某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)降低早燃發(fā)生頻次的研究

秦萬里 呂明杰 王云超

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

工信部、財(cái)務(wù)部等五部門發(fā)布的汽車行業(yè)“雙積分”政策已經(jīng)于2021 年1 月1 日開始實(shí)施。其中的CAFA 積分對(duì)車企傳統(tǒng)車輛的平均燃油消耗量提出了明確的要求。為應(yīng)對(duì)碳中和政策，發(fā)動(dòng)機(jī)增壓小型化成為各主機(jī)廠實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵舉措，然而增壓小型化引發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)早燃爆燃對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)度及耐久產(chǎn)生了極大挑戰(zhàn)。爆燃在標(biāo)定控制中可以通過推后發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火角去減弱；針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)早燃，目前標(biāo)定控制的主要措施為后保護(hù)。但是，低速早燃引發(fā)的超級(jí)爆燃，與常規(guī)爆燃燃燒不同的是超級(jí)爆燃并不會(huì)因推遲點(diǎn)火角而消除，也不能通過混合氣加濃、加強(qiáng)壁面?zhèn)鳠峄虿捎酶邩?biāo)號(hào)汽油來避免，且其最大的爆發(fā)壓力通常超過15 MPa，遠(yuǎn)超發(fā)動(dòng)機(jī)硬件，如活塞，火花塞等零部件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，且可以在極短的時(shí)間內(nèi)造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。超級(jí)爆燃具有偶發(fā)性和間歇性，影響因素眾多。目前早燃問題已經(jīng)成為汽油機(jī)繼續(xù)提供功率密度和降低油耗的一大障礙[1]。為探究低速早燃（LSPI）的解決方案，本文從機(jī)油及其添加劑，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，缸內(nèi)積碳等多個(gè)角度研究降低低速早燃發(fā)生的頻次，探討保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的措施。

1 低速早燃的發(fā)生機(jī)理分析

早燃是火花塞之外的點(diǎn)火源，例如高化學(xué)活性或已自燃的油滴以及熾熱的顆粒沉積物引發(fā)的提前燃燒，火焰引燃部分或者全部混合氣體并引發(fā)缸內(nèi)壓力波的振蕩，造成缸內(nèi)缸壓過大，部分工況最大爆發(fā)壓力超過20 MPa。此問題多出現(xiàn)在低速大負(fù)荷工況，且發(fā)生呈現(xiàn)隨機(jī)性，此現(xiàn)象又被稱為低速早燃。

大量研究表明，低速早燃與機(jī)油的成分，缸內(nèi)濕壁引發(fā)的積碳，運(yùn)行工況等多項(xiàng)因素有關(guān)[2]。

1.1 機(jī)油影響

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，部分機(jī)油液滴越過活塞環(huán)進(jìn)入缸內(nèi)，成為引燃混合氣的熱點(diǎn)，而機(jī)油組份中的Ca，Mg 元素含量的變化可以改變氧化反應(yīng)的傾向，低速早燃問題的發(fā)生[3]。目前多家機(jī)油供應(yīng)商針對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的低速早燃，提供抗早燃機(jī)油的解決方案，此方案對(duì)機(jī)油組份中的Ca，Mg，Mo 等元素的含量進(jìn)行的特殊控制，使其可以很大程度抑制早燃的發(fā)生。

1.2 積碳影響

噴油濕壁及燃燒不充分導(dǎo)致的缸內(nèi)積碳則是早燃的另一誘因，不完全燃燒引發(fā)的積碳沉積在缸內(nèi)形成熱點(diǎn)，在火花塞點(diǎn)火前點(diǎn)燃混合氣，引發(fā)低速早燃。

1.3 負(fù)荷影響

發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷也是影響低速早燃的又一關(guān)鍵因素，研究表明，誘發(fā)早燃時(shí)缸內(nèi)的能量密度對(duì)于LSPI發(fā)生時(shí)的能量具有決定性影響。因此，降低發(fā)生早燃時(shí)缸內(nèi)能量密度，降低負(fù)荷，可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)早燃的發(fā)生。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

試驗(yàn)在1 臺(tái)1.0 L 排量小型增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上開展，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1 所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)表

試驗(yàn)內(nèi)容分3 部分開展：1）驗(yàn)證積碳對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)早燃的影響；2）驗(yàn)證抗早燃機(jī)油對(duì)早燃的影響；3）驗(yàn)證負(fù)荷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)早燃的影響。

為對(duì)比不同工況的早燃頻次，試驗(yàn)采用劣化后的SL5W-30 機(jī)油，同時(shí)為確保試驗(yàn)條件一致，試驗(yàn)前均先開展3 000 r/min@150 N·m 的清積碳工況30 min。

