从低速早燃谈产品的适应性

2018年8月17-19日由木成优主办，LUKOIL卢克伊尔总冠名、大庆加通、陕西智诚、中化蓝天、北京欧特隆联合赞助的2018年度润滑油行业品牌营销学术论坛在中国西安建国饭店成功召开！

来自润滑油行业的生产企业、渠道经销商、终端连锁机构以及行业协会、高校、汽车制造、零部件、汽车用品、工程机械、国内外媒体、金融机构等200多位企业代表出席了本次论坛。

北京久一石化技术有限公司副总经理李晓涛受邀出席本届论坛，并作《从低速早燃谈产品的适应性》的主题分享！

主题：从低速早燃谈产品的适应性

◆ 什么是低速早燃？

◆ 低速早燃带来的后果；

◆ 低速早燃的解决研究；

◆ 发动机润滑油如何适应低速早燃？

◆ 润滑油其它方面的适应性。

目前，增压直喷汽油发动机已广泛应用于国内外各大车企的乘用车，随之这种发动机出现了常见的不正常燃烧，一般发生在发动机低速大负荷工况，称为低速早燃（LSPI，low-speed pre-ignition）,低速早燃发生时，缸内引发超级爆震，缸内最高燃烧压力骤升，严重时会造成发动机损坏。现阶段研究降低低速早燃趋势是国内外的研究热点。

一、什么是低速早燃

说到低速早燃，就得先说说汽油发动机的燃料供给方式。

（一）汽油发动机的燃料供给方式

（不管什么供给方式，主要目的都是将汽油雾化，与空气以较佳的空燃比混合。）

1、化油器

化油器是在发动机工作产生的真空作用下，将一定比例的汽油与空气混合的机械装置，是传统的汽油发动机一直广泛采用的燃油供给方式。但是常常会致使发动机经常处于不充分燃烧的状态，尾气排放中有害物质含量无法满足日益严格的排放法规，同时会产生较高的油耗，现在已经逐渐被淘汰掉了。

2、单点电喷

指只有一个喷嘴负责向各缸喷油，喷嘴位于未分成进气歧管之前的进气管上，其喷油量大小根据油门大小而定。由于进气歧管长短不一，位置有远近，因此喷入每个气缸的混合油气的量和时间都不一致，从而导致每个气缸工作状况有差异。有着结构简单，成本较低的优点。

3、多点电喷

喷射器安装在每个气缸的进气管上，汽油的喷射是由多个地方(至少每个气缸都有一个喷射点)喷入气缸的。空燃比的控制比单点喷射更精确，可以根据正时进行喷油，对喷油量、喷油时刻进行精确控制，所以多点喷射发动机的排放更好，更经济省油。

4、缸内直喷

指将喷油嘴设置在进排气门之间，使高压燃油直接注入燃烧室平顺高效地燃烧。直喷的优点是在低负荷的时候才体现出来的，在低负荷时，喷油嘴只喷出最低限度的油量集中在火花塞的周围，气缸内的其他部分都是空气。在燃烧的时候，空气层会隔绝掉热，能够减少热量向汽缸壁的传递，从而减少了热量的损失，从而提升发动机的热效率。

（二）低速早燃的形成

随着发动机技术的飞速发展，为应对日趋严格的环保、排放及节能法规要求，汽油发动机向缸内直喷、涡轮增压、小型化方向发展，同时低惯量涡轮的应用，使得最大扭矩可以在低转速下爆发，达到燃油经济性的同时也获得了充沛的动力。然而这种涡轮增压直喷发动机在低转速和高负载的情况下容易出现LSPI（低速早燃）现象。

