燃油和機油組合對低速預燃的影響

【美】 M.C.KOCSIS T.BRIGGS G.ANDERSON

0 前言

為提高發動機效率以滿足當前和未來的CO2排放法規,發動機的發展趨勢是小型化和低速化。為保持車輛性能,需要發動機匹配渦輪增壓器以輸出較大的扭矩。這使發動機易于在一種非正常燃燒工況下運行,明顯不同于傳統預燃工況。這種非正常燃燒通常被稱為低速預燃(LSPI)。

目前,許多研究旨在找出低速預燃現象背后的機理。國際上主要有2種理論可以解釋引起低速預燃現象的原因,分別是液體飛沫理論和沉積理論。液體飛沫理論是指,活塞縫隙區域的液體發生自燃,使火焰傳播燃燒提前,最終導致發動機缸內發生強烈的爆燃。依據液體飛沫理論的假設,預計燃油和機油特性將會影響低速預燃的發生。

Kosis等[1-2]在之前所做的試驗中,研究了機油配方和燃油特性(化學成分)對低速預燃特性的影響,但是沒有將兩者進行結合研究,而采用普通燃油測試所有的機油,或采用普通的機油測試所有的燃油。許多文獻將燃油特性[3-6]和機油特性對低速預燃特性的影響分隔開來進行研究。Kassai等[6]發表了一篇燃油和機油特性對低速預燃特性影響的研究文獻,依然將燃油與機油的影響分隔而論。這些研究結果顯示,磺酸鈣等機油添加劑有助于提高低速預燃的活性,而磺酸鎂等機油添加劑則更易于降低低速預燃的活性。同時,芳香族含量高的燃油會提高低速預燃的活性,較高蒸餾溫度(70～100℃范圍)的燃油也會提高低速預燃的活性。

這些研究的局限性在于僅以某種機油作為參照改變燃油特性,或者以某種燃油作為參照改變機油特性,進行單因素影響的規律研究。在許多研究中,將一種低速預燃活性中等的機油或燃油作為參照,適用于機油或燃油特性各自對低速預燃特性的影響,也適用于機油和燃油共同對發動機低速預燃特性的影響。在確定了各種機油和燃油特性對低速預燃的影響后,接下來需要研究機油和燃油兩者的相互影響。

為此,利用早期系列試驗中的燃油和機油原料,集合成小的矩陣。這能將燃油和機油進行組合,呈現出全范圍的低速預燃發生率。該研究將機油和燃油形成不同的組合,旨在確定低速預燃活性低的燃油是否能夠抵消低速預燃活性高的機油對低速預燃特性的影響,反之亦然。同時也研究了發動機中同時存在低速預燃活性高的燃油和機油時發生低速預燃情況的關鍵問題。

這些試驗的結果并不能確保與全球市場上真實燃油和機油的結果具有可比性。試驗所用燃油和機油均是專用設計,對市場上的燃油和機油中多種添加劑等細節忽略不計。然而,通過低速預燃特性試驗結果可以較好地預測燃油或機油的特性。

1 試驗方法

在2.0 L GM Ecotec LHU 發動機上進行了低速預燃研究。表1為該發動機的規格參數。發動機裝有溫度、壓力和流量測量儀。圖1示出了測量儀的布置點,表2示出各種測量儀的精度。由于該發動機具有較高的缸內爆壓(壓力約40 MPa),因此采用AVL 公司的GU22CK壓電傳感器進行缸壓測量。為了保持研究的一致性,采用文獻[1]中定義的試驗術語,詳見表3。

表1 發動機規格參數

圖1 測量儀安裝圖

表2 測量類型和公差要求

由于文獻[2]中的燃油數量有限,所以對文獻[1]、[2]中所用的循環進行了改進。試驗循環中去掉了低負荷/轉速工況的試驗段,因為之前的數據顯示低速工況的預燃次數少,對試驗結果的影響較小。圖2示出改進的試驗循環,發動機轉速固定于2 000 r/min。每一試驗段先進行2 000個穩態循環,然后在特定工況下進行25 000個循環試驗。試驗段之間包括暖機、冷卻和短暫的過渡工況。表4為發動機在高負荷/高速工況下的試驗條件。根據燃油的剩余量,試驗運行5個或者7個試驗段。

