曲軸箱機油特性對低速提前點火（LSPI）現象的影響

胡庭軍 ， 苗瑞剛 ， 陳 斌

（江鈴汽車股份有限公司產品研發總院，江西 南昌 330001）

1 研究背景

對均質混合燃燒的直噴增壓汽油機（TGDI），提前點火（PI）現象是經常發生的，通常發生在轉速<2 500 rpm和平均有效制動壓力（BMEP）≥15 bar的條件下。這種不正常燃燒現象被稱為低速預燃現象（LSPI）。由于PI發生的時間比正常燃燒火花塞點火時刻要早得多，通常會導致嚴重的爆震燃燒。該不正常燃燒現象可分為由PI引發的早燃、快速燃燒和壓力波動劇烈的嚴重爆震燃燒三個階段，高增壓1.5 L TGDI發動機在1 500 rpm工況下正常缸壓曲線與超級爆震燃燒缸壓曲線對比如圖1所示。由于爆震燃燒過程中的壓力波動與正常燃燒的燃燒壓力峰值（PFP）在同一數量級，PI引起的異常燃燒也被稱為超級爆震。

圖1 高增壓1.5 L TGDI發動機在1 500 rpm工況下正常缸壓曲線與超級爆震燃燒缸壓曲線對比

曲軸箱機油的液態顆粒進入發動機缸內通常被認為是造成LSPI現象的原因[1-5]。對增壓直噴發動機，機油進入缸內的主要途徑有兩個：通過活塞與缸套的間隙傳輸，通過通風再循環或油箱的機油加載過程。據研究，輸送機油量隨著發動機轉速增加而增加；在給定轉速下，輸送機油量隨發動機負荷的增加而減少，這是由于氣缸壁的機油蒸發量增加[6]。這表明，機油傳輸過程可能不是造成在低速高負荷工況點條件下的LSPI現象的唯一原因[6]。

本次研究目的是理解不同SAE黏度等級的曲軸箱機油對LSPI現象的影響。在同款發動機的相同負荷下，測試了市場上6種不同的發動機機油。測試的機油來自兩個不同的國際供應商，包括：SAE 0W-20，0W-30，0W-40，5W-20，5W-30和5W-40。

本次研究的發動機是一款直列4缸1.5 L渦輪高增壓直噴發動機，燃料為RON93汽油。該發動機裝配有高效的廢氣渦輪增壓機和雙凸輪相位器，允許進氣和排氣凸輪獨立移動范圍達到60° CA。該發動機為高增壓，且具有寬幅扭矩曲線涵蓋低速1 500 rpm到高速4 600 rpm。側置的噴油器有6個噴油孔，最大噴射壓力為150 bar。基礎機油為SAE 5W-30合成油，具有耐高溫、高剪切性能。圖2展示了本次測試中采用的RON93汽油的蒸餾曲線。發動機運行的油溫范圍標記為陰影區域，以作為參考。由圖2可見，當機油溫度大于140 ℃時，多達25%的汽油混入了機油中導致了燃油稀釋，這在TGDI發動機中是不可避免的[7]。

圖2 RON93汽油的蒸餾特性曲線

2 缸內液態機油顆粒成為點火源的條件

圖3展示了發動機缸內液態機油顆粒點燃油混合氣的過程。機油的閃點是機油轉換為蒸汽的溫度，如果此時機油附近還有氧氣，則可被點燃。然而，液態機油顆粒很難轉換為點火源，因為機油蒸汽會快速霧化且液態機油顆粒在缸套和燃燒室的壁面上的溫度由于水冷很難達到300 ℃。然而，高增壓直噴發動機的曲軸箱機油物性會受到燃油稀釋而改變，如受到缸內燃油蒸汽凝結、缸內燃油與缸套壁面接觸后稀釋、缸內燃油撞擊活塞頂部的燃油噴霧等的影響，最高會提高10%以上。在發動機低速高負荷條件下，燃油稀釋的程度較高，因此，混入機油的大部分汽油組分會一直存留。而汽油中的重組分的自動點火溫度，較未稀釋的機油要低（未稀釋機油的自動點火溫度通常在300 ℃～350 ℃）。稀釋后的機油的可燃性主要受揮發性最強的組分影響，即汽油中具有低沸點和低自燃溫度的汽油組分。

圖3 缸內機油顆粒成為點火源的過程

圖4顯示了汽油含量對機油5W-30的閃點（正方標識線）和燃點（三角標識線）的影響。可以看到，閃點和燃點都隨著汽油含量的增加而降低。因此，燃油稀釋導致進入發動機缸內的液態機油顆粒的揮發性、可燃性及點火性降低，這導致它們在壓縮沖程后期有很高的自燃傾向。

圖4 稀釋后曲軸箱機油的測試閃點及燃點

研究發現，LSPI的發生頻率隨著機油的自動點火溫度降低而增加[8]。根據研究數據，LSPI頻率與發動機機油自動點火溫度之間的關系如圖5所示，可知，燃油稀釋與LSPI之間存在強相關性。

