為研究燃油和機(jī)油特性及兩者組合等對(duì)低速預(yù)燃的影響及其作用機(jī)理，進(jìn)行了許多試驗(yàn)，如將燃油和機(jī)油組合、開(kāi)展矩陣試驗(yàn)等，以確定低活性機(jī)油是否能抑制高活性燃油的低速預(yù)燃特性，反之亦然。結(jié)果顯示，芳香族含量高或者蒸餾溫度較高的燃油會(huì)提高低速預(yù)燃的發(fā)生率，磺酸鈣等機(jī)油添加劑能顯著提高低速預(yù)燃的發(fā)生率，而磺酸鎂等機(jī)油添加劑傾向于降低低速預(yù)燃的發(fā)生率;低速預(yù)燃活性低的燃油對(duì)試驗(yàn)所用的機(jī)油并不敏感，低速預(yù)燃活性高的燃油被低速預(yù)燃活性低的機(jī)油減弱。與預(yù)期一樣，低速預(yù)燃活性高的燃油和低速預(yù)燃活性高的機(jī)油組合，會(huì)產(chǎn)生大量的低速預(yù)燃現(xiàn)象。研究方法適用于機(jī)油或燃油各自對(duì)低速預(yù)燃特性影響的研究，同時(shí)也適用于兩者共同對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低速預(yù)燃特性影響的研究。研究結(jié)果有助于理解不同配方的機(jī)油或燃油對(duì)低速預(yù)燃特性的影響，尤其是由于地域差異導(dǎo)致各地具有不同的燃油規(guī)格和機(jī)油添加劑標(biāo)準(zhǔn)。

0 前言

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率以滿足當(dāng)前和未來(lái)的CO2排放法規(guī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是小型化和低速化。為保持車輛性能，需要發(fā)動(dòng)機(jī)匹配渦輪增壓器以輸出較大的扭矩。這使發(fā)動(dòng)機(jī)易于在一種非正常燃燒工況下運(yùn)行，明顯不同于傳統(tǒng)預(yù)燃工況。這種非正常燃燒通常被稱為低速預(yù)燃(LSPI)。

目前，許多研究旨在找出低速預(yù)燃現(xiàn)象背后的機(jī)理。國(guó)際上主要有2種理論可以解釋引起低速預(yù)燃現(xiàn)象的原因，分別是液體飛沫理論和沉積理論。液體飛沫理論是指活塞縫隙區(qū)域的液體發(fā)生自燃，使火焰?zhèn)鞑ト紵崆埃罱K導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的爆燃。依據(jù)液體飛沫理論的假設(shè)，預(yù)計(jì)燃油和機(jī)油特性將會(huì)影響低速預(yù)燃的發(fā)生。

Kosis等在之前所做的試驗(yàn)中，研究了機(jī)油配方和燃油特性(化學(xué)成分)對(duì)低速預(yù)燃特性的影響，但是沒(méi)有將兩者進(jìn)行結(jié)合研究，而采用普通燃油測(cè)試所有的機(jī)油,或采用普通的機(jī)油測(cè)試所有的燃油。許多文獻(xiàn)將燃油特性和機(jī)油特性對(duì)低速預(yù)燃特性的影響分隔開(kāi)來(lái)進(jìn)行研究。Kassai等發(fā)表了一篇燃油和機(jī)油特性對(duì)低速預(yù)燃特性影響的研究文獻(xiàn)，依然將燃油與機(jī)油的影響分隔而論。這些研究結(jié)果顯示，磺酸鈣等機(jī)油添加劑有助于提高低速預(yù)燃的活性，而磺酸鎂等機(jī)油添加劑則更易于降低低速預(yù)燃的活性。同時(shí)，芳香族含量高的燃油會(huì)提高低速預(yù)燃的活性，較高蒸餾溫度(70~100 ℃范圍)的燃油也會(huì)提高低速預(yù)燃的活性。

