增压汽油机中早燃和超级爆震的研究进展.docx

增压汽油机中早燃和超级爆震的研究进展王志，龙岩，王建昕（清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084，中国）摘 要：增压直喷是实现汽油机节能的有效手段，而超级爆震是进一步提高功率密度的主要障碍。超级爆震和早燃是两种不同的燃烧现象。超级爆震是高功率密度内燃机中的一种强烈的敲缸现象，常 发生在低速、大负荷工况，具有随机性、偶发性和破坏性。早燃是火花点火内燃机中点火前出现着 火的异常燃烧现象。早燃不一定导致超级爆震，但超级爆震前一定发生了早燃。抑制超级爆震的一 条重要途径是杜绝早燃。早燃的诱发源主要有机油液滴和颗粒物。燃油和机油的组分与物理化学性 质对超级爆震发生频次也有着重要影响。关键词：增压汽油机；超级爆震；早燃；机油液滴；颗粒物中图分类号：tk 411+.8文献标识码：adoi: 10.3969/j.issn.1674-8484.2013.01.002research progress of pre-ignition and super-knock in boostgasoline enginewang zhi, long yan, wang jianxin(state key lab of automotive safety and energy, tsinghua university, beijing 100084, china)abstract: boost and direct injection are effective measurements for energy saving in gasoline engines, whilesuper-knock has become the main obstacle for further improving power density. pre-ignition and super- knock are two different combustion phenomena. super-knock is a kind of severe engine knock in high power density internal combustion engine, which generally occurs at low-speed, high-load operating conditionswith stochastic, sporadic and destructive. pre-ignition is a abnormal combustion phenomenon in spark ignition engine that ignition occurs before the spark timing. pre-ignition itself does not always lead to super- knock, however, pre-ignition accures before super-knock. to eliminate pre-ignition is an effective approach to suppress super-knock. the origins of pre-ignition include oil droplet and particle. the composition andphysicochemical properties of fuel and oil affect seriously the frequency of super-knock.key words: boost gasoline engine; super-knock; pre-ignition; oil droplet; deposit收稿日期 / received ：2015-01-28基金项目 / supported by ：国家“八六三”高技术研究发展计划 (2012aa111715 ；2012aa111701)第一作者 / first author ：王志 (1972 )，男 ( 汉 )，湖北，副研究员。e-mail: 18汽车安全与节能学报2015 年 第 6 卷 第 1 期近年来，由于环境和能源问题日益突出，世界各国都对汽车排放和燃油消耗率提出了严格的要求。