发动机油对增压直喷汽油机低速随机早燃的影响-杨友文

第*卷第*期内燃机工程Vol.*No.**年*月ChineseInternalCombustionEngineEngineering*.201*收稿日期：2015-01-30作者简介：杨友文（1963-），女，高级工程师，主要研究方向为车用燃油、润滑油的应用与开发，E-mail:[e-mail]；刘红美（联系人），E-mail:[e-mail]。文章编号:1000-0925(201*)**-****-**3*00**发动机油对增压直喷汽油机低速随机早燃的影响杨友文，周舟，刘红美，程传辉，胡云昊(上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804)EffectofEngineOilonLow-SpeedStochasticPre-IgnitionfromTurbochargedDIGasolineEngineYANGYou-wen,ZHOUZhou,LIUHong-mei,CHENGChuan-hui,HUYun-hao(SAICMotorTechnicalCenter,Shanghai201804,China)Abstract:DifferentkindsofengineoilweretestedonaturbochargedDIgasolineenginetorevealengineoileffectsonlow-speedstochasticpre-ignition.Threeaspectsofengineoilformulationwereconsideredasmainfactorssuchasbaseoiltype,anti-oxidantandsulphatedashcontent.Resultsindicatedthatbaseoiltype,anti-oxidantandsulphatedashcontenthadsignifi-cantinfluenceonlow-speedpre-ignition(LSPI)inturbochargedDIengine.ItalsoshowedthefeasibilitytoformulateengineoilthatreducesLSPIwhilechoosingappropriatebaseoil,addinganti-oxidantanddecreasingsulphatedashcontent.摘要:为了了解发动机油对增压直喷发动机的低速随机早燃产生的影响，选用了不同类型的发动机油在一台增压直喷汽油机上进行台架试验，分别从基础油、抗氧剂及硫酸盐灰分三方面因素研究发动机油对早燃的影响。结果表明：发动机油的基础油类型、抗氧剂及硫酸盐灰分含量对增压直喷发动机低速随机早燃的形成具有显著影响，且使用合适的基础油、添加抗氧剂或者降低硫酸盐灰分的含量均有助于减少低速早燃的发生频率。关键词:发动机油；增压直喷汽油机；低速早燃；Keywords:Engineoil;turbochargeddirectinjectiongasolineengine;low-speedpre-ignition(LSPI)中图分类号:TK411.2文献标识码:A0概述增压发动机采用缸内直喷技术（GDI）有效提高了燃烧效率，使燃油经济性和排放大幅改善，并使发动机瞬态响应性得到提升[1]。同时，GDI发动机采用涡轮增压技术实现了发动机的小型化（Downsizing），在低转速区能获得更高的扭矩输出[2]。目前，直喷增压汽油机已被广泛应用到国内外各大车企的乘用车上。但随着进气量的增加，缸内压力和温度不断提升，在低速段过高的扭矩需求容易引发随机早燃，一般称为低速早燃（LSPI，Low-SpeedPre-Ignition）[3]。低速早燃是增压直喷汽油机上常见的一种不正常的燃烧，一般发生在发动机低速大负荷工况[4]。