這些研究的局限性在于僅以某種機(jī)油作為參照改變?nèi)加吞匦?，或者以某種燃油作為參照改變機(jī)油特性，進(jìn)行單因素影響的規(guī)律研究。在許多研究中，將一種低速預(yù)燃活性中等的機(jī)油或燃油作為參照，適用于機(jī)油或燃油特性各自對(duì)低速預(yù)燃特性的影響，也適用于機(jī)油和燃油共同對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低速預(yù)燃特性的影響。在確定了各種機(jī)油和燃油特性對(duì)低速預(yù)燃的影響后，接下來(lái)需要研究機(jī)油和燃油兩者的相互影響。

為此，利用早期系列試驗(yàn)中的燃油和機(jī)油原料，集合成小的矩陣。這能將燃油和機(jī)油進(jìn)行組合，呈現(xiàn)出全范圍的低速預(yù)燃發(fā)生率。該研究將機(jī)油和燃油形成不同的組合，旨在確定低速預(yù)燃活性低的燃油是否能夠抵消低速預(yù)燃活性高的機(jī)油對(duì)低速預(yù)燃特性的影響，反之亦然。同時(shí)也研究了發(fā)動(dòng)機(jī)中同時(shí)存在低速預(yù)燃活性高的燃油和機(jī)油時(shí)發(fā)生低速預(yù)燃情況的關(guān)鍵問(wèn)題。

這些試驗(yàn)的結(jié)果并不能確保與全球市場(chǎng)上真實(shí)燃油和機(jī)油的結(jié)果具有可比性。試驗(yàn)所用燃油和機(jī)油均是專用設(shè)計(jì)，對(duì)市場(chǎng)上的燃油和機(jī)油中多種添加劑等細(xì)節(jié)忽略不計(jì)。然而，通過(guò)低速預(yù)燃特性試驗(yàn)結(jié)果可以較好地預(yù)測(cè)燃油或機(jī)油的特性。

1 試驗(yàn)方法

在2.0 LGM EcotecLHU 發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了低速預(yù)燃研究。表1為該發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)格參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)裝有溫度、壓力和流量測(cè)量?jī)x。圖1示出了測(cè)量?jī)x的布置點(diǎn)，表2示出各種測(cè)量?jī)x的精度。由于該發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的缸內(nèi)爆壓(壓力約40 MPa)，因此采用AVL 公司的GU22CK壓電傳感器進(jìn)行缸壓測(cè)量。為了保持研究的一致性，采用文中定義的試驗(yàn)術(shù)語(yǔ)，詳見(jiàn)表3。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格參數(shù)


圖1 測(cè)量?jī)x安裝圖

表2 測(cè)量類型和公差要求


表3 對(duì)于低速預(yù)燃的定義


試驗(yàn)循環(huán)中去掉了低負(fù)荷/轉(zhuǎn)速工況的試驗(yàn)段，因?yàn)橹暗臄?shù)據(jù)顯示低速工況的預(yù)燃次數(shù)少，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較小。圖2示出改進(jìn)的試驗(yàn)循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定于2 000r/min。每一試驗(yàn)段先進(jìn)行2 000個(gè)穩(wěn)態(tài)循環(huán)，然后在特定工況下進(jìn)行25 000個(gè)循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)段之間包括暖機(jī)、冷卻和短暫的過(guò)渡工況。表4為發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷/高速工況下的試驗(yàn)條件。根據(jù)燃油的剩余量，試驗(yàn)運(yùn)行5個(gè)或者7個(gè)試驗(yàn)段。


圖2 在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min下修訂的循環(huán)試驗(yàn)

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)條件


2 試驗(yàn)方法

2.1 低速預(yù)燃的確定

選擇2種試驗(yàn)變量來(lái)識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)是否發(fā)生低速預(yù)燃:(1)峰值壓力(PP);(2)2%已燃質(zhì)量的曲軸轉(zhuǎn)角位置(MFB02)。低速預(yù)燃時(shí)峰值壓力超過(guò)了閾值，MFB02可能超過(guò)也可能未超過(guò)閾值，一般通過(guò)量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的爆燃傳感器可以監(jiān)測(cè)到低速預(yù)燃現(xiàn)象。僅MFB02超過(guò)閾值的低速預(yù)燃現(xiàn)象不可能由爆燃傳感器監(jiān)測(cè)到，也不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損壞，但是試驗(yàn)中不希望發(fā)生這種不受控制的燃燒過(guò)程。

