汽油和机油组分对早燃影响的研究

祝 勇 沙 园 胡云昊 杨友文 徐红林 马振堃

(上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804)

0 概述

发动机的轻量化和小型化可以改善燃油经济性并降低CO2排放，是发动机发展的重要趋势，正在日益受到整车及发动机厂商的重视。涡轮增压技术可以有效实现小型化，提高燃烧效率、改善油耗并提升发动机的瞬态响应性[1]，但是随之也带来一些问题。由于需要不断升压来补偿因发动机排量降低而造成的功率和扭矩的损失，进气量增加后缸内压力和温度不断提升。由于低速段扭矩需求高，导致了低速随机早燃(LSPI)的发生。在极端情况下，早燃会导致活塞损坏、活塞环断裂，以及连杆体弯折等破坏。由于轻量化和小型化是未来发动机设计的重点之一，新一代发动机对早燃极其敏感，因此了解和控制早燃的发生有非常重要的意义。

汽油的品质对早燃有重要的影响，但目前该影响机理还没达成共识。有些研究表明，和早燃相关的汽油质量指标主要为研究法辛烷值(RON)、90%蒸发温度(T90)、芳烃含量和金属元素含量[2-3]。其中，T90、芳烃和锰元素主要影响早燃的频次，RON主要影响早燃发生的严重度。烯烃和烷烃对早燃的影响比较小，烯烃甚至能抑制早燃发生。以上指标影响早燃的本质原因至今还未达成共识。比如，在芳烃中含碳数的组分对早燃的影响至今没有论文来证实，而这正是本文的研究方向之一。

除了汽油以外，发动机油的品质也对早燃有重要的影响。一些研究表明，在气缸内由于汽油液滴和发动机油混合后导致发动机油粘度降低，再通过窜气的作用进入燃烧室，由于发动机油的自燃点变低，在气缸内雾化后提前自燃，从而导致早燃的发生[4]。而有些研究却认为，剥落的固态沉积物是早燃的发生来源。多项研究表明，不同发动机油的粘度、添加剂中金属元素含量等均可能会对早燃产生不同的影响[2,5-6]。因此，随着未来发动机发展趋势的变化，对发动机油的选择也会产生重大的变革。整车与发动机厂更倾向于选择抗早燃、钙镁复合、低灰分的发动机油。

1 试验方法

1.1 试验条件

图1 LSPI试验台架

试验台架如图1所示。汽油机早燃主要发生在缸内直喷机型上，因而本试验分别对2.0T和1.5T发动机进行了早燃试验研究。2款发动机均配置了缸内直喷、涡轮增压和DVVT等技术，表1为2款发动机的主要技术参数。

表1 发动机主要技术参数

1.2 试验工况

本次早燃试验选取低速全负荷工况，测试工况分别为发动机转速1 500 r/min、节气门全开(WOT)，发动机转速1 750 r/min、WOT和发动机转速2 000 r/min、WOT。在每个转速早燃试验开始前，发动机转速稳定在4 000 r/min，平均有效压力(BMEP)为1.0 kPa，稳定运行10 min，用于清除缸内积碳。每个转速进行6个测试循环，每个循环包含15 min测试过程(WOT状态)和5 min冷却过程(BMEP为0.2 kPa)，每个转速试验时间为130 min，图2为发动机转速1 500 r/min早燃试验运行工况。

图2 LSPI试验工况

1.3 早燃监测

本次试验在发动机缸盖中安装了打孔式气缸压力传感器，通过测量缸内燃烧压力来检测早燃。本次试验使用Kistler 6125C 缸内压力传感器，配套AVL 662 型燃烧分析仪记录缸内压力。燃烧分析仪中气缸压力限值为10 MPa。当缸内压力超过10 MPa时，触发燃烧分析仪对早燃的判断，记录该循环缸压瞬态变化情况，以及该循环前50和后50个循环的气缸压力数据。图3所示为早燃监控及数据记录的示例。通过统计燃烧分析仪记录的早燃次数，对试验结果进行评估。

图3 LSPI试验工况下的压力变化示例

2 试验分析

2.1 汽油中重组分的含量与LSPI的关系

总体而言，T90可以直接体现汽油中重组分的含量。如图4所示，本研究通过调整汽油中的组分含量，使不同汽油的T90位于145～175 ℃的区间，并使用这些汽油进行早燃试验。这些汽油不含锰、铁等金属元素。如图4所示，虽然在2台发动机上实际表现略有不同，但T90对早燃频次的影响表现形式是相同的。当T90很小时，2台发动机均未发生早燃现象。随着T90的上升，早燃频次也逐步上升，当T90达到168 ℃时，2台发动机的早燃频次均达到了很高的水平。此时，2台发动机的表现有所不同。虽然1.5T发动机在更宽的T90范围内均无早燃发生，但当T90大于168 ℃时，1.5T发动机上发生的早燃，表现出更显著的增长。