目 前中国汽车用汽柴油消费量已占到全国汽柴油消费总量 的 55% 左右 1。为了应对燃油消耗的快速增长，降低 co2 排放，中国制定了一系列有关汽车燃料消耗量的强 制性国家标准。 在 2005 开始实 施的第 1 阶段和 2008 年开始实施的第 2 阶段国家标准中，根据整车重量规定 了单车燃料消耗量限值 2。于 2012 年开始导入、2015 年全面执行的第 3 阶段标准在单车燃料消耗量评价体 系的基础上，引入了“企业平均燃料消耗量”的概念 3。 从 2016 年开始到 2020 年的第 4 阶段，企业平均燃料消 耗量限值将从 6.7 l/(100 km) 逐步加严到 5.0 l/(100 km)配后，能使发动机运行区域向高负荷区域移动，在汽车行驶的常用工况下，发动机负荷率相对提高，燃油经济 性进一步改善。因此，直喷增压小排量是实现汽油机 节能的一条重要途径 7-9。然而随着增压比和功率密度的不断提高，出现了 一种强烈的敲缸 (engine knock) 现象“超级爆震”： 缸内峰值压力甚至可超过 30 mpa，压力震荡幅度可超 过 20 mpa，极易造成 火花 塞、气门和活塞断 裂或 烧 蚀 10，可瞬间破坏发动机。与常规敲缸不同的是，超 级爆震不会因推迟点火提前角而消除，也不能通过加 浓混合气、加强壁面传热或采用高辛烷值汽油来避免， 且超级爆震具有偶发性和间歇性，影响因素众多。目前， 超级爆震已成为汽油机继续提高功率密度和降低油耗 的最大阻碍，国内外众多汽车发动机制造商、燃料和润 滑油公司以及相关科研机构等都在对超级爆震的机理 和抑制策略进行研究 11-16。应该指出，目前国际上对这种新的敲缸现象的命 名尚未统一：维也纳技术大学于 2005 年发现了这种现 象，称之为 unwanted pre-ignition17 ；奇瑞汽车公司和 清华大学 2008 年在国家 863 计划缸内直喷汽油机开发 项目报告中提取了这种现象的燃烧特征，发现爆震强 度超出常规爆震强度 12 个数量级，称之为“超级爆震”； 奥地利 avl 公司 2009 年在增压直喷汽油机上高热负 荷 工 况也 捕 捉 到 这一现 象， 称 之为 mega knock18 ； shell 石油公司于 2009 年称之为 super knock12 ；美国 西南研究院在 2011 年称之为低速早燃 (low speed pre- ignition, lspi)19 ；清华大学于 2014 年发现高增压内燃 机燃烧条件下能出现爆轰燃烧，称之为 deto-knock10。本文中采用“超级爆震”这一中文名称。4-5（对应的 co2 排放约为 120 g/km） 。随着燃料消耗量限值不断加严（见图 1），国内外各汽车企业正在加紧研发新一代高效环保内燃机。2015105012整车装备质量 / t3中国乘用车燃料消耗量限值趋势 2-5图 1相比传统的进气道喷射汽油机，缸内直喷具有动力性高，瞬态性好和控制灵活的优点，已成为汽油机 发展的主流。而在缸内直喷的基础上，结合增压小排 量技术，最大扭矩和功率可以达到大排量自然吸气汽 油机的水平 6（见图 2）。增压小排量汽油机和整车匹自然吸气大排量1 超级爆震与早燃的关系上述文献已可以看出，2014 年以前国际上往往将 超级 爆震 (super-knock) 和早燃 (pre-ignition) 混用，都 被用于描述这种低速大负荷条件下新的敲缸现象。虽 然有些情况下这两个术语是可替换的，但实际上它们 代表的是两种截然不同的燃烧现象 10。“早燃”20 指的 是火花点火前出现的着火燃烧，然而在很多超级爆震 相关文献中却常用早燃频次来评价增压直喷小排量发 动机燃烧系统的性能，并以最大爆压 (10.5 mpa 11) 或 压力震荡幅度 ( 830% 最大允许幅度 13) 作为判断早燃 的标准。实际上，由于早燃时刻、位置和环境的不同， 早燃可以导致不同的燃烧现象 ( 包括不发生敲缸或轻微 敲缸 )，很难用传统的爆震检测方法来识别早燃，因此 文献中的早燃频次应为超级爆震频次。“超级爆震”的自然吸气大排量增压小排量道路负荷图 2 增压小排量发动机运行特性 6发动机扭矩燃料消耗量 / l(100 km)-1最佳燃油经济区第1阶段限值第2阶段限值 第3阶段目标值 第4阶段目标值王 志，等：增压汽油机中早燃和超级爆震的研究进展19命名是为了把它和常规爆震 (conventional engine knock)区分开来。