2.1 濕壁及積碳對(duì)早燃頻次的影響

積碳工況：按照?qǐng)D1 工況累計(jì)運(yùn)行20 h 后用內(nèi)窺鏡檢查缸內(nèi)積碳情況（工況過渡時(shí)間5 s）；開啟低速小負(fù)荷工況的二次噴射（增加燃油濕壁，惡化燃燒以加重缸內(nèi)積碳情況）。

圖1 積碳過程實(shí)際運(yùn)行工況

早燃工況：如圖2 工況所示，變工況至1 400 r/min@100 N·m；3.5 s 內(nèi)加速至2 000 r/min 全負(fù)荷，穩(wěn)定時(shí)間10 s，確認(rèn)早燃次數(shù)。

圖2 早燃驗(yàn)證過程實(shí)際運(yùn)行工況

重復(fù)上述試驗(yàn)內(nèi)容至積碳工況100 h，確認(rèn)每次早燃工況的早燃次數(shù)，早燃驗(yàn)證結(jié)果如圖3 所示。

圖3 早燃次數(shù)的驗(yàn)證結(jié)果

伴隨試驗(yàn)時(shí)間累積，缸內(nèi)積碳量明顯增加，早燃次數(shù)明顯上升。

重新清除缸內(nèi)積碳，取消產(chǎn)生濕壁，燃燒較差的二次噴射，重復(fù)上述試驗(yàn)過程，早燃結(jié)果如圖4 所示。

圖4 清除積碳、噴射策略變更后的早燃次數(shù)

隨著驗(yàn)證時(shí)間的增加，積碳情況并未明顯惡化，早燃次數(shù)也未見明顯異常。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油對(duì)早燃頻次的影響

采用二次噴射積碳100 h 后的發(fā)動(dòng)機(jī)直接更換抗早燃SN plus 5W-30 機(jī)油，直接開展早燃驗(yàn)證，僅發(fā)生1 次早燃，抗早燃機(jī)油效果明顯。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷對(duì)早燃頻次的影響

試驗(yàn)工況：

1）2 000 r/min@205 N·m（全負(fù)荷）開展4 h 早燃驗(yàn)證試驗(yàn)，通過INCA 記錄早燃發(fā)生次數(shù)。

2）2 000 r/min@180 N·m 開展4 h 早燃驗(yàn)證，通過INCA 記錄早燃次數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，早燃次數(shù)的優(yōu)化比例為63.64%，且連續(xù)早燃發(fā)生次數(shù)明顯減少。

表2 不同負(fù)荷對(duì)早燃次數(shù)的影響結(jié)果

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)積碳及負(fù)荷綜合作用對(duì)早燃頻次的影響

為對(duì)已經(jīng)識(shí)別到的積碳和限扭的總體效果進(jìn)行確認(rèn)，重新策劃試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：通過對(duì)前期在吐魯番實(shí)際做早燃驗(yàn)證時(shí)采集到爬坡工況的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為臺(tái)架的發(fā)動(dòng)機(jī)工況，并開展劣化后機(jī)油的早燃驗(yàn)證，具體工況如圖5 所示。

圖5 爬坡工況轉(zhuǎn)化的發(fā)動(dòng)機(jī)早燃驗(yàn)證工況

結(jié)果如表3 所示，減少燃油濕壁，降低缸內(nèi)積碳量及適當(dāng)降低轉(zhuǎn)矩（205 N·m →180 N·m），早燃次數(shù)優(yōu)化比例為81.8%，效果明顯。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)早燃次數(shù)驗(yàn)證結(jié)果

3 結(jié)論

在發(fā)動(dòng)機(jī)增壓小型化的發(fā)展過程中，低速早燃對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件強(qiáng)度的影響已經(jīng)成為限制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步提升的關(guān)鍵。使用抗早燃機(jī)油，優(yōu)化燃燒，減少積碳以及適當(dāng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)早燃發(fā)生區(qū)域的負(fù)荷都能有效降低低速早燃的發(fā)生頻率。通過上述的試驗(yàn)策劃及驗(yàn)證結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1）抗早燃機(jī)油的應(yīng)用對(duì)于提升增壓小型化發(fā)動(dòng)機(jī)的抗早燃能力，降低早燃次數(shù)的發(fā)生具有良好的抑制效果，但受限于保養(yǎng)成本，只能推薦而無法強(qiáng)制客戶使用。

2）缸內(nèi)積碳的增加會(huì)誘發(fā)低速早燃的發(fā)生，優(yōu)化燃燒開發(fā)，優(yōu)化標(biāo)定策略，減少濕壁和積碳，從而有效降低低速早燃的發(fā)生。

3）針對(duì)低速早燃發(fā)生的重點(diǎn)區(qū)域，適當(dāng)限制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)早燃有明顯的抑制效果。

4）針對(duì)客戶不按照推薦使用抗早燃機(jī)油進(jìn)行保養(yǎng)，組合采用優(yōu)化燃燒及標(biāo)定策略，適當(dāng)限制早燃區(qū)域的轉(zhuǎn)矩對(duì)于保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)有重要意義。