图4 汽油T90对LSPI的影响

试验对不同的高碳数烃类影响早燃频次的表现进行了进一步研究。高碳数的烷烃和芳烃均是对T90贡献较大的主要重组分。经西南研究院研究发现，芳烃含量增多造成早燃频次的增加，而烷烃含量却与早燃频次不相关或者呈现弱相关关系[7]。本研究使用3种不同组分的汽油，碳数大于10的芳烃和烷烃组分的含量如表2所示。其中，汽油H1中同时含有碳数为11的芳烃和碳数为13的烷烃；H2中只含有碳数为11的芳烃；H3中只含有碳数为13的烷烃。3组汽油的早燃试验均在2.0T发动机上进行，试验结果如图5所示。通过试验结果可知：仅去除汽油中的高碳数烷烃，并不会减少早燃的发生频次；去除高碳数芳烃，早燃频次则大幅减少。因此，高碳数芳烃对早燃频次的影响更为显著。

表2 汽油H1、H2和H3的重组分芳烃和烷烃含量

图5 重组分芳烃和烷烃对早燃的影响

接着，试验对重组分芳烃含量和低速早燃的关系进行了研究。为了方便描述，本文将碳数大于或等于10的芳烃称为“重组分芳烃”。将重组分芳烃含量不同的若干汽油在1.5T和2.0T发动机上分别进行早燃试验。这些汽油的重组分芳烃含量在2.2%和8.5%之间，试验结果如图6所示。在2种发动机上，重组分芳烃含量与早燃频次的关系表现形式是相同的。当重组分芳烃含量小于2.3%时，未发生早燃。随着重组分芳烃含量的增长，早燃频次也呈现线性增长。当重组分芳烃含量上升到8%以上时，早燃频次呈现更快的增长趋势。早燃频次与汽油重组分芳烃含量的关系式及相关性系数如图6和图7所示。重组分芳烃含量对早燃频次的影响在1.5T发动机上更为显著。

图6 重组分芳烃对早燃频次的影响

通过进一步研究，区分碳数为10的芳烃和碳数大于10的芳烃对早燃影响的差异。如图7所示，为“重组分芳烃”组分不同的汽油在1.5T和2.0T 2台发动机上进行的早燃试验结果。其中，汽油A中碳数为10的芳烃含量比汽油H低0.6%，相应地，其碳数大于10芳烃含量比汽油H高0.6%。从试验结果可见，碳数大于10的芳烃对早燃的影响比碳数为10的芳烃更显著，这结论在2台发动机上的表现是一致的。

图7 碳数为10的芳烃和碳数大于10的芳烃对早燃的影响

2.2 锰含量对LSPI的影响

为了研究锰含量对早燃频次的影响，在T90为147 ℃(轻质)和170 ℃(重质)的汽油中分别加入约14 mg/kg的锰元素，形成表3中的4种汽油类型矩阵。

表3 汽油M1、M2、M3和M4的锰含量和T90

测试上述4种不同汽油在1.5T发动机上的早燃频次，结果如图8所示。由试验可知，无论在轻质汽油还是在重质汽油中添加锰元素，都会大幅增加早燃频次。其中，重质含锰汽油在1.5T发动机上的早燃频次达到了很高的水平。根据Nomura等人的研究[3]，锰含量越高，对LSPI的影响越显著，这与本研究结果一致。

图8 汽油中的锰含量对早燃的影响

2.3 通过调整发动机油组分改善重质汽油的早燃频次

图9 通过降低钙含量改善早燃

大量研究表明，发动机油的钙含量会影响到发动机的早燃频次，使用低钙发动机油可以提高发动机的抗早燃能力。为了探究发动机在使用不含锰或含锰重质汽油时，不同钙含量的发动机油对早燃频次的影响情况，分别在1.5T和2.0T发动机上使用表3中的无锰重质汽油M3，在1.5T发动机上使用表3中的含锰重质汽油M4，测试了不同钙含量的发动机油的早燃频次，试验结果如图9所示。从图9可知，不管使用何种重质汽油，减少发动机油的钙含量都能够有效降低发动机早燃频次。其中，使用无锰重质汽油时，通过将发动机油的钙含量降低至1 200 mg/kg，几乎能够完全消除早燃；当使用含锰重质汽油时，即使将发动机油的钙含量降低至1 200 mg/kg时，早燃仍无法消除。

3 结论

汽油中的重组分含量对发动机早燃频次有显著影响。随着T90的上升，早燃频次明显增加。碳数大于10的高碳数芳烃和烷烃对早燃频次均有影响，其中高碳数芳烃对早燃频次的影响更显著。碳数大于10的高碳数芳烃的含量与早燃频次具有线性相关性。相比碳数为10的高碳数芳烃，碳数大于10的高碳数芳烃对早燃频次的影响更显著。汽油中的锰含量对早燃频次有显著影响，无论汽油中重质组分含量高低，加入锰元素后，早燃频次均大幅增加。通过降低发动机油中的钙含量，可以有效降低早燃频次。但使用含锰重质汽油时，即使将发动机油中的钙含量降低到1 200 mg/kg，也无法完全消除早燃的产生。