圖5 LSPI頻率與油品自動點火溫度的關系

3 不同機油的LSPI特征

3.1 LSPI的測試流程

如圖6所示，從低轉速進入LSPI區時，LSPI現象是不可避免的，但是從高速區進入卻很少發生LSPI，圖中紅色線區域（即Zone of LSPI）為LSPI發生的轉速與負荷區，綠色線區域（即zone of scanvenging）為掃氣區。圖6中也展示了全負荷下的進氣、排氣歧管的壓力。對本次研究的發動機，在發動機轉速2 500 rpm以上，存在高溫廢氣在氣門疊開期由排氣道回流至進氣道的情況，該高溫回流氣體會使得附在進氣道及進氣門背部的部分液態機油顆粒蒸發；導致在掃氣階段進入缸內的液態機油顆粒要比從低轉速進入LSPI區的情況要少。

圖6 進入LSPI區之前發動機轉速的影響

為了解不同類型發動機曲軸箱機油對LSPI特性的影響，在同一款發動機上測試了市場上6種不同的發動機機油。機油來自市場上兩個國際供應商的產品，包括SAE 0W-20、0W-30、0W-40、5W-20、5W-30、5W-40，均為合成油品。所有研究均在發動機缸內均質混合條件下進行。針對機油的LSPI特性的測試均遵循5 h測試流程，包括3.5 h的發動機調節工況和1.5 h的LSPI測試工況。在調節階段，發動機在高負荷條件下運行2.5 h，其中1 h運轉在4 000 rpm 70%負荷，另1.5 h在低端扭矩點運行，再接1 h怠速工況。調節階段后，發動機工況點由低端扭矩點切換至LSPI測試。兩次低端扭矩工況運行的目的不同，第一次是為了在進氣道和進氣門上生成積碳累積，第二次則是為了進入LSPI測試工況。

3.2 不同機油的LSPI特性

為了考慮發動機冷卻液溫度對LSPI的影響，分別在90 ℃和105 ℃的冷卻液溫度條件下進行了測試。每次測試結束后，都測量了燃油稀釋水平和機油閃點。測試機油的稀釋水平如圖7所示。機油稀釋實驗根據標準ASTM D3525-04(2010)進行，代表了95%的稀釋概率。稀釋后機油的閃點在87 ℃～97 ℃范圍內，其中0W機油的閃點高于5W機油。該閃點值較新鮮機油低大約150 ℃，這說明機油的揮發性和可燃性受燃油稀釋作用影響明顯。

圖7 測試機油的稀釋水平

對于一些可重復性差的未知原因導致的LSPI現象，沒有被采用到比較當中。所選擇的結果呈現在表1到表4。結果表明，LSPI現象是高度隨機的。可以看到，0W機油不一定優于5W機油，機油黏度或發動機冷卻液溫度對LSPI的影響沒有呈現明顯的趨勢。發動機冷卻液溫度對LSPI的影響并不明顯。

表1 來自供應商1的機油，發動機冷卻液溫度90 ℃

表2 來自供應商1的機油，發動機冷卻液溫度105 ℃

表3 來自供應商2的機油，發動機冷卻液溫度90 ℃

表4 來自供應商2的機油，發動機冷卻液溫度105 ℃

為說明LSPI的隨機特性，使用0W-30發動機機油的LSPI測試結果（供應商1產品），冷卻液溫度為105 ℃。在這次特殊記錄數據中，LSPI現象連續記錄了有12次，其中11次都涉及超級爆震（高爆壓值循環）。然后在相同條件下重復測試的結果，這次僅在不同的缸內檢測到一次LSPI，且沒有導致超級爆震。比較第一次LSPI現象和重復測試時唯一的一次LSPI現象的缸壓曲線，可以看出，第一次LSPI現象導致了超級爆震，而在重復測試中，壓力的波動可以忽略不計。不論LSPI是否導致超級爆震，都應該被歸類于非正常燃燒，因為其燃燒壓力升高率和最大爆發壓力都要遠高于正常燃燒循環，其發動機振動也和正常燃燒循環不同。

對比了采用0W-20（供應商2產品）在冷卻液105 ℃下重復試驗的缸壓曲線在兩次測試中，都只檢測到一次獨立的LSPI現象。雖然兩次測試中的LSPI現象都發生在同一缸內，但重復測試的LSPI并沒有導致超級爆震。

通過本次研究發現，LSPI是在一個復雜的條件下觸發的，受很多參數的影響，包括進氣流量、排氣流量、進入缸內的液態機油顆粒的物理特性、卷吸作用再循環中液態機油顆粒的數量密度、掃氣時間和流量、進氣系統的積碳情況等。因此，LSPI特性僅在統計學意義上描述才有意義。

4 總結

研究小組以一款直列4缸1.5 L 渦輪高增壓直噴發動機為測試對象，研究了曲軸箱機油特性對發動機LSPI區域燃燒的影響。測試中用到的發動機機油包括SAE 0W-20、0W-30、0W-40、5W-20、5W-30和5W-40。在測試中，燃油稀釋水平達到了6%。在這樣的燃油稀釋水平下，稀釋后的機油閃點下降了約150 ℃，這說明燃油稀釋改變了曲軸箱機油的特性。無明顯跡象表明，測試中采用的SAE機油相比其他類型機油對LSPI現象影響更強，無論是促進或抑制LSPI。對測試中用到的所有機油，很難在相同的發動機運行工況下，在同一缸內復現相同的LSPI模式。這說明LSPI現象是在復雜的條件下被觸發的，涉及很多相關變量，如進氣流量、排氣流量、進入缸內的液態機油顆粒的物理特性、卷吸作用再循環的液態機油顆粒數量密度、掃氣持續期和流量、進氣系統的積碳水平等。