曲轴箱机油特性对低速提前点火（LSPI）现象的影响

胡庭军 ， 苗瑞刚 ， 陈 斌

（江铃汽车股份有限公司产品研发总院，江西 南昌 330001）

1 研究背景

对均质混合燃烧的直喷增压汽油机（TGDI），提前点火（PI）现象是经常发生的，通常发生在转速<2 500 rpm和平均有效制动压力（BMEP）≥15 bar的条件下。这种不正常燃烧现象被称为低速预燃现象（LSPI）。由于PI发生的时间比正常燃烧火花塞点火时刻要早得多，通常会导致严重的爆震燃烧。该不正常燃烧现象可分为由PI引发的早燃、快速燃烧和压力波动剧烈的严重爆震燃烧三个阶段，高增压1.5 L TGDI发动机在1 500 rpm工况下正常缸压曲线与超级爆震燃烧缸压曲线对比如图1所示。由于爆震燃烧过程中的压力波动与正常燃烧的燃烧压力峰值（PFP）在同一数量级，PI引起的异常燃烧也被称为超级爆震。

图1 高增压1.5 L TGDI发动机在1 500 rpm工况下正常缸压曲线与超级爆震燃烧缸压曲线对比

曲轴箱机油的液态颗粒进入发动机缸内通常被认为是造成LSPI现象的原因[1-5]。对增压直喷发动机，机油进入缸内的主要途径有两个：通过活塞与缸套的间隙传输，通过通风再循环或油箱的机油加载过程。据研究，输送机油量随着发动机转速增加而增加；在给定转速下，输送机油量随发动机负荷的增加而减少，这是由于气缸壁的机油蒸发量增加[6]。这表明，机油传输过程可能不是造成在低速高负荷工况点条件下的LSPI现象的唯一原因[6]。

本次研究目的是理解不同SAE黏度等级的曲轴箱机油对LSPI现象的影响。在同款发动机的相同负荷下，测试了市场上6种不同的发动机机油。测试的机油来自两个不同的国际供应商，包括：SAE 0W-20，0W-30，0W-40，5W-20，5W-30和5W-40。

本次研究的发动机是一款直列4缸1.5 L涡轮高增压直喷发动机，燃料为RON93汽油。该发动机装配有高效的废气涡轮增压机和双凸轮相位器，允许进气和排气凸轮独立移动范围达到60° CA。该发动机为高增压，且具有宽幅扭矩曲线涵盖低速1 500 rpm到高速4 600 rpm。侧置的喷油器有6个喷油孔，最大喷射压力为150 bar。基础机油为SAE 5W-30合成油，具有耐高温、高剪切性能。图2展示了本次测试中采用的RON93汽油的蒸馏曲线。发动机运行的油温范围标记为阴影区域，以作为参考。由图2可见，当机油温度大于140 ℃时，多达25%的汽油混入了机油中导致了燃油稀释，这在TGDI发动机中是不可避免的[7]。

图2 RON93汽油的蒸馏特性曲线

2 缸内液态机油颗粒成为点火源的条件

图3展示了发动机缸内液态机油颗粒点燃油混合气的过程。机油的闪点是机油转换为蒸汽的温度，如果此时机油附近还有氧气，则可被点燃。然而，液态机油颗粒很难转换为点火源，因为机油蒸汽会快速雾化且液态机油颗粒在缸套和燃烧室的壁面上的温度由于水冷很难达到300 ℃。然而，高增压直喷发动机的曲轴箱机油物性会受到燃油稀释而改变，如受到缸内燃油蒸汽凝结、缸内燃油与缸套壁面接触后稀释、缸内燃油撞击活塞顶部的燃油喷雾等的影响，最高会提高10%以上。在发动机低速高负荷条件下，燃油稀释的程度较高，因此，混入机油的大部分汽油组分会一直存留。而汽油中的重组分的自动点火温度，较未稀释的机油要低（未稀释机油的自动点火温度通常在300 ℃～350 ℃）。稀释后的机油的可燃性主要受挥发性最强的组分影响，即汽油中具有低沸点和低自燃温度的汽油组分。

图3 缸内机油颗粒成为点火源的过程

图4显示了汽油含量对机油5W-30的闪点（正方标识线）和燃点（三角标识线）的影响。可以看到，闪点和燃点都随着汽油含量的增加而降低。因此，燃油稀释导致进入发动机缸内的液态机油颗粒的挥发性、可燃性及点火性降低，这导致它们在压缩冲程后期有很高的自燃倾向。

图4 稀释后曲轴箱机油的测试闪点及燃点

研究发现，LSPI的发生频率随着机油的自动点火温度降低而增加[8]。根据研究数据，LSPI频率与发动机机油自动点火温度之间的关系如图5所示，可知，燃油稀释与LSPI之间存在强相关性。