常规爆震现象的解释是火焰锋面到达之前 末端混合气的自燃 20，工程上可以通过加快火焰传播 速度和延长末端混合气自燃时间来控制，保证爆震强 度在最大允许值之内。而超级爆震指的是具有偶发性 和间歇性的强烈发动机爆震，其爆震强度远远高于常 规爆震，可能一次性破坏发动机。因此超级爆震是可 以用工程上最大爆压值或压力震荡幅值来检测的，而 早燃不能。虽然超级爆震与早燃是两种不同的燃烧现象，但 两者存在着密切的联系。2014 年清华大学 10 在不同增 压直喷汽油机多于 500 组超级爆震试验的基础上，提 取超级爆震循环的燃烧参数，揭示了超级爆震和早燃 之间的关系为：早燃不一定发生超级爆震，但超级爆震 一定发生了早燃；早燃可以导致超级爆震，也可以导致 强烈爆震、轻微爆震和不爆震。典型的早燃和正常燃 烧的缸压曲线见图 3，其中：p 为缸压强；ca 为曲柄转角； kio 为允许爆震强度；pz 为允许最大爆压。通过进一步的数值解析发现，超级爆震的发生不仅与早燃有关，而且与早燃发生后末端混合气中的燃30超级爆震（末端气体爆轰）20超级爆震（末端气体爆燃）o重度爆震轻微爆震不爆震 正常循环z10点火时刻0-60-300306090ca / ()图 3 典型的早燃和正常燃烧的缸压曲线 10烧模式有关 10。如图 4 所示，早燃可以诱发正常燃烧 ( 湍流火焰传播，无敲缸 )，也可以产生常规爆震 ( 末端混 合气爆燃 )，还可能导致末端混合气中产生爆轰。而超 过爆震强度一个数量级以上的超级爆震可以是末端混 合气中发生爆燃，也可能是末端混合气中发生了爆轰 10。图 4 火花点火发动机中正常燃烧、早燃和超级爆震的分类 10清 华大学 10 对大量发动机超级爆震试验数据进行系统分析，提出了超级爆震一种可能的解释热点 诱发爆燃到热点诱发爆震 (hot-spot induced def lagration to hot-spot induced detonation, hdd)，指出发动机燃烧 过程中出现了爆震燃烧。其燃烧过程可概括为：存在于 燃烧室中的热点 ( 如颗粒或机油 ) 在上止点前触发了早 燃，早燃引起火焰传播，在火焰面膨胀和活塞压缩的 双重作用下，未燃区混合气迅速达到高温高压状态 ( 温 度高于 1000 k，压力高于 10 mpa)。在高温高压混合 气中的其他热点引发了爆震燃烧。进而指出了超级爆震 的 4 个阶段：早燃 (pre-ignition)爆燃 (def lagration) 爆轰 (detonation)压力震荡 (pressure oscillation), 简称 pddp，见图 5。以上研究从理论上分析了超级爆震现象与爆轰燃烧 (detonation) 的关联，但缺乏相关的可视化证据。最近清 华大学 21 在快 速 压缩机 上以和产品发动机相近 的高温高压理论空燃比工作条件，使用异辛烷为燃料， 燃烧室中心点火，观察到了末端混合气自燃产生的爆震 燃烧及由爆震波传播导致的剧烈压力振荡。图 6 为试验中观察到的爆震波传播过程图像。图 6 中 爆 震 波 在 燃 烧 室 内 持 续 传 播， 速 度 为3.08 km/s，甚至大于试验条件下的 c-j 爆轰速度 (2.325 km/s)，为典型的过驱动爆震。研究指出爆燃火焰是由 燃烧室中的早燃点触发的，但爆燃火焰并不是自加速 到爆轰燃烧，而是在起爆时刻发生突变：即爆轰燃烧 是由未燃混合气中另外的热点触发的。爆轰燃烧一旦 发生，缸压出现明显的压力间断，最大爆压达到峰值， 随后燃烧室内发生巨幅压力震荡和高速流体震荡。p / mpa正常燃烧湍流火焰传播不爆震火花点火内燃机 燃烧常规爆震末端气体爆燃早燃发动机爆震超级爆震末端气体爆轰 10 1.5 pki20汽车安全与节能学报2015 年 第 6 卷 第 1 期20100330360390420ca / ()(a)早燃(b)爆燃(c)爆轰内燃机超级爆震燃烧 pddp 过程 10图 5压力震荡o)m)n)w)12爆轰爆轰10爆燃8a)e)j)k)6早燃4爆燃25.16 ms0567t / ms89早燃 - 超级爆震的高速摄影 21图 6可以看出，早燃和超级爆震属于发动机领域的工程描述，早燃是超级 爆震 前的着火和火焰传播过程， 超级爆震则是早燃后的可燃混合气中的爆震燃烧和压 力震荡过程，二者是超级爆震循环中的两个燃烧阶段。 早燃是超级爆震的必要但非充分条件。