這種分類系統(tǒng)包括僅有峰值壓力超過(guò)閾值的循環(huán)，但通常不認(rèn)為會(huì)發(fā)生預(yù)燃現(xiàn)象。峰值壓力閾值用于區(qū)分使發(fā)動(dòng)機(jī)損壞的循環(huán)和過(guò)早發(fā)生的燃燒現(xiàn)象，但不會(huì)發(fā)展為嚴(yán)重惡化燃燒的循環(huán)。在該試驗(yàn)程序開(kāi)發(fā)期間，發(fā)現(xiàn)僅峰值壓力超過(guò)閾值的循環(huán)與其他2種循環(huán)相關(guān)。經(jīng)研究，認(rèn)為所包含的這些循環(huán)基于同一種假設(shè)而得出，即由于相同的機(jī)制引起較晚的燃燒相位。

圖3示出僅峰值壓力超過(guò)閾值的低速預(yù)燃循環(huán)的可視化研究及其氣缸壓力曲線。由于此時(shí)燃燒室內(nèi)可視光較少，燃燒室某些地方和火核部位亮度較高。缸內(nèi)點(diǎn)火時(shí)可以看到2個(gè)火核，一個(gè)火核在火花塞附近，另一個(gè)與預(yù)燃相關(guān)的火核出現(xiàn)在進(jìn)氣門附近。


圖3 僅峰值壓力超過(guò)閾值的低速預(yù)燃

使用格拉布斯準(zhǔn)則剔除異常值，當(dāng)峰值壓力或MFB02值與特定發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸和試驗(yàn)段中的設(shè)定值不一致時(shí)，可認(rèn)為是發(fā)生了低速預(yù)燃。

如果發(fā)生了以下任何一種情況，那么該發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸和試驗(yàn)段中的1個(gè)工作循環(huán)被確定為異常值:(1)峰值壓力> 峰值壓力平均值+4.7× 峰值壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差;(2)MFB02<MFB02平均值-4.7×MFB02標(biāo)準(zhǔn)偏差。采用以下步驟，確定每個(gè)試驗(yàn)段和氣缸的低速預(yù)燃循環(huán):(1)計(jì)算各缸在1個(gè)試驗(yàn)段內(nèi)，峰值壓力和MFB02的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差;(2)確定超過(guò)峰值壓力和MFB02限值的異常值循環(huán);(3)去掉第二步中的異常值循環(huán)后，重新計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。重復(fù)第二步和第三步，直到剔除所有異常值。

2.2 試驗(yàn)矩陣

基于可獲得的燃油和機(jī)油量及之前研究中低速預(yù)燃發(fā)生的次數(shù)，低速預(yù)燃試驗(yàn)從金屬添加物矩陣中選擇了3種機(jī)油(機(jī)油G、L和N)，從燃油成分矩陣中選擇了3種燃油(燃油7、9和10)。文中使用的燃油通過(guò)精煉油合成，并非單一成分，合成后的燃油類似于市場(chǎng)的實(shí)際燃油，但是一些參數(shù)仍需要嚴(yán)加控制。使用不同的精煉油，可合成不同的成分等級(jí)和不同沸點(diǎn)的燃油，而其他規(guī)格卻維持在恒定水平。為了涵蓋美國(guó)和歐洲各個(gè)等級(jí)的典型商用燃油，選擇了4種成分等級(jí)的燃油。在之前的研究中，低速預(yù)燃發(fā)生次數(shù)較多的機(jī)油和燃油被標(biāo)識(shí)為“劣質(zhì)油”，低速預(yù)燃發(fā)生次數(shù)較少的機(jī)油和燃油被標(biāo)識(shí)為“優(yōu)質(zhì)油”，不易發(fā)生低速預(yù)燃的燃油芳香烴含量低，沸點(diǎn)較低，沸點(diǎn)在T70~T90范圍內(nèi)。文中不易發(fā)生低速預(yù)燃的機(jī)油，硫酸鈣含量通常較低。圖4示出低速預(yù)燃循環(huán)的平均次數(shù)和范圍(高于和低于平均數(shù)的區(qū)間)。在之前的研究中，試驗(yàn)燃油運(yùn)行時(shí)搭配1種基礎(chǔ)機(jī)油,而試驗(yàn)機(jī)油則搭配1種基礎(chǔ)燃油。


