打开文本图片集

摘要：缸内直喷和增压已成为当今汽油机技术的主流方向然而随着发动机小型化和动力性的提高增压汽油直喷发动机出现了一种新的异常燃烧现象——早燃严重影响着发动机性能和使用寿命。文章主要研究活化热氛围下润滑油的着火延迟期以探究润滑油成分对自燃特性的影响。在可控活化热氛围燃烧器台架的基础上进行了多组润滑油的实验实验发现随着温度的升高润滑油的着火延迟期显著降低。不同基础油、清净剂种类和钙含量都对润滑油的着火延迟期有明显影响。随着润滑油运动黏度的增加着火延迟期增加；随着钙含量的增加着火延迟期降低；蒸发损失对着火延迟期没有明显影响。

关键词：活化热氛围燃烧器；润滑油；自燃；着火延迟期

中图分类号：TE6263文献标识码：A 文章编号：1002 3.1.19（2016）01 0059 06

0引言

早燃是指混合气在火花塞点火之前即发生着火燃烧的不正常燃烧现象一般发生在低转速（<3000 r/min）及高负荷（BEP>10 Pa）的情况下并且具有极强的随机性和偶发性。早燃现象会诱使发生“超级爆震”其最大爆压达到正常燃烧的2倍以上由此引起的提前放热会导致极大的压力和温度梯度产生的冲击波可能在瞬间导致发动机机械损坏过大的热负荷也可能会致使气缸和活塞的熔化导致发动机损毁。并且与普通爆震不同的是通过推迟点火角并不能抑制超级爆震的发生。由于至今还没有找到彻底消除早燃的方法这种低速高负荷工况下间断地、随机地发生的早燃现象大大制约了发动机小型化的程度严重限制了功率密度的提升。因此对早燃现象的研究、检测和控制是进一步发展发动机小型化技术道路上必须解决的问题[1-3]。

通过已有的一些研究[4-7]发现诸如润滑油辛烷值大小、汽油的挥发性、进气相位、喷油策略及EGR会对早燃发生的频率产生影响。目前普遍认为汽油和润滑油组成的混合液滴因为复杂的物理和化学反应而在火花塞点火之前自燃是引起早燃的原因。因此润滑油的理化特性对于研究早燃显得至关重要。

剑桥大学Welling等人[5]对19种润滑油基础油和9种润滑油添加剂进行实验结果表明润滑油的黏度和密度都会对早燃的发生频率产生影响。通过实验发现随着黏度和密度的升高早燃的发生频率呈下降趋势。他们实验了19种不同基本组分的润滑油发现早燃频率并不随着芳香烃含量的降低而出现单一性的变化即润滑油中芳香烃含量的多少并不会对早燃频率产生必然的影响。anfred mann等人[8]研究了润滑油的活化性能对早燃的影响。通过试验发现大部分商业润滑油为了达到润滑和抗氧化等性能且一般不考虑其燃烧特性导致其十六烷值通常比燃油高。使用十六烷值低的润滑油有利于提高润滑油的燃点从而使进入缸内的润滑油不易自燃降低了诱发早燃的可能性。虽然十六烷值对早燃的影响至关重要但某些实验结果表明早燃发生的可能性与十六烷值并非具有线性关系。日本出光兴产株式会社与日本大学[9-10]联合研究了润滑油添加剂中不同的金属离子对早燃发生频率的影响结果表明添加剂中的钙离子会大大促进早燃的发生而锌和钼则对早燃的发生基本没有影响。日本千叶大学[1.1]最新的研究也表明钙离子对早燃的发生有着至关重要的影响。实验表明不含钙离子添加剂的润滑油基本不会发生早燃现象并且千叶大学就钙离子引起早燃的机理进行了分析：钙离子在润滑油中以碳酸钙的形式存在但是高温下会分解形成氧化钙高温的氧化钙颗粒会点燃混合气引发早燃。

早燃作为限制发动机小型化的重要因素目前其产生机理并没有被人们所了解。目前围绕早燃的研究主要在发动机和快速压缩机上进行相关基础研究但通过探究活化热氛围下润滑油自燃特性的相关研究未见报道。而采用活化热氛围燃烧器的研究方法可以准确了解润滑油成分对自燃特性的影响进而揭示其与发动机早燃的相互关系。本研究通过对多组不同组分润滑油在不同协流温度下进行实验研究不同理化特性以及组分的润滑油的自燃特性以及相同组分润滑油在不同协流温度下着火延迟期的差异。

1试验装置与方法

1.1可控活化热氛围燃烧器

如图1所示为可控活化热氛围燃烧实验系统的示意图其主体部分为可控活化热氛围燃烧器除此以外还包含以下几个部分：三维坐标定位系统、供气系统、冷却系统、安全操作系统、测量采集系统、高速摄影系统以及高压喷射装置。

可控活化热氛围燃烧器是由加州大学伯克利分校的Robert Dibble教授发明的并因此得名Dibble燃烧器。同济大学基于Dibble燃烧器的基础进行改进并搭建了该燃烧器其结构如图2所示。