油滴理论：

喷射到缸壁的燃料与机油混合稀释，从气缸壁上被活塞环刮起飞溅到燃烧室。而燃油稀释过的机油滴更容易挥发，闪点温度急剧降低，极易引发燃烧室内混合气的提前点火。

热点理论：

燃烧室某处产生了热点，点燃混合器，热点可以概括为非部件热点和部件热点两种类型：

◆ 非部件热点主要指聚集在燃烧室某个部位（如火花塞、活塞顶部、气门处等）的积碳；

◆ 部件热点主要指火花塞、排气门、活塞、缸盖挤压边界等处。

这些热点极易引发提前自燃。

为什么直喷发动机对低速早燃敏感？原因有三点：

◆ 缸内直喷将燃油直接喷射到气缸壁，侧置喷油器尤为明显；

◆ 涡轮增压提高了燃烧室的温度；

◆ 发动机在低转速时让燃油和机油有更多的反应时间来引发自燃。

二、低速早燃带来的后果

低速早燃（超级爆震），低速早燃的特点是在正常点火前燃油发生自燃，会突然生成100bar以上的峰值压力，巨大的早燃压力对正处在上止点附近进行拐头的活塞，活塞环和连杆造成直接的冲击。造成的超级爆震威力巨大，一旦发生几个循环就可以造成活塞和活塞环的崩裂损坏，致发动机于死地。

三、低速早燃的解决研究

（一）低速早燃的特点

LSPI出现在低转速（<3000r/min）和高负荷（>10bar BMEP（平均有效缸内压力））下，缸内高的压力峰值会引起尖锐的噪音。它的特点主要有以下几点：

1. 随机性：由于气缸内热点分布的随机性，LSPI之前没有任何迹象表明要发生超级爆震，并且不需要人为改变发动机任何参数便可自行消失。

2. 间歇性：超级爆震一旦发生，通常会出现几个循环，并与正常燃烧循环交替出现，出现的循环数和每循环的最大压力也不同。

3. 破坏性：燃烧过程产生非常高的燃烧温度和压力，并伴随着高频震动，最高爆发压力达到正常燃烧的2倍以上，对活塞、火花塞等部件极具破坏性。

（二）发动机各参数影响低速早燃的因素和解决研究

低速早燃的形成机理牵涉到发动机各个系统的协调，其发生充满不可预见性和随机性。这些年各个研究机构在研究低速早燃，从各个角度想办法解决低速早燃，包括发动机的设计参数、发动机的运行参数，发动机的控制参数、燃料和发动机润滑油等方面。

发动机设计参数包括：

◆ 压缩比（在一定范围内，压缩比增加会增加LSPI频率）；

◆ 活塞形式（活塞顶部开槽LSPI的频率降低）；

◆ 喷油器角度（防止缸套湿壁，使用活塞湿壁会很大程度降低LSPI频率）；

◆ 火花塞（有试验表明，使用铜芯侧电极火花塞能够改善导热，防止火花塞局部温度过高，从而抑制超级爆震）。

发动机运行参数包括：

◆ 进气温度（研究结论比较矛盾，可以认为，进气温度越高，会增强燃油液滴在进气冲程的雾化，降低了湿壁效应(同时也降低了机油蒸发)，从而改善了缸内混合气的准备，有降低早燃趋势；然而，随着进气温度的升高，缸内压缩终了温度也会越高，有加剧早燃趋势）；

◆ 冷却液温度（研究结论也矛盾，有人试验表明，当冷却液温度由90℃降低到70℃时，超级爆震消失，西南研究院研究表明，随着冷却液温度降低，超级爆震频率略微减小，但KIT和GM研究却表明，随着冷却液温度从75℃升到95℃，超级爆震的频率显著下降）；

◆ 机油温度（增加机油温度，可以加快汽油蒸发，表面燃料残留在机油液滴中，能降低超级爆震频率，但相关性较差）；

◆ 机油泄露量（增加油环张力能够改进刮油，减少机油泄露，超级爆震频率降低）；

◆ 过量空气系数λ（在λ<1.1时，随着λ的减少，超级爆震频率降低；当λ>1.1时，超级爆震随着λ的增大而降低）；

◆ 残余废气系数（大众和维也纳技术大学的研究发现，残余废气系数越高，越容易发生超级爆震）。

发动机控制参数包括：

◆ 喷油压力（较低的喷油压力更有利于超级爆震的发生）；

◆ 进气压力（GM研究表明，在基准压力的基础上，增加压力提高20kPa，导致超级爆震频率成倍增加；

◆ 降低进气压力以减小气缸充量，是目前抑制超级爆震最主要的措施之一，但同时会使低扭矩下降）；

◆ 喷油正时（喷油正时为270℃A(烟度和燃油消耗率最低)时，超级爆震频率较高，在270℃A±45℃A范围内 提前或者推迟喷油正时,超级爆震频率均降低）；

◆ 点火正时（在普通爆震控制策略中，通常通过推迟点火正时来抑制爆震，而在超级爆震控制中，在一定范围内推迟点火正时，会使后燃增加，进而导致燃烧室内温度增加，造成超级爆震频率增加）；