低速早燃发生时，缸内易引发超级爆震，缸内爆压骤升，严重时会造成发动机损坏，如图1所示[5]。低速早燃的发生具有间歇性和随机性等特点[6]。因此，研究随机早燃形成机理或因素，降低增压直喷发动机的早燃趋势是目前国内外各大车企和学者们的研究热点[7]。图1早燃及正常燃烧的缸内压力变化2015-03-1610:48根据目前国内外大量研究结果显示，低速早燃的形成机理有多方面原因造成，主要与气缸湿壁量、燃烧室机油液滴分布、热点及积碳量等因素相关[8]。对于直喷汽油机，最主要的可能原因分析如下：燃油经喷油器直接喷入到燃烧室，造成缸内湿壁量增加，喷到缸壁面的燃油在缸壁与第一道气环的间隙处聚集，此时气缸壁面温度相对较低，形成机油/燃油的混合小液滴。燃油的混合，使机油黏度降低，造成油膜层表面张力下降，在压缩行程活塞上行过程中，由于窜气及惯性力的作用使间隙里的小液滴脱离进入燃烧室，机油的自燃点变低，在高温高压的环境下迅速蒸发雾化，并提前自燃[9]。在火焰传播过程中，引发混合气自燃着火，形成强大的压力波，引发缸内尖锐的爆炸声响[10]。根据以上分析不难看出，机油品质对早燃形成具有重要影响，机油自身黏度、抗氧化性及热稳定性等性能参数的研究具有重要意义。本文以一台增压直喷汽油机为例，进行了低速早燃的试验研究，从机油的组成成分，包括基础油、添加剂等方面分析了不同机油品质对低速随机早燃的影响。1试验方法及设备1.1试验台架搭建根据试验需求搭建发动机性能试验台架，如图2所示。图2发动机性能试验台架试验发动机为一款排量为2.0L的增压直喷汽油机，采用了DVVT、增压中冷等先进技术，发动机主要技术参数见表1。表1发动机主要技术参数项目参数发动机型式喷射系统增压中冷、直列4缸6孔喷油器、中置喷射功率162kW(@5000-5300r/min)扭矩350Nm(@2000-4000r/min)气门数16缸径/mm88行程/mm82排量/L1.995压缩比9.8燃油类型RON921.2试验运行条件及工况试验的运行条件需进行控制，进气温度控制在25℃±2℃，中冷器出口温度30℃±2℃，燃油温度25℃±2℃。试验运行点为1750r/min全负荷，试验运行工况如图3所示。使用转速为4000r/min，平均有效压力为1MPa的工况运行20分钟，用来清除试验过程中产生的积碳以及在各种情况下燃烧室情况的稳定性。图3早燃试验运行工况1.3试验测量及设备发动机燃烧室经过改造以安装缸内压力传感器。使用Kistler6125C型缸内压力传感器来测量各缸压力，应用AVL662型燃烧分析仪记录缸内瞬态压力并计算燃烧相位。试验中设置缸压限值为10MPa，当监测到缸内压力超过10MPa时，燃烧分析仪触发早燃事件，自动记录下该循环缸压的瞬态波动情况，以及前30个循环和后50个循环的缸压数据，早燃监控及数据记录如图4所示。统计燃烧分析仪记录的早燃次数，对试验结果进行评估。020406080100120050010001500200025003000350040004500060120180240节气门开度/%转速/r/min时间/min转速r/min节气门开度%3图4早燃监控及数据记录2试验结果与分析通过对调配的含不同基础油、不同抗氧剂成分以及含不同硫酸盐灰分的机油进行低速早燃试验，研究了机油成分及品质对增压直喷发动机的低速随机早燃产生的影响。本研究采用了15种机油样品，并分成5组，油品编号以组号和样品序号结合命名。其中，第1和2组油品用于基础油对早燃的影响研究试验，油品编号为1-1#~1-3#和2-1#~2-3#；第3和4组油品用于抗氧剂对早燃的影响研究试验，油品编号为3-1#~3-2#和4-1#~4-2#；第5组油品用于硫酸盐灰分对早燃的影响研究试验，油品编号为5-1#~5-5#。为了使试验结果更具可比性，本文中选择1-1#油品作为参比油，将每种机油样品试验所得的早燃次数与参比油试验所得的早燃次数之比表示为该次试验的相对早燃率，用以评估该种机油样品的早燃试验结果。