活化熱氛圍下潤(rùn)滑油自燃特性研究

賀孝愚+童孫禹+宛昕+胡宗杰+鄧俊李+理光

摘要：缸內(nèi)直噴和增壓已成為當(dāng)今汽油機(jī)技術(shù)的主流方向然而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)小型化和動(dòng)力性的提高增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了一種新的異常燃燒現(xiàn)象——早燃嚴(yán)重影響著發(fā)動(dòng)機(jī)性能和使用壽命。文章主要研究活化熱氛圍下潤(rùn)滑油的著火延遲期以探究潤(rùn)滑油成分對(duì)自燃特性的影響。在可控活化熱氛圍燃燒器臺(tái)架的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多組潤(rùn)滑油的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高潤(rùn)滑油的著火延遲期顯著降低。不同基礎(chǔ)油、清凈劑種類和鈣含量都對(duì)潤(rùn)滑油的著火延遲期有明顯影響。隨著潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度的增加著火延遲期增加；隨著鈣含量的增加著火延遲期降低；蒸發(fā)損失對(duì)著火延遲期沒有明顯影響。

關(guān)鍵詞：活化熱氛圍燃燒器；潤(rùn)滑油；自燃；著火延遲期

中圖分類號(hào)：TE6263文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002 3.1.19（2016）01 0059 06

0引言

早燃是指混合氣在火花塞點(diǎn)火之前即發(fā)生著火燃燒的不正常燃燒現(xiàn)象一般發(fā)生在低轉(zhuǎn)速（<3000 r/min）及高負(fù)荷（BEP>10 Pa）的情況下并且具有極強(qiáng)的隨機(jī)性和偶發(fā)性。早燃現(xiàn)象會(huì)誘使發(fā)生“超級(jí)爆震”其最大爆壓達(dá)到正常燃燒的2倍以上由此引起的提前放熱會(huì)導(dǎo)致極大的壓力和溫度梯度產(chǎn)生的沖擊波可能在瞬間導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損壞過大的熱負(fù)荷也可能會(huì)致使氣缸和活塞的熔化導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損毀。并且與普通爆震不同的是通過推遲點(diǎn)火角并不能抑制超級(jí)爆震的發(fā)生。由于至今還沒有找到徹底消除早燃的方法這種低速高負(fù)荷工況下間斷地、隨機(jī)地發(fā)生的早燃現(xiàn)象大大制約了發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的程度嚴(yán)重限制了功率密度的提升。因此對(duì)早燃現(xiàn)象的研究、檢測(cè)和控制是進(jìn)一步發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)小型化技術(shù)道路上必須解決的問題[1-3]。

通過已有的一些研究[4-7]發(fā)現(xiàn)諸如潤(rùn)滑油辛烷值大小、汽油的揮發(fā)性、進(jìn)氣相位、噴油策略及EGR會(huì)對(duì)早燃發(fā)生的頻率產(chǎn)生影響。目前普遍認(rèn)為汽油和潤(rùn)滑油組成的混合液滴因?yàn)閺?fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)而在火花塞點(diǎn)火之前自燃是引起早燃的原因。因此潤(rùn)滑油的理化特性對(duì)于研究早燃顯得至關(guān)重要。

劍橋大學(xué)Welling等人[5]對(duì)19種潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油和9種潤(rùn)滑油添加劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明潤(rùn)滑油的黏度和密度都會(huì)對(duì)早燃的發(fā)生頻率產(chǎn)生影響。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著黏度和密度的升高早燃的發(fā)生頻率呈下降趨勢(shì)。他們實(shí)驗(yàn)了19種不同基本組分的潤(rùn)滑油發(fā)現(xiàn)早燃頻率并不隨著芳香烴含量的降低而出現(xiàn)單一性的變化即潤(rùn)滑油中芳香烴含量的多少并不會(huì)對(duì)早燃頻率產(chǎn)生必然的影響。anfred mann等人[8]研究了潤(rùn)滑油的活化性能對(duì)早燃的影響。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大部分商業(yè)潤(rùn)滑油為了達(dá)到潤(rùn)滑和抗氧化等性能且一般不考慮其燃燒特性導(dǎo)致其十六烷值通常比燃油高。使用十六烷值低的潤(rùn)滑油有利于提高潤(rùn)滑油的燃點(diǎn)從而使進(jìn)入缸內(nèi)的潤(rùn)滑油不易自燃降低了誘發(fā)早燃的可能性。雖然十六烷值對(duì)早燃的影響至關(guān)重要但某些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明早燃發(fā)生的可能性與十六烷值并非具有線性關(guān)系。日本出光興產(chǎn)株式會(huì)社與日本大學(xué)[9-10]聯(lián)合研究了潤(rùn)滑油添加劑中不同的金屬離子對(duì)早燃發(fā)生頻率的影響結(jié)果表明添加劑中的鈣離子會(huì)大大促進(jìn)早燃的發(fā)生而鋅和鉬則對(duì)早燃的發(fā)生基本沒有影響。日本千葉大學(xué)[1.1]最新的研究也表明鈣離子對(duì)早燃的發(fā)生有著至關(guān)重要的影響。實(shí)驗(yàn)表明不含鈣離子添加劑的潤(rùn)滑油基本不會(huì)發(fā)生早燃現(xiàn)象并且千葉大學(xué)就鈣離子引起早燃的機(jī)理進(jìn)行了分析：鈣離子在潤(rùn)滑油中以碳酸鈣的形式存在但是高溫下會(huì)分解形成氧化鈣高溫的氧化鈣顆粒會(huì)點(diǎn)燃混合氣引發(fā)早燃。