图5 LSPI频率与油品自动点火温度的关系

3 不同机油的LSPI特征

3.1 LSPI的测试流程

如图6所示，从低转速进入LSPI区时，LSPI现象是不可避免的，但是从高速区进入却很少发生LSPI，图中红色线区域（即Zone of LSPI）为LSPI发生的转速与负荷区，绿色线区域（即zone of scanvenging）为扫气区。图6中也展示了全负荷下的进气、排气歧管的压力。对本次研究的发动机，在发动机转速2 500 rpm以上，存在高温废气在气门叠开期由排气道回流至进气道的情况，该高温回流气体会使得附在进气道及进气门背部的部分液态机油颗粒蒸发；导致在扫气阶段进入缸内的液态机油颗粒要比从低转速进入LSPI区的情况要少。

图6 进入LSPI区之前发动机转速的影响

为了解不同类型发动机曲轴箱机油对LSPI特性的影响，在同一款发动机上测试了市场上6种不同的发动机机油。机油来自市场上两个国际供应商的产品，包括SAE 0W-20、0W-30、0W-40、5W-20、5W-30、5W-40，均为合成油品。所有研究均在发动机缸内均质混合条件下进行。针对机油的LSPI特性的测试均遵循5 h测试流程，包括3.5 h的发动机调节工况和1.5 h的LSPI测试工况。在调节阶段，发动机在高负荷条件下运行2.5 h，其中1 h运转在4 000 rpm 70%负荷，另1.5 h在低端扭矩点运行，再接1 h怠速工况。调节阶段后，发动机工况点由低端扭矩点切换至LSPI测试。两次低端扭矩工况运行的目的不同，第一次是为了在进气道和进气门上生成积碳累积，第二次则是为了进入LSPI测试工况。

3.2 不同机油的LSPI特性

为了考虑发动机冷却液温度对LSPI的影响，分别在90 ℃和105 ℃的冷却液温度条件下进行了测试。每次测试结束后，都测量了燃油稀释水平和机油闪点。测试机油的稀释水平如图7所示。机油稀释实验根据标准ASTM D3525-04(2010)进行，代表了95%的稀释概率。稀释后机油的闪点在87 ℃～97 ℃范围内，其中0W机油的闪点高于5W机油。该闪点值较新鲜机油低大约150 ℃，这说明机油的挥发性和可燃性受燃油稀释作用影响明显。

图7 测试机油的稀释水平

对于一些可重复性差的未知原因导致的LSPI现象，没有被采用到比较当中。所选择的结果呈现在表1到表4。结果表明，LSPI现象是高度随机的。可以看到，0W机油不一定优于5W机油，机油黏度或发动机冷却液温度对LSPI的影响没有呈现明显的趋势。发动机冷却液温度对LSPI的影响并不明显。

表1 来自供应商1的机油，发动机冷却液温度90 ℃

表2 来自供应商1的机油，发动机冷却液温度105 ℃

表3 来自供应商2的机油，发动机冷却液温度90 ℃

表4 来自供应商2的机油，发动机冷却液温度105 ℃

为说明LSPI的随机特性，使用0W-30发动机机油的LSPI测试结果（供应商1产品），冷却液温度为105 ℃。在这次特殊记录数据中，LSPI现象连续记录了有12次，其中11次都涉及超级爆震（高爆压值循环）。然后在相同条件下重复测试的结果，这次仅在不同的缸内检测到一次LSPI，且没有导致超级爆震。比较第一次LSPI现象和重复测试时唯一的一次LSPI现象的缸压曲线，可以看出，第一次LSPI现象导致了超级爆震，而在重复测试中，压力的波动可以忽略不计。不论LSPI是否导致超级爆震，都应该被归类于非正常燃烧，因为其燃烧压力升高率和最大爆发压力都要远高于正常燃烧循环，其发动机振动也和正常燃烧循环不同。

对比了采用0W-20（供应商2产品）在冷却液105 ℃下重复试验的缸压曲线在两次测试中，都只检测到一次独立的LSPI现象。虽然两次测试中的LSPI现象都发生在同一缸内，但重复测试的LSPI并没有导致超级爆震。

通过本次研究发现，LSPI是在一个复杂的条件下触发的，受很多参数的影响，包括进气流量、排气流量、进入缸内的液态机油颗粒的物理特性、卷吸作用再循环中液态机油颗粒的数量密度、扫气时间和流量、进气系统的积碳情况等。因此，LSPI特性仅在统计学意义上描述才有意义。

4 总结

研究小组以一款直列4缸1.5 L 涡轮高增压直喷发动机为测试对象，研究了曲轴箱机油特性对发动机LSPI区域燃烧的影响。测试中用到的发动机机油包括SAE 0W-20、0W-30、0W-40、5W-20、5W-30和5W-40。在测试中，燃油稀释水平达到了6%。在这样的燃油稀释水平下，稀释后的机油闪点下降了约150 ℃，这说明燃油稀释改变了曲轴箱机油的特性。无明显迹象表明，测试中采用的SAE机油相比其他类型机油对LSPI现象影响更强，无论是促进或抑制LSPI。对测试中用到的所有机油，很难在相同的发动机运行工况下，在同一缸内复现相同的LSPI模式。这说明LSPI现象是在复杂的条件下被触发的，涉及很多相关变量，如进气流量、排气流量、进入缸内的液态机油颗粒的物理特性、卷吸作用再循环的液态机油颗粒数量密度、扫气持续期和流量、进气系统的积碳水平等。