表3 對于低速預燃的定義

圖2 在發動機轉速2 000 r/min下修訂的循環試驗

2 試驗方法

2.1 低速預燃的確定

選擇2種試驗變量來識別發動機是否發生低速預燃：(1)峰值壓力(PP)；(2)2%已燃質量的曲軸轉角位置(MFB02)。低速預燃時峰值壓力超過了閾值,MFB02可能超過也可能未超過閾值,一般通過量產發動機上的爆燃傳感器可以監測到低速預燃現象。僅MFB02超過閾值的低速預燃現象不可能由爆燃傳感器監測到,也不會對發動機造成損壞,但是試驗中不希望發生這種不受控制的燃燒過程。

表4 發動機試驗條件

這種分類系統包括僅有峰值壓力超過閾值的循環,但通常不認為會發生預燃現象。峰值壓力閾值用于區分使發動機損壞的循環和過早發生的燃燒現象,但不會發展為嚴重惡化燃燒的循環。在該試驗程序開發期間,發現僅峰值壓力超過閾值的循環與其他2種循環相關。經研究,認為所包含的這些循環基于同一種假設而得出,即由于相同的機制引起較晚的燃燒相位。

圖3示出僅峰值壓力超過閾值的低速預燃循環的可視化研究及其氣缸壓力曲線。由于此時燃燒室內可視光較少,燃燒室某些地方和火核部位亮度較高。缸內點火時可以看到2個火核,一個火核在火花塞附近,另一個與預燃相關的火核出現在進氣門附近。

圖3 僅峰值壓力超過閾值的低速預燃

低速預燃循環是基于文獻[1]中的分析而確定的。使用格拉布斯準則剔除異常值,當峰值壓力或MFB02值與特定發動機氣缸和試驗段中的設定值不一致時,可認為是發生了低速預燃。

如果發生了以下任何一種情況,那么該發動機氣缸和試驗段中的1個工作循環被確定為異常值：(1)峰值壓力＞峰值壓力平均值+4.7×峰值壓力標準偏差；(2)MFB02＜MFB02平均值-4.7×MFB02標準偏差。采用以下步驟,確定每個試驗段和氣缸的低速預燃循環：(1)計算各缸在1個試驗段內,峰值壓力和MFB02的平均值和標準偏差；(2)確定超過峰值壓力和MFB02限值的異常值循環；(3)去掉第二步中的異常值循環后,重新計算平均值和標準偏差。重復第二步和第三步,直到剔除所有異常值。

2.2 試驗矩陣

基于可獲得的燃油和機油量及之前研究中低速預燃發生的次數,低速預燃試驗從金屬添加物矩陣中選擇了3種機油[1](機油G、L 和N),從燃油成分矩陣中選擇了3種燃油[2](燃油7、9和10)。文獻[2]中使用的燃油通過精煉油合成,并非單一成分,合成后的燃油類似于市場的實際燃油,但是一些參數仍需要嚴加控制。使用不同的精煉油,可合成不同的成分等級和不同沸點的燃油,而其他規格卻維持在恒定水平。為了涵蓋美國和歐洲各個等級的典型商用燃油,選擇了4種成分等級的燃油。在之前的研究中,低速預燃發生次數較多的機油和燃油被標識為“劣質油”,低速預燃發生次數較少的機油和燃油被標識為“優質油”,不易發生低速預燃的燃油芳香烴含量低,沸點較低,沸點在T70～T90范圍內。文獻[1]中不易發生低速預燃的機油,硫酸鈣含量通常較低。圖4示出低速預燃循環的平均次數和范圍(高于和低于平均數的區間)。在之前的研究中,試驗燃油運行時搭配1種基礎機油,而試驗機油則搭配1種基礎燃油。

圖4 燃油/機油組合的低速預燃結果

該研究選擇了6種燃油/機油組合,如表5所示。在3種機油試驗中,燃油7數量充足,而燃油9的供給則非常有限,所以用燃油9與低速預燃發生頻率中等的機油G 組合進行試驗。采用機油G 和燃油7組合運行,進行5個試驗段。這是為了確保有足夠的燃油剩余量,來進行“劣質機油”和“優質機油”與燃油7的組合試驗,剩余的組合則進行7段試驗。