早燃作為限制發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的重要因素目前其產(chǎn)生機(jī)理并沒有被人們所了解。目前圍繞早燃的研究主要在發(fā)動(dòng)機(jī)和快速壓縮機(jī)上進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)研究但通過探究活化熱氛圍下潤(rùn)滑油自燃特性的相關(guān)研究未見報(bào)道。而采用活化熱氛圍燃燒器的研究方法可以準(zhǔn)確了解潤(rùn)滑油成分對(duì)自燃特性的影響進(jìn)而揭示其與發(fā)動(dòng)機(jī)早燃的相互關(guān)系。本研究通過對(duì)多組不同組分潤(rùn)滑油在不同協(xié)流溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究不同理化特性以及組分的潤(rùn)滑油的自燃特性以及相同組分潤(rùn)滑油在不同協(xié)流溫度下著火延遲期的差異。

1試驗(yàn)裝置與方法

1.1可控活化熱氛圍燃燒器

如圖1所示為可控活化熱氛圍燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖其主體部分為可控活化熱氛圍燃燒器除此以外還包含以下幾個(gè)部分：三維坐標(biāo)定位系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、安全操作系統(tǒng)、測(cè)量采集系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)以及高壓噴射裝置。

可控活化熱氛圍燃燒器是由加州大學(xué)伯克利分校的Robert Dibble教授發(fā)明的并因此得名Dibble燃燒器。同濟(jì)大學(xué)基于Dibble燃燒器的基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)并搭建了該燃燒器其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過燃燒氫氣和空氣的混合氣所產(chǎn)生的熱氛圍使?jié)櫥妥匀?。高速攝影儀架設(shè)在固定位置拍攝潤(rùn)滑油自燃過程實(shí)驗(yàn)過程中其焦距和曝光度始終不變。使用快速響應(yīng)熱電偶測(cè)量熱氛圍中某一固定點(diǎn)的溫度。

1.2試驗(yàn)所用潤(rùn)滑油

試驗(yàn)所用潤(rùn)滑油為1.1種不同配方的潤(rùn)滑油編號(hào)為1～1.1。由6種不同的基礎(chǔ)油（基礎(chǔ)油類別依據(jù)的是美國(guó)石油協(xié)會(huì)的分類標(biāo)準(zhǔn)）以水楊酸鹽或磺酸鹽作為清凈劑以不同的比例摻混而成具體成分如表1所示。

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程中固定噴油壓力為10 Pa噴油脈寬50 ms其中由于潤(rùn)滑油自身特性3和4號(hào)潤(rùn)滑油的噴油壓力設(shè)為15 Pa。選擇6個(gè)溫度點(diǎn)1025 K、1055 K、1086 K、1.117 K、1.149 K、1.181 K進(jìn)行試驗(yàn)。

為了觀察不同溫度下潤(rùn)滑油的點(diǎn)火延遲以及燃燒情況需要利用高速攝影裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)以及儲(chǔ)存。對(duì)于每次噴油實(shí)驗(yàn)高速攝影儀都會(huì)以10000 fps的幀速率、即每秒拍攝10000幀圖片對(duì)潤(rùn)滑油噴射和自燃過程進(jìn)行采集實(shí)驗(yàn)在黑暗的條件下完成。設(shè)置激光對(duì)準(zhǔn)噴油嘴正上方因此一旦開始噴油激光照射到油束上噴油嘴正上方便會(huì)形成亮點(diǎn)如圖3所示則亮點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻即噴油開始時(shí)刻。通過計(jì)算噴油嘴開始噴油到出現(xiàn)明火照片之間的間隔幀數(shù)確定著火延遲期。