圖4 燃油/機(jī)油組合的低速預(yù)燃結(jié)果

該研究選擇了6種燃油/機(jī)油組合，如表5所示。在3種機(jī)油試驗(yàn)中，燃油7數(shù)量充足，而燃油9的供給則非常有限，所以用燃油9與低速預(yù)燃發(fā)生頻率中等的機(jī)油G 組合進(jìn)行試驗(yàn)。采用機(jī)油G和燃油7組合運(yùn)行，進(jìn)行5個(gè)試驗(yàn)段。這是為了確保有足夠的燃油剩余量，來(lái)進(jìn)行“劣質(zhì)機(jī)油”和“優(yōu)質(zhì)機(jī)油”與燃油7的組合試驗(yàn)，剩余的組合則進(jìn)行7段試驗(yàn)。

表5 燃油/機(jī)油組合


為了驗(yàn)證試驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)性，在試驗(yàn)矩陣的初始和結(jié)尾，開(kāi)展對(duì)基礎(chǔ)燃油和基礎(chǔ)機(jī)油(DEXOS許可的商用5W-30機(jī)油)的組合試驗(yàn)，如表6所示。

表6 試驗(yàn)順序



3 試驗(yàn)結(jié)果

采用6種燃油/機(jī)油組合，共發(fā)生346次低速預(yù)燃(基礎(chǔ)試驗(yàn)除外)，1缸和4缸低速預(yù)燃次數(shù)最高，如圖5所示。74%的低速預(yù)燃事件為單循環(huán)，其中，燃油10(芳香烴含量高的乙醇燃料)和機(jī)油L(硅含量高、鋅含量低)的組合低速預(yù)燃發(fā)生率占69%。


圖5 基礎(chǔ)油料外各個(gè)氣缸的低速預(yù)燃發(fā)生次數(shù)(燃油/機(jī)油組合)

圖6示出6種燃油/機(jī)油的組合，通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)到發(fā)生低速預(yù)燃循環(huán)的總數(shù)。燃油9和燃油10的低速預(yù)燃循環(huán)包含峰值壓力和MFB02同時(shí)超過(guò)閾值的循環(huán)，僅MFB02超過(guò)閾值的循環(huán)。燃油7與機(jī)油N或機(jī)油L組合，都不會(huì)發(fā)生低速預(yù)燃循環(huán)。


圖6 通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)到的低速預(yù)燃循環(huán)頻率

為檢驗(yàn)均方根(低速預(yù)燃+0.5)的變化，通過(guò)圖7所示的燃油/機(jī)油組合(包括2個(gè)基礎(chǔ)機(jī)油試驗(yàn)段)及高負(fù)荷/高速條件下的試驗(yàn)段，進(jìn)行方差分析比較。


圖7 燃油機(jī)油組合矩陣方差分析設(shè)計(jì)

表7為方差分析結(jié)果。燃油/機(jī)油組合試驗(yàn)中，均方根(低速預(yù)燃+0.5)為5%，統(tǒng)計(jì)差異顯著，試驗(yàn)段的影響作用不明顯。均方根誤差(RMSE)為0.52，模型殘差與正態(tài)分布假設(shè)不沖突。

