增压式火花点燃发动机中产生的低速提前点火机理

【日】 大友光彰 鈴置哲典 宫川浩 小池誠 横尾望 中田浩一

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增压式火花点燃发动机中产生的低速提前点火机理

【日】 大友光彰 鈴置哲典 宫川浩 小池誠 横尾望 中田浩一

在低速、高负荷工况下，小型增压式火花点燃发动机会发生低速提前点火(LSPI)的异常燃烧现象。为了研究压缩时间对单一机油油滴自燃的影响，了解油滴自燃引起燃料-空气混合燃烧的条件，利用单缸发动机进行了试验，以验证机油油滴自燃LSPI的关系机理。结果表明,随着压缩时间延长，120 ℃以下的机油油滴发生自燃，而汽油-空气混合中无论是否含有机油油滴均发生自燃。

火花点燃发动机 提前点火 燃烧解析 机油油滴自燃

0 前言

小型增压式火花点燃发动机在低速、高负荷工况下会产生低速提前点火(LSPI)的异常燃烧情况。这是在火花塞点火之前发生提前着火，火焰传播导致猛烈的爆燃。

关于发生LSPI的原因，有可能是气缸内混入浮游的机油油滴及沉积物等异物进而引起混合气的早燃，研究人员已通过发动机内的可视化试验开展研究[1-3]。但是通过试验难以调查异物引起LSPI的条件，尚不清楚的问题仍较多。LSPI可能是随机现象，发动机每行程气缸内的状态并不相同，难以在特定混合气中产生局部着火的条件。

作为导致LSPI的因素，如考虑机油油滴的存在，则可推测机油油滴的自燃比混合气的自燃及点火定时更早发生，并引起混合气的燃烧。以往使用快速压缩膨胀装置对机油油滴直径、温度等油滴的自燃条件开展了基础性研究[4]，研究结果见图1。由图1可知，压缩前机油油滴温度在250 ℃以上时有油滴自燃，并具有引起混合气燃烧的可能性。此外，发动机内存在机油油滴情况下，由于暴露在已燃气体中，计算表明油滴温度可上升到约300 ℃。以上情况，表明如果被加热的机油油滴残留在气缸内则有可能引起自燃。

图1 预测的剩余油滴和试验油滴引起燃烧传播的条件

但是，文献[4]中的机油油滴自着火试验是在相当于转速1 200 r/min的压缩行程工况下进行的。在油滴的自燃过程中，蒸发支配全反应速度，而蒸发受油滴温度上升时间的影响。油滴周围气体被缓慢压缩的情况下，油滴暴露在高温中的时间增加，所以温度上升快，进而促进了蒸发，使得即便低温油滴也可以着火。

本文中研究了压缩时间对单一油滴自着火的影响，了解机油油滴自燃并引起燃料-空气混合气燃烧的条件，另外通过单缸发动机验证由机油油滴自燃引发LSPI的机理。

1 单一油滴的自燃试验

1.1 试验方法

单一机油油滴的自燃试验中采用液压驱动式的快速压缩膨胀装置，如图2所示。通过2种方法向燃烧室供给机油油滴：(1)在燃烧室上部安装能够射出单一机油油滴的喷油器[4]；(2)燃烧室内充入规定的混合气，在落下油滴后利用装有螺线管的金属杆关闭油滴通道，并使活塞活动。采用方法(1)使机油油滴着火前到达燃烧室壁面，采用方法(2)进行试验。燃烧室内拉紧2根钨线，在其交点悬垂油滴。悬垂油滴后安装可视化用的石英玻璃，在燃烧室内引入规定的混合气，然后使活塞动作，对燃烧室内气体进行压缩膨胀。借助高速摄像机(NAC，MEMRECAM-HX-3)，通过石英窗记录燃烧室内情况，实现可视化。设定活塞-缸套间为无润滑滑动，排除了引入油滴以外的机油影响。活塞模拟曲柄机构产生位移，压缩时间在25～375 ms间(相当于发动机转速1 200～80 r/min)选择以下3种燃烧室内的气体进行试验：空气、汽油-空气(辛烷值(Ron)100,当量比1)、甲烷-空气Ron 130,当量比1)。