通过燃烧氢气和空气的混合气所产生的热氛围使润滑油自燃。高速摄影仪架设在固定位置拍摄润滑油自燃过程实验过程中其焦距和曝光度始终不变。使用快速响应热电偶测量热氛围中某一固定点的温度。

1.2试验所用润滑油

试验所用润滑油为1.1种不同配方的润滑油编号为1～1.1。由6种不同的基础油（基础油类别依据的是美国石油协会的分类标准）以水杨酸盐或磺酸盐作为清净剂以不同的比例掺混而成具体成分如表1所示。

1.3试验方法

试验过程中固定喷油压力为10 Pa喷油脉宽50 ms其中由于润滑油自身特性3和4号润滑油的喷油压力设为15 Pa。选择6个温度点1025 K、1055 K、1086 K、1.117 K、1.149 K、1.181 K进行试验。

为了观察不同温度下润滑油的点火延迟以及燃烧情况需要利用高速摄影装置对实验现象进行观测以及储存。对于每次喷油实验高速摄影仪都会以10000 fps的帧速率、即每秒拍摄10000帧图片对润滑油喷射和自燃过程进行采集实验在黑暗的条件下完成。设置激光对准喷油嘴正上方因此一旦开始喷油激光照射到油束上喷油嘴正上方便会形成亮点如图3所示则亮点出现时刻即喷油开始时刻。通过计算喷油嘴开始喷油到出现明火照片之间的间隔帧数确定着火延迟期。

2试验结果和讨论

根据试验所用润滑油配方的不同分别就不同基础油种类、不同清净剂以及不同钙含量对着火延迟期的影响进行分析和讨论。

2.1基础油对着火延迟期的影响

对比以水杨酸盐为清净剂基础油各不相同的七种润滑油1、6、7、8、9、10和1.1号的着火延迟期如图4所示。可以看到基于不同基础油的润滑油着火延迟期差异较大且温度越低差值越大。所有润滑油的着火延迟期均随着温度的升高而下降。1025 K时着火延迟期的差值最大可达到15 ms而温度为1.181 K时不同润滑油之间着火延迟期差值不超过2 ms。说明基础油种类会影响润滑油的着火延迟期尤其对低温时的着火延迟期影响较明显。下面将通过进一步分析基础油对润滑油物理化学特性所造成的变化来寻找其影响着火延迟期的原因。

第Ⅰ组分析对比10号（基础油为Ⅲ类+10%Ⅴ类）和9号（基础油为Ⅲ类+10%Ⅴ类）润滑油其参数如表2所示两者除运动黏度以外的其他参数相差不多可见基础油的不同影响这两种润滑油的运动黏度。其中运动黏度为流体的动力黏度与同温度下该流体密度ρ之比是润滑油的一项重要参数。

如图5所示忽略9号和10号润滑油除运动黏度的其他理化性质的差异可以发现在1055～1.149K的温度区间内随着润滑油运动黏度的增大对应的着火延迟期越长。

第Ⅱ组分析对比7号（基础油为Ⅰ类）和8号（基础油为Ⅳ类）的润滑油其参数如表3所示两者除蒸发损失以外的其他参数都十分接近说明基础油的不同主要影响了两者的蒸发损失其中蒸发损失是指由于润滑油由于蒸发而损失的量通过诺亚克法计算所得。

两者对应的着火延迟期如图6所示忽略7号和8号润滑油除蒸发损失外的其他理化特性的差异可以发现虽然两种润滑油蒸发损失相差很大但对于润滑油着火延迟期并没有显著的影响。

通过对以上数据的分析可知润滑油清净剂相同的情况下基础油种类会对着火延迟期产生显著影响。不同的基础油会导致润滑油运动黏度和蒸发损失发生变化。润滑油的蒸发损失对着火延迟期没有明显影响而运动黏度影响作用明显且随着运动黏度的增加润滑油的着火延迟期也随之增加。例如在第I组对比中当润滑油的运动黏度从103.2 mm2/s增加到1.108 mm2/s时其在温度为1055 K时的着火延迟期从92 ms增加为146 ms在1.149 K时的着火延迟期从36 ms增加到56 ms。Welling等人[5]曾在低速大负荷的条件下就润滑油的运动黏度对早燃发生频率的影响进行研究发现当润滑油的运动黏度从63 mm2/s增加到8 mm2/s时其早燃发生频率从08降到06与本文所得结论有着很好的一致性。结合本文中润滑油黏度对着火延迟期的影响可以知道随着润滑油黏度的增加着火延迟期增加因此不易在燃烧室内自燃从而一定程度上抑制了早燃的发生。其原因可能是由于运动黏度越高润滑油越黏稠实验中喷嘴中喷射出的润滑油雾化效果也就越差不利于燃烧导致了着火延迟期的增加。