2.1基础油对早燃的影响如表2中所示，油品1-1#~1-3#和油品2-1#~2-3#用于两组不同的基础油对早燃影响的对比试验。第1组中，1-1#油品采用GrⅢ基础油，1-2#油品采用PAO，1-3#油品则采用PAO和GrⅤ混合型基础油。PAO成分为聚α烯烃（Poly-Alpha-Olefin）。第2组中，2-1#油品采用了GrⅢ类基础油，而2-2#和2-3#油品的基础油为混合型基础油，分别为2-1#油品所用的GrⅢ类基础油与两种不同类型的PAO（A和B）进行一定比例混合后所得。两组试验油品中，不同组所用的添加剂类型不同，但为了确定基础油的独立作用，同一组油品所使用的添加剂类型相同。表2第1和2组试验油品的基础油类型油品编号基础油类型1-1#(参比油)GrⅢ1-2#PAOA1-3#PAOA+GrⅤ2-1#GrⅢ2-2#GrⅢ+PAOA2-3#GrⅢ+PAOB不同基础油对早燃影响的试验结果如图5所示。从图5(a)可知，1-2#油品（PAOA）的早燃率最高，1-3#油品（PAOA+GrⅤ）的早燃率有所降低，而1-1#油品（GrⅢ）的早燃率最低。试验结果表明，使用GrⅢ类基础油的机油引发早燃的概率小于使用PAO的机油，而在PAO中加入GrⅤ基础油后降低了早燃发生率，说明使用GrⅤ基础油的机油引发早燃的概率也小于使用PAO的机油。从图5(b)可知，加了PAO的两种油品的早燃率均有明显上升，与第1组的试验结论一致。而且，加入PAOB的2-3#油品的早燃率低于加入PAOA的2-2#油品，说明不同类型的PAO对早燃也有不同程度的影响。综合两组的试验结果可知，发动机油的基础油类型对早燃有显著影响。(a)第一组试验油品00.511.521-1#(参比油)1-2#1-3#相对早燃率油样4(b)第二组试验油品图5基础油对LSPI影响的试验结果2.2抗氧剂对早燃的影响如表3中所示，油品3-1#~3-2#和油品4-1#~4-2#用于两组不同的抗氧剂对早燃影响的对比试验。第3组中，3-2#油品在3-1#油品的基础上加入了0.33%的无灰型抗氧剂，基础油和其余添加剂的成分均相同。第4组中，4-2#油品在4-1#油品的基础上加了0.4%的ZDDP抗氧剂，基础油和其余添加剂的成分也均相同。表3第3和4组试验油品的抗氧剂类型油品编号油品种类无灰型抗氧剂添加量（质量分数）/%ZDDP抗氧剂添加量（质量分数）/%1-1#参比油3-1#OilC0-3-2#OilC+抗氧剂0.33-4-1#OilD-04-2#OilD+抗氧剂-0.4不同抗氧剂对早燃影响的试验结果如图6所示。从图6(a)可知，加了0.33%无灰型抗氧剂的3-2#油品发生早燃现象的几率明显低于3-1#油品。从图6(b)可知，加入0.4%ZDDP抗氧剂的4-2#油品的早燃发生率也低于4-1#油品。综合两组的试验结果可以发现，在机油中添加抗氧剂有助于减少早燃的发生概率，而且，无灰型抗氧剂对早燃的抑制效果要优于ZDDP抗氧剂。(a)第三组试验油品(b)第四组试验油品图6抗氧剂对LSPI影响的试验结果2.3硫酸盐灰分对早燃的影响为了更好地了解不同类型的机油产品，本研究选取了5种含不同硫酸盐灰分且类型不同的发动机油进行早燃对比试验。如表4中所示，第5组为5-1#~5-5#油品，该组油品均为不同类型的发动机油产品。以5-4#油品作为参比值，定义其硫酸盐灰分含量为X%（质量分数）。其中，5-1#油品和5-2#油品的硫酸盐灰分含量均低于5-4#油品，分别为(X-0.09)和(X-0.13)%，而5-3#油品和5-5#油品的硫酸盐灰分含量较高，分别为(X+0.52)和(X+0.41)%。表4第5组试验油品的硫酸盐灰分含量油品编号硫酸盐灰分（质量分数）/%1-1#参比油5-1#X-0.095-2#X-0.135-3#X+0.525-4#X5-5#X+0.41不同硫酸盐灰分对早燃影响的试验结果如图7所示。从图