[4]为保证由LSPI造成放热调整压缩开始前的气体温度与压缩比，使压缩结束时的燃烧室内的气体压力及温度为1.9 MPa和800 K。压缩前的油滴温度(Td0)与气体温度相等，环境温度下为80 ℃，混合气情况下为120 ℃，机油使用商品润滑油基油(SK Lubricant,YUBASE6,Gr Ⅲ)，表1 列出GH11发动机主要的技术规格。

图2 单一油滴自燃的试验装置

项目参数密度/(g·mL-1)0.843动黏滞率/(mm2·s-1(40℃))36.7动黏滞率/(mm2·s-1(100℃))64.5黏度指数128挥发率(机油在250℃、1h内的质量损失)/%7.3添加剂无

1.2 试验结果

首先，研究了在空气中的压缩时间对单一油滴着火定时的影响。试验油滴参数见表2，压缩时间与油滴的着火定时及文献[4]的结果见图3。着火定时以压缩结束的时间为0来表示。Td0(压缩前油滴温度)为80 ℃，d0(油滴直径)为200μm及150 μm情况下，若压缩时间短则油滴并不发生自燃，如果压缩时间达到375 ms则发生自燃。d0=80 μm时，压缩时间达到200 ms以上则会发生自燃。油滴直径越小，压缩时间越长，油滴的着火定时越早于压缩结束。文献中的试验条件相当于压缩时间25 ms，油滴温度在290 ℃以上时发生了自燃。没有油滴状态下，使汽油-空气混合气在压缩膨胀着火的着火定时见图3。汽油-空气混合气在压缩时间100 ms以上时发生自燃，与油滴一样，压缩时间越长，着火比压缩结束时间越早。d0=80 μm、压缩时间为200 ms时，油滴的自燃迟于汽油-空气混合气的着火定时，但若压缩时间延长(如300 ms),则两者无明显差异。另外，压缩时间长于300 ms情况下，机油油滴发生自燃前会与活塞下部碰撞，直径80 μm的油滴不能悬垂在钨丝上，所以不能观测自燃延迟。

表2 进行试验的机油油滴条件

图3 压缩时间在油滴的着火定时中产生的作用

油滴的自燃方面，其蒸发过程支配全反应的速度，受到油滴温度的影响。在压缩时间短的情况下，油滴温度不能很好地跟随气体温度明显上升，因此只有在压缩前油滴温度足够高的情况下才会自燃。另一方面，在压缩时间较长的情况下，油滴温度明显上升，即便压缩前油滴温度较低也会发生着火。比较油滴与汽油-空气混合气的着火定时，在压缩时间短的情况下，混合气不发生自燃；如果压缩时间长，混合气与油滴均发生自燃，混合气着火更快些，但随着压缩时间延长，油滴湿度上升量增加，两者着火定时的差异缩小。

因此，除压缩时间非常长的情况外，可认为只有在油滴温度足够高的情况下才会由油滴的自燃引起汽油-空气混合气的燃烧。另外，对着火性低的甲烷-空气混合气也进行了与汽油-空气混合气同样的试验，但甲烷-空气混合气未发生自燃。由此推断油滴自燃有可能引起混合气的燃烧。为此，在甲烷-空气混合气中配置了机油油滴时观察了燃烧室内的情景，在Td0=120 ℃、d0直径为150μm条件下进行了试验。图4表示压缩时间为375 ms时的观察结果。由图4可知，压缩结束前油滴自燃并观测到混合气的火焰传播。而压缩时间在300 ms以下时，未发生油滴自燃及混合气燃烧。综上可知，发生油滴自燃的条件下，可引起混合气的燃烧。

图4 在甲烷-空气混合气中观测的油滴

结合文献[4]考察了由于机油油滴自燃引起混合气燃烧的条件。图5表示机油油滴温度以发动机转速表示的压缩时间的关系。在转速高的情况下，只有油滴温度较高时油滴才会发生自燃。机油油滴的自燃定时比汽油-空气混合气早些，可引起混合气燃烧。而在发动机转速低的情况下，无论油滴温度高低均发生自燃。这时，油滴的自燃比汽油-空气混合气滞后，但可引起甲烷-空气混合气等着火性低的燃料燃烧。

