汽油和機油組分對早燃影響的研究

祝 勇 沙 園 胡云昊 楊友文 徐紅林 馬振堃

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804)

0 概述

發動機的輕量化和小型化可以改善燃油經濟性并降低CO2排放，是發動機發展的重要趨勢，正在日益受到整車及發動機廠商的重視。渦輪增壓技術可以有效實現小型化，提高燃燒效率、改善油耗并提升發動機的瞬態響應性[1]，但是隨之也帶來一些問題。由于需要不斷升壓來補償因發動機排量降低而造成的功率和扭矩的損失，進氣量增加后缸內壓力和溫度不斷提升。由于低速段扭矩需求高，導致了低速隨機早燃(LSPI)的發生。在極端情況下，早燃會導致活塞損壞、活塞環斷裂，以及連桿體彎折等破壞。由于輕量化和小型化是未來發動機設計的重點之一，新一代發動機對早燃極其敏感，因此了解和控制早燃的發生有非常重要的意義。

汽油的品質對早燃有重要的影響，但目前該影響機理還沒達成共識。有些研究表明，和早燃相關的汽油質量指標主要為研究法辛烷值(RON)、90%蒸發溫度(T90)、芳烴含量和金屬元素含量[2-3]。其中，T90、芳烴和錳元素主要影響早燃的頻次，RON主要影響早燃發生的嚴重度。烯烴和烷烴對早燃的影響比較小，烯烴甚至能抑制早燃發生。以上指標影響早燃的本質原因至今還未達成共識。比如，在芳烴中含碳數的組分對早燃的影響至今沒有論文來證實，而這正是本文的研究方向之一。

除了汽油以外，發動機油的品質也對早燃有重要的影響。一些研究表明，在氣缸內由于汽油液滴和發動機油混合后導致發動機油粘度降低，再通過竄氣的作用進入燃燒室，由于發動機油的自燃點變低，在氣缸內霧化后提前自燃，從而導致早燃的發生[4]。而有些研究卻認為，剝落的固態沉積物是早燃的發生來源。多項研究表明，不同發動機油的粘度、添加劑中金屬元素含量等均可能會對早燃產生不同的影響[2,5-6]。因此，隨著未來發動機發展趨勢的變化，對發動機油的選擇也會產生重大的變革。整車與發動機廠更傾向于選擇抗早燃、鈣鎂復合、低灰分的發動機油。

1 試驗方法

1.1 試驗條件

圖1 LSPI試驗臺架

試驗臺架如圖1所示。汽油機早燃主要發生在缸內直噴機型上，因而本試驗分別對2.0T和1.5T發動機進行了早燃試驗研究。2款發動機均配置了缸內直噴、渦輪增壓和DVVT等技術，表1為2款發動機的主要技術參數。

表1 發動機主要技術參數

1.2 試驗工況

本次早燃試驗選取低速全負荷工況，測試工況分別為發動機轉速1 500 r/min、節氣門全開(WOT)，發動機轉速1 750 r/min、WOT和發動機轉速2 000 r/min、WOT。在每個轉速早燃試驗開始前，發動機轉速穩定在4 000 r/min，平均有效壓力(BMEP)為1.0 kPa，穩定運行10 min，用于清除缸內積碳。每個轉速進行6個測試循環，每個循環包含15 min測試過程(WOT狀態)和5 min冷卻過程(BMEP為0.2 kPa)，每個轉速試驗時間為130 min，圖2為發動機轉速1 500 r/min早燃試驗運行工況。

圖2 LSPI試驗工況

1.3 早燃監測

本次試驗在發動機缸蓋中安裝了打孔式氣缸壓力傳感器，通過測量缸內燃燒壓力來檢測早燃。本次試驗使用Kistler 6125C 缸內壓力傳感器，配套AVL 662 型燃燒分析儀記錄缸內壓力。燃燒分析儀中氣缸壓力限值為10 MPa。當缸內壓力超過10 MPa時，觸發燃燒分析儀對早燃的判斷，記錄該循環缸壓瞬態變化情況，以及該循環前50和后50個循環的氣缸壓力數據。圖3所示為早燃監控及數據記錄的示例。通過統計燃燒分析儀記錄的早燃次數，對試驗結果進行評估。

圖3 LSPI試驗工況下的壓力變化示例

2 試驗分析

2.1 汽油中重組分的含量與LSPI的關系

總體而言，T90可以直接體現汽油中重組分的含量。如圖4所示，本研究通過調整汽油中的組分含量，使不同汽油的T90位于145～175 ℃的區間，并使用這些汽油進行早燃試驗。這些汽油不含錳、鐵等金屬元素。如圖4所示，雖然在2臺發動機上實際表現略有不同，但T90對早燃頻次的影響表現形式是相同的。當T90很小時，2臺發動機均未發生早燃現象。隨著T90的上升，早燃頻次也逐步上升，當T90達到168 ℃時，2臺發動機的早燃頻次均達到了很高的水平。此時，2臺發動機的表現有所不同。雖然1.5T發動機在更寬的T90范圍內均無早燃發生，但當T90大于168 ℃時，1.5T發動機上發生的早燃，表現出更顯著的增長。