由于超级爆震 一旦发生容易瞬间破坏发动机。因此发动机运行中应 杜绝超级爆震的发生，文献 15-16, 19, 22-24 研究了不同的超 级爆震抑制方法。而解决超级爆震问题的一条重要途 径是抑制早燃。2 早燃的诱发机制与源解析2.1 超级爆震前早燃诱发机制早燃是火花点火汽油机中的一种非正常燃烧现象，25-28从上世纪中页开始就已经引起了关注。而能够发展为超级爆震的早燃，并不是均质气体自燃的过程。光 学诊断发现，早燃发生时燃烧室内有明显的火核形成、21, 29-30长大和火 焰传播 过程。 模 拟计 算结果也 表明，即使在低转速下，化学计量比的均质混合气滞燃期仍p / mpap / mpal)压力间断点王 志，等：增压汽油机中早燃和超级爆震的研究进展21然较长，在火花点火之前来不及自燃 10, 31。这说明增压汽油机内引发超级爆震的早燃并不是类似 hcci 的 均质气体自燃过程，而应该与燃烧室内的早燃点 ( 热点 等 ) 有关。根据早燃点来源的不同，早燃可以分为结构热点 ( 如火花塞、气门等 ) 引起的早燃和非结构热点 ( 如机 油液滴、燃烧室颗粒物等 ) 引起的早燃。当燃烧室内 存在结构热点时，会造成燃烧室温度升高，连续出现 表面点火，因此有文献称之为 run away pre-ignition32-33。 这类现象可以通过优化燃烧室结构来避免。而在增压 汽油机低速大负荷工况下随机出现的能够发展成超级 爆震的早燃，在燃烧特征上不同于结构热点引起的早 燃。卡尔斯鲁厄大学 dahnz 等人 29-30 和通用汽车公司 的 zahdeh 等人 11 分别在 2010 年和 2011 年利用内窥镜 光学成像手段研究了超级爆震发生时早燃位置在燃烧 室内的分布情况，发现火核形成点在燃烧室内的分布 是随机的，见图 7，说明早燃并不是由火花塞、排气门 等结 构热点造成表面点火诱发的。2012 年 ngk 公司 的 inoue 等人 34 针对性地研究了火花塞点火间隙、热 值、电极长度等参数对超级爆震发生频次的影响，结 果表明火花塞对超级爆震几乎没有影响，认为火花塞 热点直接诱发早燃的可能性可以排除。2013 年亚琛工 业大学 peters 等人 35 的直接数值模拟 (dns) 计算结果（见图 8）也表明，燃烧室表面某一区域（火花塞或气门）450 k 的温度升高对早燃没有影响，提高火花塞温度并 不会增加早燃发生的概率。以上研究均表明，在增压 汽油机低速大负荷工况下随机出现的能够发展成超级 爆震的早燃，与燃烧室内的火花塞、气门等结构热点 无关，而应该是非结构热点诱发的。图 8 采用 dns 计算得到的湍流场温度分布 352.2 早燃的诱发源解析关于早燃的诱发源，目前国际上尚无明确的结论， 但大量的研究结果已表明，机油液滴和颗粒物能够成 为热点诱发早燃，进而引起超级爆震。1) 机油。机油成分十分复杂，由基础油以及清洁剂、分散 剂、抗氧抗腐剂、防锈剂、乳化剂等众多添加剂组成。 机油液滴通过某种途径窜入燃烧室中，由于含有部分 滞燃期较短的长链成分，从而有可能成为汽油混合气 中的热点。在适当的温度和压力条件下，机油液滴在 点火前可能首先自燃，进而点燃周围的混合气诱发早燃， 并最终导致超级爆震。2010 年卡尔斯鲁厄大学的 dahnz 等人 29-30 根据试 验结果和模拟计算分析，最早指出机油液滴是诱发早燃 的可能原因。2011 年通用汽车公司的 zahdeh 等人 11 在 试验中发现，喷雾碰壁以及燃油、机油混合会促进早燃， 并提出了机油液滴进入燃烧室的两种可能途径。2012 年壳牌 石油公司的 kalghatgi 等人 36 提出，早燃可能 是由混合气中混入的、滞燃期较短的润滑油长链成分 自燃引起的。2012 年丰田汽车公司的 takeuchi 等人 37 提出了机油液滴诱发低速早燃的一种假设（图 9）：第1 步，附着在气缸壁面上的机油油膜被碰壁的燃油喷雾稀 释；第 2 步，在活塞环岸缝隙中逐渐积累；第 3 步，被稀 释的机油液滴在惯性力的作用下被释放出来并窜入燃 烧室，发生蒸发和氧化反应；第 4 步，最终自燃并在火 花点火前引燃周围混合气，形成火焰传播。2013 年 清 华大学对比研 究了不同超 级 爆震 抑制火花塞进气门排气门进气门排气门气缸盖垫片图 7 早燃源空间分布 2922汽车安全与节能学报2015 年 第 6 卷 第 1 期降低了机油进入燃烧室空间的可能性。机油液滴诱发早燃的观点在 2014 年得到了证实。