图5 发动机转速对汽油-空气混合气中的机油油滴开始燃烧的影响

考察以上结果可知，在相当于乘用车用汽油机的转速下，较低温的油滴引发LSPI的可能性较小。缸套的温度约150 ℃，即便考虑了活塞温度且由缸套飞散的机油油滴受到压缩，也可以推测不会引起自燃。机油油滴一旦暴露在已燃气体中，温度上升，若在下一行程仍残留在缸内，则有可能引起自燃。另一方面，在发动机转速远低于乘用车用汽油机的条件下，较低温度的油滴也有可能引起自燃，即由缸套飞散的机油油滴无论是否残留到下一行程，在受到压缩时均可能引起自燃。据报道，即便是大型的燃气发动机中也有由于机油自燃而引发混合气自燃的实例[5]。这种情况下，由于发动机转速低，气缸内飞散的油滴在该行程中受到压缩而自燃，有可能引起混合气的燃烧。

综上可知，对于乘用车用汽油机，气缸内飞散的机油油滴不会引起自燃的假设是成立的，使用单缸发动机验证了该假设。只要飞散的机油油滴没有引起自燃，若通过发动机缸内措施排除残留物避免其进入下一行程，则可认为能够避免自燃的发生。下文中将降低缸内残留气体比例，研究排除了残留物时是否发生了自燃。

2 发生自燃机理的验证试验

2.1 试验方法

本试验中使用了燃油直喷式屋脊型燃烧室4气门单缸发动机。表3给出发动机技术规格。模拟增压条件，利用压缩空气进行了吸气。进气管中安装能够捕集0.01 mm以上的颗粒过滤器，以避免外部杂物混入发动机缸内。试验中使用了商品发动机油(Ca-Stle,SN/GF-5,0W-20)其进、排气管周边结构及进、排气的气门正时见图6。试验条件：(1)各进气门与排气门不重叠地工作，利用安装在排气管中的阀门控制排气压力比进气压力高10 kPa左右，以避免新气体泄漏。设当量比为1，根据安装在排气管中的控制空燃比(A/F)传感器的值，调整燃油喷射量及吸入空气量。(2)为降低残留气体，利用基于进、排气的压力差与气门重叠的扫气效果，使进、排气门完全独立地工作，从2个排气门出来的气体分别独立地排放，并于排气门(EX1)侧安装了A/F传感器，另外设定排气压力为大气压力。图7表示条件(2)的各气门正时下的进、排气门动作。燃烧结束后，开启EX1及EX2，进行排气(图7(a)和图7(c))。然后关闭EX1，同时开启进气门(IN1)(图7(c)和图7(b))。由此使燃烧气体只在EXI侧流动，根据安装在EX1侧的A/F传感器的值调整燃料喷射量及吸入空气量，以保证燃烧当量比为1。另外，因为IN1侧的进气压力比EX2侧的排气压力高，进气从IN1向EX2流动，进行扫气。扫气结束后关闭IN1及EX2，同时开启IN2进气(图7(c))。然后关闭IN2，缸内进行压缩膨胀(图7(c)和图7(d))。通过一系列的气门动作，一边扫气，一边进行当量比为1的燃烧。条件(2)中只用IN2进气，有可能引起缸内气体流动变化。条件(1)中应保证不使IN1动作，也研究了只用IN2吸气对缸内气体流动的影响。喷油器从缸内侧面喷射，条件(1)和条件(2)燃油喷射定时相同，均为220°CA BTDC。该燃油喷射定时是使燃料直接向缸套内喷射时，条件(1)中LSPI的发生频度是最高的条件。另外，燃烧室中安装直径2 mm的细管，对未燃烧混合气进行抽样，根据CO2浓度计算残余气体量。抽样时，考虑了残留气体分布不均匀的可能性，分别从前侧及后侧实施了抽样。

表3 试验用发动机技术规格

图6 发动机试验用试验装置

图7 条件(2)的各气门正时下的进排气门动作

LSPI的检测方法如下，使用示波器实时显示压力表测得的发动机缸内的压力信号。若发生自燃，则燃烧提前，缸内压力比通常燃烧时高。因此，压力信号比预先设定的电压值V1大时，记录其前后几个循环的信号。主要的曲轴转角下各循环的压力示于图8。将该压力波形与前后循环比较，若出现了比点火定时早的压力上升情形则判断发生了自燃。V1根据各负荷中通常的燃烧变动，设定V1为比最大压力信号低的值，防止自燃发生次数的计数遗漏。此外如果自燃涉及多个循环，多数情况下产生间隙，所以压力高，明显地发生自燃的情况下，几个循环间断开燃油喷射，以防止自燃连续发生导致发动机损伤。本试验中，将正常燃烧持续后发生自燃的情况计入自燃发生的次数。

