試驗結果與數據分析

2.1 試驗結果

根據1.3節中對早燃的定義，得到了5種機油(本研究中以A,B,C,D,E指代)在試驗過程中的早燃頻次，以及對應早燃各類發展結果的頻次分布(見圖7)。

圖7 各機油的早燃頻次及其發展結果

不同機油早燃頻次差異較為明顯，而機油A的3次試驗早燃頻次基本一致。不同機油早燃的發展結果分布也有明顯差異，機油A的3次試驗呈現的早燃發展結果分布趨勢也基本一致。說明試驗時間足夠長時，早燃發生的隨機性對試驗結果影響不大。 試驗中所使用機油的基礎油均為對添加劑、油封材料、涂料及礦物油有良好相容性的聚α-烯烴(PAO)，5種機油的主要區別在于添加劑部分元素組分以及由此引起的物理化學性質差異。為分析機油元素組分對早燃頻次及其發展結果的影響，本研究采用電感耦合等離子體光譜法對5種機油的元素組分進行了定性及定量分析，結果顯示5種機油元素組分主要包括硼(B)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鉬(Mo)、磷(P)、及鋅(Zn)六大元素，具體數值見表3。

表3 各機油主要元素質量濃度 μg/L

2.2 數據分析

2.2.1早燃發生時刻與其發展結果之間的關系

首先對整個試驗期內發生的217次早燃現象對應的早燃發生時刻(以10%燃油消耗點AI10為評價指標)、Kpeak、pmax進行分析以驗證試驗的可靠性并定性分析三者之間的關系。

早燃發生時刻越早，缸壓振蕩峰峰值越大(見圖8)。Kpeak>2 MPa的超級爆震對應的早燃發生時刻基本都再10°ATDC之前；重度爆震所對應的早燃發生時刻則主要集中在10°～15°ATDC之間；而輕度爆震與正常燃燒所對應的早燃發生時刻在10°～18°ATDC范圍內均有分布，但大部分位于15°～18°ATDC之間。此外，早燃發生時刻提前的最高點為-7.216°ATDC，對應缸壓振蕩峰峰值為10.35 MPa。

圖9示出了早燃發生時刻與最大缸壓的關系。由圖9可見，早燃發生時刻提前程度越高，最大缸壓也越大。與缸壓振蕩峰峰值和早燃發生時刻相關系數(R2=0.896 2)相比較，最大缸壓與早燃發生時刻之間的相關系數(R2=0.963 5)更大，相關性更高。

圖9 早燃發生時刻與最大缸壓的關系

結合圖8與圖9可以看出，AI10對應的曲軸轉角從18°ATDC開始逐步提前時，最大缸壓呈明顯上升趨勢，缸壓振蕩程度也隨之提高。在18°ATDC附近，缸壓振蕩峰峰值接近于0并且十分集中，缸壓上升速度也相對較小。因此可將18°ATDC作為判斷早燃發生與否的臨界值。本研究所定義的早燃后四種爆震區間對應的早燃發生時刻范圍也有著顯著區分，并且各自的集中程度也不相同。早燃發生時刻提前程度越高，對應的發展結果惡劣程度也越高。

2.2.2機油添加劑元素組分對早燃的影響

從表3中可以看出，各機油添加劑元素組分最大的差異來自于Ca元素含量。國內外學者的研究表明Ca元素的存在能夠促進早燃的發生[19]，所以本研究在對早燃的定義基礎上，以Ca元素促進早燃的發生為前提，根據圖7所示試驗結果對其他元素對早燃頻次的影響進行如下分析。

機油B除Mg元素含量極低外，其他各元素含量均為機油E的123%～124%，而機油B早燃頻次較高，說明在機油E的元素配比下，當各元素含量同時增加時，早燃頻次增加。

機油C中含有較多的Mg元素，Ca元素較少，其他元素含量與機油E相近。Ca元素的減少應當減少機油C試驗過程中發生的早燃頻次，但其早燃頻次很大程度高于機油E早燃頻次，說明Mg元素含量的上升較大程度提高了試驗過程中早燃發生的頻次，Mg元素能促進早燃的發生。

2.2.3機油添加劑元素組分對超級爆震的影響

由圖10可見，當Ca元素含量逐漸增加時，超級爆震發生的頻次逐漸增多，并且超級爆震頻次占早燃事件發展結果的比例逐漸增加。由此可見，Ca元素含量越高，超級爆震發生頻次越高，早燃發生后向超級爆震的發展傾向越大。Ca元素能促進早燃向超級爆震發展。

圖10 Ca元素含量與超級爆震頻次、占比的關系

由圖11 A，B，D，E 4種機油的試驗結果可以看出，隨著Ca元素含量逐漸增加，以缸壓振蕩峰峰值的平均數表征的超級爆震平均強度逐漸增大。Ca元素含量越高，爆震強度越大，Ca元素能夠促進爆震的增強。從表3中的元素含量可知，A，B，D，E 4種機油的Mg元素含量極低，而機油C中的Mg元素含量明顯較高。從圖11可見，機油C超級爆震平均強度高達8.218 MPa，高于其他4種機油，所以Mg元素增多會提升超級爆震的強度。

圖11 Ca元素含量與超級爆震強度的關系

3 結論

a) 總體而言，早燃發生時刻越提前，對應循環的最大缸壓振蕩峰峰值及最大缸壓越大，并且其發展結果越惡劣；

b) 按照文中E機油的配比同比增加各類元素會提升早燃頻次，機油添加劑中的Mg元素、B元素能促進早燃的發生；

c) 機油添加劑中Ca元素的含量越高，早燃向超級爆震轉化的傾向越嚴重，超級爆震次數越多，并且超級爆震平均強度越大，Mg元素增多會提升超級爆震的強度。