◆ 气门正时（不同的气门正时能够从有效压缩比、缸内温度以及进气运动和混合气形成等方面影响超级爆震）。

（三）燃料

◆ 辛烷值似乎不是形成LSPI的最好的解释原因；

◆ 时间久的燃料和不易挥发的燃料更容易诱发LSPI；

◆ 高芳烃燃料更容易引发LSPI。

（四）现在抑制低速早燃的策略

1. 二次喷射

采取优化的二次喷射后，超级爆震频率大约是单次喷射的1/4。

第二次喷射的燃料蒸发时可以在一定程度上降低燃烧室温度，而且火花塞附近较浓的混合气云团增加了正常火焰前锋的传播速度。

但二次喷射增加了机油稀释的机会。

2. EGR（废气再循环）

加入少量的EGR后，将混合气状态调整到远离超级爆震的临界状态。

3. 混合气加浓

则更多的燃料吸热，末端混合气温度降低，抑制了超级爆震；浓混合气的自燃温度较高，不容易形成早燃。

4. 限制负荷

超级爆震发生在发动机低转速、高负荷工况下，所以可以在发动机负荷达到某一阈值后，通过ECU控制，降低增压压力来降低气缸充气效率，从而降低发动机扭矩，使发动机运行状态不再适合超级爆震。

四、发动机润滑油如何适应低速早燃

（一）各机构对发动机润滑油的要求

为了从发动机润滑油的角度控制低速早燃，各个机构对发动机润滑油提出了要求。

API，美国石油学会，本在最近推出GF-6的时候纳入润滑油影响低速早燃的试验，但GF-6由于种种原因一直推迟发布，所以在2018年5月1日提出了SN plus的补充标准，主要是增加了低速早燃试验（程序IX）和用于研发油品配方的基础油互换（BOI）和粘度等级延伸（VGRA）规则。

CSAE中国汽车工程协会在今年的第七届四次理事会上通过了一个CSAE标准计划，建立我国的低速早燃性能评定试验，使用江淮1.5TGDI发动机作为标准台架。

（二）部分机构的研究成果

雪佛龙的研究表明：

机油中钙盐含量高低直接影响了LSPI，钙盐含量越高，LSPI就会越频繁，然而钙盐是清净分散剂中不可或缺的，同时指出了镁盐清净分散剂不会增加LSPI的频率。钼化合物会降低LSPI的频率，基础油类型和粘度也会影响LSPI，但这些都不如钙盐明显。

雅富顿，马勒，英国利兹大学，美国西南研究院的共同研究表明：

基础油等级越高越不容易引发LSPI，但是高粘度系列的PAO反而比三类更容易引发LSPI。

钙盐含量越高越容易引发LSPI

增大钼化合物和磷化合物的含量会降低LSPI

NOACK蒸发似乎与LSPI没有多大关联

机油抗氧化能力越强（本实验通过测量10个大气压下机油闪点确定抗氧化能力强弱），LSPI频率越低

用后的旧机油中磨损下来的铁和铜也会使得LSPI频率增大

五、润滑油其它方面的适应性

润滑油作为设备的组件之一，其配方首先要根据设备需求来进行研究，最终做到合理润滑和科学润滑。所以润滑油产品的适应性很重要。

◆ 发动机排放环保要求：降低硫磷含量；

◆ 发动机使用乙醇燃料：要求润滑油与乙醇燃料兼容；

◆ 发动机使用LPG或CNG燃料：高温抗氧化性和润滑性的提高，以及硫酸盐灰分的降低；

◆ 液压系统的部件含铜或银：要求润滑油不能含有锌（无灰液压油）。