2.2 试验结果

条件(1)条件(2)及在同样投入条件(1)下用单气门进行吸气的情况下，燃油量和点火定时均相同时的压力及放热系数见图9。条件(2)的情况下，上止点的压力略微偏低，燃烧较早但与其他条件差异不明显，压缩膨胀行程中平均指示压力(IMEP)差异也不明显，由此可认为扫气及单气门吸气对混合气的火焰传播影响较小。在该条件下，每3 h进行1次研究LSPI频率的发生。图10表示每1h自燃发生的频率。条件(2)下，完全没有发生自燃；条件(1)下双气门及单气门吸气均发生了自燃。因而，条件(2)不发生自燃的原因可认为不是单气门吸气的影响，而是扫气的结果。图11为条件(1)及条件(2)中的残余气体量。条件(1)前部和后部残余气体均超过5%，而条件(2)中，前、后侧残余气体均低于0.5%。由此可知，条件(2)由于扫气，能够大幅度降低残余气体，抑制了自燃的发生。另外，由图9中条件(2)曲线可见，上止点时的压力极轻微地降低，放热趋势也加大，由此这可推测残余气体量并不少。

图9 压力与热释放系数的比较

图10 LSPI发生次数

图11 残余气体的比例

随后调查了在条件(1)条件(2)下，改变IMEP时LSPI发生的频率，如图12所示。条件(1)下从IMEP为1.5 MPa起发生自燃，IMEP在2.0 MPa以上时，自燃发生频率急剧上升。而条件(2)下，即便使IMEP增加到2.5 MPa也不会发生自燃。也就是说，降低残余气体量除去发动机缸内的残存物，能够完全抑制自燃。综上，可认为引起自燃的原因是气缸内的残存物，与机油油滴的自燃试验的结论相一致，确认了气缸内飞散的机油油滴不会引起自燃。而机油油滴或沉积物在气缸内剥离后暴露在燃烧火焰中，并残存到下一循环时，会成为混合气的着火源[5]。因此，LSPI发生的原因，无论是源于机油油滴还是沉积物，均为残存在气缸内物质遗留到下一行程从而引起自燃。

图12 IMEP与LSPI发生次数的关系

3 结语

研究了压缩时间对于单一油滴自燃的影响，及对油滴燃烧引起燃油-空气混合气燃烧的影响。此外，采用单杠发动机试验研究了机油油滴自燃与LSPI发生机理的关系，得到以下结果。

(1)如果压缩时间变长，即便机油油滴较低(120 ℃以下)也会自燃,而关于汽油-空气混合气，无论是否有机油油滴都会自燃，其自燃定时比油滴略早。甲烷-空气混合气无论压缩时间多久均不自燃。

(2)甲烷-空气混合气中，在压缩时间长的情形下，无论机油油滴温度高低，均可由油滴的自燃引起混合气燃烧。这种低温油滴引起燃烧的现象只限于低速的燃气发动机。

(3)以汽车用汽油机为研究对象，利用扫气清除由前一循环残余的物质。结果表明：即便提高负荷也不会发生自燃。根据这些情况得知，向缸内飞散的机油油滴在进入缸内的循环自燃不会引起自燃，而来自前一循环的残余物质可引起自燃。

参 考 文 献

[1] Dahnz C.Investigation on pre-ignition in highly supercharged SI engines [J].SAE Int.J. Engines,2010，3(1):214-224.

[2] Okada Y. Study of low-speed pre-ignition in boosted spark ignition engine [J].SAE Int.J. Engines,2014,7(2):584-594.

[3] T.Lauer，et al.A comprehensive simulation approach to irregular combustion[C].SAE Paper, 2014-01-1214.

[4] M.Ohtomo，et al.Pre-ignition of gasoline-air mixture triggered by a lubricant oil droplet[C].SAE Int.J. Fuels Lubr，2014,7(3):673-682.

[5] T.Hirose， et al.Technical challenge for the 2-stroke premixed combustion gas engine (pre-ignition behavior and overcoming technique)[C].CIMAC Congress 2013,Shanghai,185,2013.

彭惠民 译自 自動車技術， 2015， 46(5)

许 蕾 编辑

2016-05-23)