圖4 汽油T90對LSPI的影響

試驗對不同的高碳數烴類影響早燃頻次的表現進行了進一步研究。高碳數的烷烴和芳烴均是對T90貢獻較大的主要重組分。經西南研究院研究發現，芳烴含量增多造成早燃頻次的增加，而烷烴含量卻與早燃頻次不相關或者呈現弱相關關系[7]。本研究使用3種不同組分的汽油，碳數大于10的芳烴和烷烴組分的含量如表2所示。其中，汽油H1中同時含有碳數為11的芳烴和碳數為13的烷烴；H2中只含有碳數為11的芳烴；H3中只含有碳數為13的烷烴。3組汽油的早燃試驗均在2.0T發動機上進行，試驗結果如圖5所示。通過試驗結果可知：僅去除汽油中的高碳數烷烴，并不會減少早燃的發生頻次；去除高碳數芳烴，早燃頻次則大幅減少。因此，高碳數芳烴對早燃頻次的影響更為顯著。

表2 汽油H1、H2和H3的重組分芳烴和烷烴含量

圖5 重組分芳烴和烷烴對早燃的影響

接著，試驗對重組分芳烴含量和低速早燃的關系進行了研究。為了方便描述，本文將碳數大于或等于10的芳烴稱為“重組分芳烴”。將重組分芳烴含量不同的若干汽油在1.5T和2.0T發動機上分別進行早燃試驗。這些汽油的重組分芳烴含量在2.2%和8.5%之間，試驗結果如圖6所示。在2種發動機上，重組分芳烴含量與早燃頻次的關系表現形式是相同的。當重組分芳烴含量小于2.3%時，未發生早燃。隨著重組分芳烴含量的增長，早燃頻次也呈現線性增長。當重組分芳烴含量上升到8%以上時，早燃頻次呈現更快的增長趨勢。早燃頻次與汽油重組分芳烴含量的關系式及相關性系數如圖6和圖7所示。重組分芳烴含量對早燃頻次的影響在1.5T發動機上更為顯著。

圖6 重組分芳烴對早燃頻次的影響

通過進一步研究，區分碳數為10的芳烴和碳數大于10的芳烴對早燃影響的差異。如圖7所示，為“重組分芳烴”組分不同的汽油在1.5T和2.0T 2臺發動機上進行的早燃試驗結果。其中，汽油A中碳數為10的芳烴含量比汽油H低0.6%，相應地，其碳數大于10芳烴含量比汽油H高0.6%。從試驗結果可見，碳數大于10的芳烴對早燃的影響比碳數為10的芳烴更顯著，這結論在2臺發動機上的表現是一致的。

圖7 碳數為10的芳烴和碳數大于10的芳烴對早燃的影響

2.2 錳含量對LSPI的影響

為了研究錳含量對早燃頻次的影響，在T90為147 ℃(輕質)和170 ℃(重質)的汽油中分別加入約14 mg/kg的錳元素，形成表3中的4種汽油類型矩陣。

表3 汽油M1、M2、M3和M4的錳含量和T90

測試上述4種不同汽油在1.5T發動機上的早燃頻次，結果如圖8所示。由試驗可知，無論在輕質汽油還是在重質汽油中添加錳元素，都會大幅增加早燃頻次。其中，重質含錳汽油在1.5T發動機上的早燃頻次達到了很高的水平。根據Nomura等人的研究[3]，錳含量越高，對LSPI的影響越顯著，這與本研究結果一致。

圖8 汽油中的錳含量對早燃的影響

2.3 通過調整發動機油組分改善重質汽油的早燃頻次

圖9 通過降低鈣含量改善早燃

大量研究表明，發動機油的鈣含量會影響到發動機的早燃頻次，使用低鈣發動機油可以提高發動機的抗早燃能力。為了探究發動機在使用不含錳或含錳重質汽油時，不同鈣含量的發動機油對早燃頻次的影響情況，分別在1.5T和2.0T發動機上使用表3中的無錳重質汽油M3，在1.5T發動機上使用表3中的含錳重質汽油M4，測試了不同鈣含量的發動機油的早燃頻次，試驗結果如圖9所示。從圖9可知，不管使用何種重質汽油，減少發動機油的鈣含量都能夠有效降低發動機早燃頻次。其中，使用無錳重質汽油時，通過將發動機油的鈣含量降低至1 200 mg/kg，幾乎能夠完全消除早燃；當使用含錳重質汽油時，即使將發動機油的鈣含量降低至1 200 mg/kg時，早燃仍無法消除。

3 結論

汽油中的重組分含量對發動機早燃頻次有顯著影響。隨著T90的上升，早燃頻次明顯增加。碳數大于10的高碳數芳烴和烷烴對早燃頻次均有影響，其中高碳數芳烴對早燃頻次的影響更顯著。碳數大于10的高碳數芳烴的含量與早燃頻次具有線性相關性。相比碳數為10的高碳數芳烴，碳數大于10的高碳數芳烴對早燃頻次的影響更顯著。汽油中的錳含量對早燃頻次有顯著影響，無論汽油中重質組分含量高低，加入錳元素后，早燃頻次均大幅增加。通過降低發動機油中的鈣含量，可以有效降低早燃頻次。但使用含錳重質汽油時，即使將發動機油中的鈣含量降低到1 200 mg/kg，也無法完全消除早燃的產生。