表7 燃油機(jī)油組合方差分析結(jié)果


通過(guò)“圖基法”多重比較試驗(yàn)確定哪個(gè)燃油/機(jī)油組合與其他組合顯著不同，結(jié)果示于圖8。對(duì)各種燃油/機(jī)油組合的平方根(低速預(yù)燃+0.5)值進(jìn)行最小二乘法處理，平方根通過(guò)方差分析獲得，處理值示于藍(lán)色菱形區(qū)域。圖9示出各個(gè)最小二乘法的圖基于95%置信區(qū)間，以顯示被測(cè)燃油/機(jī)油組合之間最小二乘法的差異性。結(jié)論如下:(1)在2個(gè)基礎(chǔ)試驗(yàn)段，并未出現(xiàn)顯著差異。(2)燃油10與機(jī)油L組合后，相比其他燃油/機(jī)油組合，均方根(低速預(yù)燃+0.5)明顯更大。(3)燃油9(低速預(yù)燃發(fā)生率中度)和機(jī)油G(低速預(yù)燃發(fā)生率中度)組合后，運(yùn)行明顯不同于燃油10(低速預(yù)燃不良)和機(jī)油N(低速預(yù)燃良好)的組合。(4)如果不考慮與燃油組合的機(jī)油，相比其他燃油/機(jī)油組合，燃油7(低速預(yù)燃發(fā)生率小)的均方根(低速預(yù)燃+0.5)明顯更小。(5)與機(jī)油L相比，機(jī)油N與燃油10組合，低速預(yù)燃發(fā)生率約降低50%。如圖9所示，在5或7高負(fù)荷/高速試驗(yàn)段中，均方根并無(wú)明顯差異(低速預(yù)燃+0.5)。


圖8 燃油/機(jī)油組合模型最小二乘法


圖9 基于試驗(yàn)段的燃油/機(jī)油組合模型最小二乘法處理

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用正常的或者低速預(yù)燃發(fā)生率高的燃油時(shí)，使用低速預(yù)燃發(fā)生率低的機(jī)油可以降低低速預(yù)燃的發(fā)生率。低速預(yù)燃的發(fā)生率降低到使用基礎(chǔ)燃油/基礎(chǔ)機(jī)油組合時(shí)的水平，大約是低速預(yù)燃發(fā)生率高的燃油和基礎(chǔ)機(jī)油組合使用時(shí)的50%。這種機(jī)油并不能消除低速預(yù)燃的發(fā)生，但是相比實(shí)際使用中可預(yù)測(cè)的發(fā)生率而言，發(fā)生率下降50%，改善效果也十分顯著。

使用低速預(yù)燃發(fā)生率較低的機(jī)油，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用低速預(yù)燃發(fā)生率小的燃油，改善結(jié)果非常顯著。與低速預(yù)燃發(fā)生率低的燃油進(jìn)行組合，低速預(yù)燃發(fā)生率接近于零，明顯超越了機(jī)油對(duì)低速預(yù)燃的影響。試驗(yàn)所用燃油為石蠟含量高的低沸點(diǎn)T90燃油，這種燃油不滿足當(dāng)前的ASTM 汽油規(guī)范，所以研究結(jié)果更傾向于學(xué)術(shù)性，而非市場(chǎng)實(shí)用性。

相對(duì)于機(jī)油，燃油對(duì)低速預(yù)燃發(fā)生率具有更強(qiáng)的影響作用。低速預(yù)燃發(fā)生率低的燃油可完全忽略機(jī)油產(chǎn)生的影響，機(jī)油僅能部分抵消燃油對(duì)低速預(yù)燃的影響作用。但試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用低速預(yù)燃發(fā)生率低的機(jī)油可顯著降低使用“劣質(zhì)”燃油所致的低速預(yù)燃高發(fā)生率。結(jié)論表明，開(kāi)發(fā)能反映此事實(shí)的機(jī)油配方對(duì)于現(xiàn)階段發(fā)動(dòng)機(jī)控制低速預(yù)燃發(fā)生率有益。