2試驗(yàn)結(jié)果和討論

根據(jù)試驗(yàn)所用潤(rùn)滑油配方的不同分別就不同基礎(chǔ)油種類、不同清凈劑以及不同鈣含量對(duì)著火延遲期的影響進(jìn)行分析和討論。

2.1基礎(chǔ)油對(duì)著火延遲期的影響

對(duì)比以水楊酸鹽為清凈劑基礎(chǔ)油各不相同的七種潤(rùn)滑油1、6、7、8、9、10和1.1號(hào)的著火延遲期如圖4所示。可以看到基于不同基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑油著火延遲期差異較大且溫度越低差值越大。所有潤(rùn)滑油的著火延遲期均隨著溫度的升高而下降。1025 K時(shí)著火延遲期的差值最大可達(dá)到15 ms而溫度為1.181 K時(shí)不同潤(rùn)滑油之間著火延遲期差值不超過2 ms。說明基礎(chǔ)油種類會(huì)影響潤(rùn)滑油的著火延遲期尤其對(duì)低溫時(shí)的著火延遲期影響較明顯。下面將通過進(jìn)一步分析基礎(chǔ)油對(duì)潤(rùn)滑油物理化學(xué)特性所造成的變化來尋找其影響著火延遲期的原因。

第Ⅰ組分析對(duì)比10號(hào)（基礎(chǔ)油為Ⅲ類+10%Ⅴ類）和9號(hào)（基礎(chǔ)油為Ⅲ類+10%Ⅴ類）潤(rùn)滑油其參數(shù)如表2所示兩者除運(yùn)動(dòng)黏度以外的其他參數(shù)相差不多可見基礎(chǔ)油的不同影響這兩種潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度。其中運(yùn)動(dòng)黏度為流體的動(dòng)力黏度與同溫度下該流體密度ρ之比是潤(rùn)滑油的一項(xiàng)重要參數(shù)。

如圖5所示忽略9號(hào)和10號(hào)潤(rùn)滑油除運(yùn)動(dòng)黏度的其他理化性質(zhì)的差異可以發(fā)現(xiàn)在1055～1.149K的溫度區(qū)間內(nèi)隨著潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度的增大對(duì)應(yīng)的著火延遲期越長(zhǎng)。

第Ⅱ組分析對(duì)比7號(hào)（基礎(chǔ)油為Ⅰ類）和8號(hào)（基礎(chǔ)油為Ⅳ類）的潤(rùn)滑油其參數(shù)如表3所示兩者除蒸發(fā)損失以外的其他參數(shù)都十分接近說明基礎(chǔ)油的不同主要影響了兩者的蒸發(fā)損失其中蒸發(fā)損失是指由于潤(rùn)滑油由于蒸發(fā)而損失的量通過諾亞克法計(jì)算所得。

兩者對(duì)應(yīng)的著火延遲期如圖6所示忽略7號(hào)和8號(hào)潤(rùn)滑油除蒸發(fā)損失外的其他理化特性的差異可以發(fā)現(xiàn)雖然兩種潤(rùn)滑油蒸發(fā)損失相差很大但對(duì)于潤(rùn)滑油著火延遲期并沒有顯著的影響。

通過對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析可知潤(rùn)滑油清凈劑相同的情況下基礎(chǔ)油種類會(huì)對(duì)著火延遲期產(chǎn)生顯著影響。不同的基礎(chǔ)油會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度和蒸發(fā)損失發(fā)生變化。潤(rùn)滑油的蒸發(fā)損失對(duì)著火延遲期沒有明顯影響而運(yùn)動(dòng)黏度影響作用明顯且隨著運(yùn)動(dòng)黏度的增加潤(rùn)滑油的著火延遲期也隨之增加。例如在第I組對(duì)比中當(dāng)潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度從103.2 mm2/s增加到1.108 mm2/s時(shí)其在溫度為1055 K時(shí)的著火延遲期從92 ms增加為146 ms在1.149 K時(shí)的著火延遲期從36 ms增加到56 ms。Welling等人[5]曾在低速大負(fù)荷的條件下就潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度對(duì)早燃發(fā)生頻率的影響進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度從63 mm2/s增加到8 mm2/s時(shí)其早燃發(fā)生頻率從08降到06與本文所得結(jié)論有著很好的一致性。結(jié)合本文中潤(rùn)滑油黏度對(duì)著火延遲期的影響可以知道隨著潤(rùn)滑油黏度的增加著火延遲期增加因此不易在燃燒室內(nèi)自燃從而一定程度上抑制了早燃的發(fā)生。其原因可能是由于運(yùn)動(dòng)黏度越高潤(rùn)滑油越黏稠實(shí)驗(yàn)中噴嘴中噴射出的潤(rùn)滑油霧化效果也就越差不利于燃燒導(dǎo)致了著火延遲期的增加。

