汽油和機(jī)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(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

0 概述

發(fā)動機(jī)的輕量化和小型化可以改善燃油經(jīng)濟(jì)性并降低CO2排放，是發(fā)動機(jī)發(fā)展的重要趨勢，正在日益受到整車及發(fā)動機(jī)廠商的重視。渦輪增壓技術(shù)可以有效實現(xiàn)小型化，提高燃燒效率、改善油耗并提升發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性[1]，但是隨之也帶來一些問題。由于需要不斷升壓來補(bǔ)償因發(fā)動機(jī)排量降低而造成的功率和扭矩的損失，進(jìn)氣量增加后缸內(nèi)壓力和溫度不斷提升。由于低速段扭矩需求高，導(dǎo)致了低速隨機(jī)早燃(LSPI)的發(fā)生。在極端情況下，早燃會導(dǎo)致活塞損壞、活塞環(huán)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(fā)動機(jī)設(shè)計的重點之一，新一代發(fā)動機(jī)對早燃極其敏感，因此了解和控制早燃的發(fā)生有非常重要的意義。

汽油的品質(zhì)對早燃有重要的影響，但目前該影響機(jī)理還沒達(dá)成共識。有些研究表明，和早燃相關(guān)的汽油質(zhì)量指標(biāo)主要為研究法辛烷值(RON)、90%蒸發(fā)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(fā)生的嚴(yán)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(fā)生。以上指標(biāo)影響早燃的本質(zhì)原因至今還未達(dá)成共識。比如，在芳烴中含碳數(shù)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(fā)動機(jī)油的品質(zhì)也對早燃有重要的影響。一些研究表明，在氣缸內(nèi)由于汽油液滴和發(fā)動機(jī)油混合后導(dǎo)致發(fā)動機(jī)油粘度降低，再通過竄氣的作用進(jìn)入燃燒室，由于發(fā)動機(jī)油的自燃點變低，在氣缸內(nèi)霧化后提前自燃，從而導(dǎo)致早燃的發(fā)生[4]。而有些研究卻認(rèn)為，剝落的固態(tài)沉積物是早燃的發(fā)生來源。多項研究表明，不同發(fā)動機(jī)油的粘度、添加劑中金屬元素含量等均可能會對早燃產(chǎn)生不同的影響[2,5-6]。因此，隨著未來發(fā)動機(jī)發(fā)展趨勢的變化，對發(fā)動機(jī)油的選擇也會產(chǎn)生重大的變革。整車與發(fā)動機(jī)廠更傾向于選擇抗早燃、鈣鎂復(fù)合、低灰分的發(fā)動機(jī)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(jī)早燃主要發(fā)生在缸內(nèi)直噴機(jī)型上，因而本試驗分別對2.0T和1.5T發(fā)動機(jī)進(jìn)行了早燃試驗研究。2款發(fā)動機(jī)均配置了缸內(nèi)直噴、渦輪增壓和DVVT等技術(shù)，表1為2款發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗工況

本次早燃試驗選取低速全負(fù)荷工況，測試工況分別為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min、節(jié)氣門全開(WOT)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 750 r/min、WOT和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min、WOT。在每個轉(zhuǎn)速早燃試驗開始前，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在4 000 r/min，平均有效壓力(BMEP)為1.0 kPa，穩(wěn)定運行10 min，用于清除缸內(nèi)積碳。每個轉(zhuǎn)速進(jìn)行6個測試循環(huán)，每個循環(huán)包含15 min測試過程(WOT狀態(tài))和5 min冷卻過程(BMEP為0.2 kPa)，每個轉(zhuǎn)速試驗時間為130 min，圖2為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(jiān)測

本次試驗在發(fā)動機(jī)缸蓋中安裝了打孔式氣缸壓力傳感器，通過測量缸內(nèi)燃燒壓力來檢測早燃。本次試驗使用Kistler 6125C 缸內(nèi)壓力傳感器，配套AVL 662 型燃燒分析儀記錄缸內(nèi)壓力。燃燒分析儀中氣缸壓力限值為10 MPa。當(dāng)缸內(nèi)壓力超過10 MPa時，觸發(fā)燃燒分析儀對早燃的判斷，記錄該循環(huán)缸壓瞬態(tài)變化情況，以及該循環(huán)前50和后50個循環(huán)的氣缸壓力數(shù)據(jù)。圖3所示為早燃監(jiān)控及數(shù)據(jù)記錄的示例。通過統(tǒng)計燃燒分析儀記錄的早燃次數(shù)，對試驗結(jié)果進(jìn)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(guān)系