表5 燃油/機油組合

為了驗證試驗的復現性,在試驗矩陣的初始和結尾,開展對基礎燃油和基礎機油(DEXOS許可的商用5W-30機油)的組合試驗,如表6所示。

表6 試驗順序

3 試驗結果

采用6種燃油/機油組合,共發生346次低速預燃(基礎試驗除外),1缸和4缸低速預燃次數最高,如圖5所示。74%的低速預燃事件為單循環,其中,燃油10(芳香烴含量高的乙醇燃料)和機油L(硅含量高、鋅含量低)的組合低速預燃發生率占69%。

圖6示出6種燃油/機油的組合,通過傳感器監測到發生低速預燃循環的總數。燃油9和燃油10的低速預燃循環包含峰值壓力和MFB02同時超過閾值的循環,僅MFB02 超過閾值的循環。燃油7 與機油N或機油L組合,都不會發生低速預燃循環。

圖5 基礎油料外各個氣缸的低速預燃發生次數(燃油/機油組合)

圖6 通過傳感器監測到的低速預燃循環頻率

3.1 燃油機油組合方差分析比較

為檢驗均方根(低速預燃+0.5)的變化,通過圖7所示的燃油/機油組合(包括2個基礎機油試驗段)及高負荷/高速條件下的試驗段,進行方差分析比較。

圖7 燃油機油組合矩陣方差分析設計

表7為方差分析結果。燃油/機油組合試驗中,均方根(低速預燃+0.5)為5%,統計差異顯著,試驗段的影響作用不明顯。均方根誤差(RMSE)為0.52,模型殘差與正態分布假設不沖突。

表7 燃油機油組合方差分析結果

通過“圖基法”多重比較試驗確定哪個燃油/機油組合與其他組合顯著不同,結果示于圖8。對各種燃油/機油組合的平方根(低速預燃+0.5)值進行最小二乘法處理,平方根通過方差分析獲得,處理值示于藍色菱形區域。圖9示出各個最小二乘法的圖基于95%置信區間,以顯示被測燃油/機油組合之間最小二乘法的差異性。結論如下：(1)在2個基礎試驗段,并未出現顯著差異。(2)燃油10與機油L 組合后,相比其他燃油/機油組合,均方根(低速預燃+0.5)明顯更大。(3)燃油9(低速預燃發生率中度)和機油G(低速預燃發生率中度)組合后,運行明顯不同于燃油10(低速預燃不良)和機油N(低速預燃良好)的組合。(4)如果不考慮與燃油組合的機油,相比其他燃油/機油組合,燃油7(低速預燃發生率小)的均方根(低速預燃+0.5)明顯更小。(5)與機油L 相比,機油N 與燃油10組合,低速預燃發生率約降低50%。如圖9所示,在5或7高負荷/高速試驗段中,均方根并無明顯差異(低速預燃+0.5)。

圖8 燃油/機油組合模型最小二乘法

圖9 基于試驗段的燃油/機油組合模型最小二乘法處理

4 結論

試驗結果顯示,發動機燃用正常的或者低速預燃發生率高的燃油時,使用低速預燃發生率低的機油可以降低低速預燃的發生率。低速預燃的發生率降低到使用基礎燃油/基礎機油組合時的水平,大約是低速預燃發生率高的燃油和基礎機油組合使用時的50%。這種機油并不能消除低速預燃的發生,但是相比實際使用中可預測的發生率而言,發生率下降50%,改善效果也十分顯著。

使用低速預燃發生率較低的機油,同時發動機使用低速預燃發生率小的燃油,改善結果非常顯著。與低速預燃發生率低的燃油進行組合,低速預燃發生率接近于零,明顯超越了機油對低速預燃的影響。試驗所用燃油為石蠟含量高的低沸點T90燃油,這種燃油不滿足當前的ASTM 汽油規范,所以研究結果更傾向于學術性,而非市場實用性。

相對于機油,燃油對低速預燃發生率具有更強的影響作用。低速預燃發生率低的燃油可完全忽略機油產生的影響,機油僅能部分抵消燃油對低速預燃的影響作用。但試驗結果顯示,采用低速預燃發生率低的機油可顯著降低使用“劣質”燃油所致的低速預燃高發生率。結論表明,開發能反映此事實的機油配方對于現階段發動機控制低速預燃發生率有益。