2.2清净剂对着火延迟期的影响

以Ⅲ类油为基础油不变对比使用不同清净剂即水杨酸盐或磺酸盐的润滑油的着火延迟期。第Ⅲ组分析对比1号（清净剂为水杨酸盐）及2号（清净剂为磺酸盐）的润滑油其参数如表4所示。

Ⅲ类油添加了不同种类的清净剂后润滑油各项物理化学参数都发生了一定变化但差异并不明显。两者对应的着火延迟期如图7所示可以发现两者的着火延迟期差异明显。由于表4罗列的润滑油参数有限清净剂的不同可能还会使某些其他的未知参数发生变化从而显著地改变了润滑油的着火延迟期。

2.3钙含量对着火延迟期的影响

最新研究[91.1]表明润滑油中的钙离子会对早燃有明显促进作用。因此本文也将对润滑油中的钙含量对着火延迟期的影响进行分析。第Ⅳ组分析对比2号和5号润滑油两者皆为Ⅲ类基础油加磺酸盐清净剂其参数如表5所示。

两者对应的着火延迟期如图8所示可以发现钙含量较高的5号润滑油着火延迟期较短。

通过以上的数据分析可知润滑油的钙离子含量对其着火延迟期影响作用明显且随着钙离子含量的增加润滑油的着火延迟期也随之减小。当润滑油中钙离子含量从1470 μg/g增加到2.1.1.3 μg/g时其在温度为1055 K时的着火延迟期从16625 ms减少为6375 ms而在1.149 K时的着火延迟期从4975 ms减小到2.275 ms。这与一些研究机构[91.1]的结论——钙离子含量越高早燃发生频率越高相印证。由于着火延迟期较短则润滑油在燃烧室内极易自燃从而促进了早燃现象的发生。

其原因可能是由于润滑油中的钙离子存在形式主要为碳酸钙（CaCO3）在高温下会分解为氧化钙（CaO）和二氧化碳（CO2）CaO和CO2会通过化合反应重新生成CaCO3且该化合反应为放热反应导致润滑油温度的迅速升高从而引起其自燃。

3总结

（1）基础油种类的不同会对润滑油的着火延迟期有明显影响。基础油可能会影响润滑油的运动黏度及蒸发损失随着润滑油运动黏度的升高其着火延迟期呈现出升高的趋势。润滑油的蒸发损失对其着火延迟期的影响甚微。

（2）润滑油清净剂对润滑油的着火延迟期也有显著影响。

（3）随着润滑油中钙含量的升高其着火延迟期显著下降润滑油更易自燃。

（4）本研究所采用的可控活化热氛围燃烧器是研究润滑油自燃特性的一种有效方法。

参考文献：

[1]黎明摩托车的“前生”与“今世”[J]摩托车201.3（6）：1.1-2.2

齐运亮徐雅齐王志等 模拟早燃引起的汽油机爆震特性[J] 工程热物理学报2014 35（6）

[2] [JP3]魏崇亮郭晓鑫冯志鹏等 汽油机缸内直喷技术应用现状与发展趋势[J] 小型内燃机与车辆技术201443（5）

[3] 徐雅齐王志王建昕等 增压直喷汽油机超级爆震的不同抑制方法[J] 内燃机学报20143.2（1）

[4] Welling O Collings N Williams J et al Impact of Lubricant Composition on Low-speed Pre-Ignition[R] SE Technical Paper 2014

[5] Welling O oss J Williams J et al easuring the Impact of Engine Oils and Fuels on Low-Speed Pre-Ignition in Downsized Engines[R] SE Technical Paper 2014

[6] Ohtomoiyagawa H Koikeet al Pre-Ignition of Gasoline-ir ixture Triggered by a Lubricant Oil Droplet[R] SE Technical Paper 2014

[7] Fujimoto K YamashitaHirano S et al Engine Oil Development for Preventing Pre-Ignition in Turbocharged Gasoline Engine[R] SE Technical Paper 2014

[8] mannlger TLubricant Reactivity Effects on Gasoline Spark Ignition Engine Knock[R] SE Technical Paper201.2

[9] iyasaka T iura K Hayakawa N et alStudy on the Effect of a Calcium-Based Engine Oil dditive on bnormal SI Engine Combustion[J] SE International Journal of Engines 2014 8： 206-2.1.3

[10] Hayakawa N iura K iyasaka T et alstudy on the Effect of Zn-and o-based Engine Oil dditives on bnormal SI Engine Combustion Using in-Cylinder Combustion Visualization[J] SE International Journal of Engines 2014 8： 2.14-2.20

[11] oriyoshi Y Yamada T Tsunoda D et al Numerical Simulation to Understand the Cause and Sequence of LSPI Phenomena and Suggestion of CaO echanism in Highly Boosted SI Combustion in Low Speed Range[R] SE Technical Paper 2015

[12] 邓俊 可控热氛围下柴油喷雾自燃及燃烧特性的研究[D] 上海： 上海交通大学机械与动力工程学院 2007