總體而言，T90可以直接體現(xiàn)汽油中重組分的含量。如圖4所示，本研究通過調(diào)整汽油中的組分含量，使不同汽油的T90位于145～175 ℃的區(qū)間，并使用這些汽油進(jìn)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(fā)動機(jī)上實際表現(xiàn)略有不同，但T90對早燃頻次的影響表現(xiàn)形式是相同的。當(dāng)T90很小時，2臺發(fā)動機(jī)均未發(fā)生早燃現(xiàn)象。隨著T90的上升，早燃頻次也逐步上升，當(dāng)T90達(dá)到168 ℃時，2臺發(fā)動機(jī)的早燃頻次均達(dá)到了很高的水平。此時，2臺發(fā)動機(jī)的表現(xiàn)有所不同。雖然1.5T發(fā)動機(jī)在更寬的T90范圍內(nèi)均無早燃發(fā)生，但當(dāng)T90大于168 ℃時，1.5T發(fā)動機(jī)上發(fā)生的早燃，表現(xiàn)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(shù)烴類影響早燃頻次的表現(xiàn)進(jìn)行了進(jìn)一步研究。高碳數(shù)的烷烴和芳烴均是對T90貢獻(xiàn)較大的主要重組分。經(jīng)西南研究院研究發(fā)現(xiàn)，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(guān)或者呈現(xiàn)弱相關(guān)關(guān)系[7]。本研究使用3種不同組分的汽油，碳數(shù)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(shù)為11的芳烴和碳數(shù)為13的烷烴；H2中只含有碳數(shù)為11的芳烴；H3中只含有碳數(shù)為13的烷烴。3組汽油的早燃試驗均在2.0T發(fā)動機(jī)上進(jìn)行，試驗結(jié)果如圖5所示。通過試驗結(jié)果可知：僅去除汽油中的高碳數(shù)烷烴，并不會減少早燃的發(fā)生頻次；去除高碳數(shù)芳烴，早燃頻次則大幅減少。因此，高碳數(shù)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(guān)系進(jìn)行了研究。為了方便描述，本文將碳數(shù)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(fā)動機(jī)上分別進(jìn)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(jié)果如圖6所示。在2種發(fā)動機(jī)上，重組分芳烴含量與早燃頻次的關(guān)系表現(xiàn)形式是相同的。當(dāng)重組分芳烴含量小于2.3%時，未發(fā)生早燃。隨著重組分芳烴含量的增長，早燃頻次也呈現(xiàn)線性增長。當(dāng)重組分芳烴含量上升到8%以上時，早燃頻次呈現(xiàn)更快的增長趨勢。早燃頻次與汽油重組分芳烴含量的關(guān)系式及相關(guān)性系數(shù)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(fā)動機(jī)上更為顯著。

圖6 重組分芳烴對早燃頻次的影響

通過進(jìn)一步研究，區(qū)分碳數(shù)為10的芳烴和碳數(shù)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(fā)動機(jī)上進(jìn)行的早燃試驗結(jié)果。其中，汽油A中碳數(shù)為10的芳烴含量比汽油H低0.6%，相應(yīng)地，其碳數(shù)大于10芳烴含量比汽油H高0.6%。從試驗結(jié)果可見，碳數(shù)大于10的芳烴對早燃的影響比碳數(shù)為10的芳烴更顯著，這結(jié)論在2臺發(fā)動機(jī)上的表現(xiàn)是一致的。

圖7 碳數(shù)為10的芳烴和碳數(shù)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(zhì))和170 ℃(重質(zhì))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(fā)動機(jī)上的早燃頻次，結(jié)果如圖8所示。由試驗可知，無論在輕質(zhì)汽油還是在重質(zhì)汽油中添加錳元素，都會大幅增加早燃頻次。其中，重質(zhì)含錳汽油在1.5T發(fā)動機(jī)上的早燃頻次達(dá)到了很高的水平。根據(jù)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(jié)果一致。

圖8 汽油中的錳含量對早燃的影響

2.3 通過調(diào)整發(fā)動機(jī)油組分改善重質(zhì)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(fā)動機(jī)油的鈣含量會影響到發(fā)動機(jī)的早燃頻次，使用低鈣發(fā)動機(jī)油可以提高發(fā)動機(jī)的抗早燃能力。為了探究發(fā)動機(jī)在使用不含錳或含錳重質(zhì)汽油時，不同鈣含量的發(fā)動機(jī)油對早燃頻次的影響情況，分別在1.5T和2.0T發(fā)動機(jī)上使用表3中的無錳重質(zhì)汽油M3，在1.5T發(fā)動機(jī)上使用表3中的含錳重質(zhì)汽油M4，測試了不同鈣含量的發(fā)動機(jī)油的早燃頻次，試驗結(jié)果如圖9所示。從圖9可知，不管使用何種重質(zhì)汽油，減少發(fā)動機(jī)油的鈣含量都能夠有效降低發(fā)動機(jī)早燃頻次。其中，使用無錳重質(zhì)汽油時，通過將發(fā)動機(jī)油的鈣含量降低至1 200 mg/kg，幾乎能夠完全消除早燃；當(dāng)使用含錳重質(zhì)汽油時，即使將發(fā)動機(jī)油的鈣含量降低至1 200 mg/kg時，早燃仍無法消除。

3 結(jié)論

汽油中的重組分含量對發(fā)動機(jī)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(shù)大于10的高碳數(shù)芳烴和烷烴對早燃頻次均有影響，其中高碳數(shù)芳烴對早燃頻次的影響更顯著。碳數(shù)大于10的高碳數(shù)芳烴的含量與早燃頻次具有線性相關(guān)性。相比碳數(shù)為10的高碳數(shù)芳烴，碳數(shù)大于10的高碳數(shù)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(zhì)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(fā)動機(jī)油中的鈣含量，可以有效降低早燃頻次。但使用含錳重質(zhì)汽油時，即使將發(fā)動機(jī)油中的鈣含量降低到1 200 mg/kg，也無法完全消除早燃的產(chǎn)生。