2.2清凈劑對(duì)著火延遲期的影響

以Ⅲ類油為基礎(chǔ)油不變對(duì)比使用不同清凈劑即水楊酸鹽或磺酸鹽的潤(rùn)滑油的著火延遲期。第Ⅲ組分析對(duì)比1號(hào)（清凈劑為水楊酸鹽）及2號(hào)（清凈劑為磺酸鹽）的潤(rùn)滑油其參數(shù)如表4所示。

Ⅲ類油添加了不同種類的清凈劑后潤(rùn)滑油各項(xiàng)物理化學(xué)參數(shù)都發(fā)生了一定變化但差異并不明顯。兩者對(duì)應(yīng)的著火延遲期如圖7所示可以發(fā)現(xiàn)兩者的著火延遲期差異明顯。由于表4羅列的潤(rùn)滑油參數(shù)有限清凈劑的不同可能還會(huì)使某些其他的未知參數(shù)發(fā)生變化從而顯著地改變了潤(rùn)滑油的著火延遲期。

2.3鈣含量對(duì)著火延遲期的影響

最新研究[91.1]表明潤(rùn)滑油中的鈣離子會(huì)對(duì)早燃有明顯促進(jìn)作用。因此本文也將對(duì)潤(rùn)滑油中的鈣含量對(duì)著火延遲期的影響進(jìn)行分析。第Ⅳ組分析對(duì)比2號(hào)和5號(hào)潤(rùn)滑油兩者皆為Ⅲ類基礎(chǔ)油加磺酸鹽清凈劑其參數(shù)如表5所示。

兩者對(duì)應(yīng)的著火延遲期如圖8所示可以發(fā)現(xiàn)鈣含量較高的5號(hào)潤(rùn)滑油著火延遲期較短。

通過以上的數(shù)據(jù)分析可知潤(rùn)滑油的鈣離子含量對(duì)其著火延遲期影響作用明顯且隨著鈣離子含量的增加潤(rùn)滑油的著火延遲期也隨之減小。當(dāng)潤(rùn)滑油中鈣離子含量從1470 μg/g增加到2.1.1.3 μg/g時(shí)其在溫度為1055 K時(shí)的著火延遲期從16625 ms減少為6375 ms而在1.149 K時(shí)的著火延遲期從4975 ms減小到2.275 ms。這與一些研究機(jī)構(gòu)[91.1]的結(jié)論——鈣離子含量越高早燃發(fā)生頻率越高相印證。由于著火延遲期較短則潤(rùn)滑油在燃燒室內(nèi)極易自燃從而促進(jìn)了早燃現(xiàn)象的發(fā)生。

其原因可能是由于潤(rùn)滑油中的鈣離子存在形式主要為碳酸鈣（CaCO3）在高溫下會(huì)分解為氧化鈣（CaO）和二氧化碳（CO2）CaO和CO2會(huì)通過化合反應(yīng)重新生成CaCO3且該化合反應(yīng)為放熱反應(yīng)導(dǎo)致潤(rùn)滑油溫度的迅速升高從而引起其自燃。

3總結(jié)

（1）基礎(chǔ)油種類的不同會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油的著火延遲期有明顯影響?；A(chǔ)油可能會(huì)影響潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度及蒸發(fā)損失隨著潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度的升高其著火延遲期呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì)。潤(rùn)滑油的蒸發(fā)損失對(duì)其著火延遲期的影響甚微。

（2）潤(rùn)滑油清凈劑對(duì)潤(rùn)滑油的著火延遲期也有顯著影響。

（3）隨著潤(rùn)滑油中鈣含量的升高其著火延遲期顯著下降潤(rùn)滑油更易自燃。

（4）本研究所采用的可控活化熱氛圍燃燒器是研究潤(rùn)滑油自燃特性的一種有效方法。

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