机油油膜燃油喷雾 机油被喷射的燃油稀释活塞燃油/机油混合物在活塞环岸间隙中积累38清 华大学齐 运亮等人将 微量机油在压缩上止 点前喷入燃烧室，如图 10 所示，发现可引起早燃并导致超 级爆震。早燃与爆震始点随机油喷射时刻推迟而提前， 爆压升高，见图 11。过早喷射机油，机油碰壁，对燃 烧无影响，表明机油需在空间漂浮才更容易引起早燃。 另外发现：被汽油轻微稀释的机油能引起最强的爆震。 将机油与汽油的 混合 物喷入燃烧 室， 喷 油量一定时， 稀释比 ( 混合物中汽油的体积分数 ) 为 25% 的机油诱 发的超级爆震最为剧烈。(a) 稀释(b)积累机油液滴从活塞环岸间隙中释放出来蒸发机油液滴o2火焰传播o2火花塞氧化气体扩散层喷油器(d) 自燃(c) 释放图 9 机油液滴诱发低速早燃的一种机理 37方 法 24， 发 现 优 化 的 进 气 行 程 两 次 喷 射 (two-stageinjections in intake stroke，tsii) 能够有效抑制超级爆 震，并且保证发动机的油耗、排温以及排放不会恶化， 而进气压缩行程两次喷射容易带来排温的升高和碳 烟的生成。进一步的模拟和试验分析表明 23，进气行 程两次喷射 抑制超级 爆震的机理是减 少了机油稀释，燃烧系统示意图 38图 1020ca(atdc) / ()6ca(atdc) / ()605040306050403041020002040稀释比 / %6080020406080稀释比 / %图 11 机油喷射时刻和稀释比对缸内压力的影响 38剑桥大学 welling 等人 39 在燃烧室内安装了 gdi喷嘴（图 12），在排气门开启后向燃烧室中喷入一定量 的机油，在喷射后的 50 个循环中观察到 4 次自燃，推 测在自由排气阶段进入燃烧室的机油中的滞燃期较短 的成分可以存活下来并且在后面的循环中诱发早燃。丰 田汽车公司 ohtomo 等人 40 采用快速压缩膨胀机研究 了单个机油液滴引燃混合气所需要的条件，并结合数值模拟讨论了来自活塞环岸缝隙的机油液滴诱发早燃的可能，研究结果表明，由活塞缝隙中释放出来的机油 液滴被加热并保留在燃烧室中，则可能在下一个循环 诱发早燃。布鲁奈尔大学的 dingle 等人 41 采用向光学发动机 内直接喷射机油的方式，观察到了机油诱发早燃的现 象，见图 13(a)。本文作者则在快速压缩机中，利用高p/ mpamaxp / mpa王志，等：增压汽油机中早燃和超级爆震的研究进展23速高分辨率自燃发光研究了机油液滴自燃的现象。将机油液滴 (15w-40) 植入化学计量比的异辛烷 / 空气混 合气中，在压缩终点压力 14 bar 和压缩终点温度 710 k 的条件下，机油液滴首先着火并引燃周围可燃混合气， 产生火焰传播，见图 13(b)，这与相同条件下没有机油 液滴时的均质混合气自燃明显不同。而且由于机油液滴 的着火触发，燃烧相位也明显提前。2) 颗粒物。机油液滴并不是诱发早燃的唯一原因，燃烧室内 的颗粒物也与早燃的发生存在着密切的联系。颗粒物 生成与燃油性质、发动机设计和运行条件有关，作为 不完全燃烧的产物，颗粒物既有可能滞留在燃烧室中 并在下一循环首先发生表面氧化反应、点燃周围混合气 诱发早燃，也有可作为高温热点直接点燃混合气。首先 早燃 与燃 烧 室内的 清洁 程 度 有关。2011 年机油喷油器安装位置 39图 1253.9454.1054.6055.0055.20-7.2-2.42.455.5255.7055.90无机油液滴56.1056.307.212.016.844.2045.0046.0047.5048.2021.626.431.249.6049.8649.90有机油液滴49.9850.20单位：msca(atdc)(a) 布鲁奈尔大学光学发动机试验结果 41图 13 机油液滴自燃现象(b) 清华大学快速压缩机试验结果fev 的 haenel 等人 13 发 现与采用清洁 的 缸 盖相比，采用不清洁的缸盖在较低的压力下发生了早燃。2014 年法国石油研究院的 zaccardi 等人 31 也发现采用清洁 燃烧室时不会发生低速早燃 (lspi) 的工况，采用不清 洁的燃烧室则出现了多次低速早燃（图 14）。2013 年卡 尔斯鲁厄大学 palaveev 等人 42 在试验中发现，增强喷 雾碰壁会提高早燃频次，但计算结果却表明，采用正 十六烷这种长链饱和烷烃来模拟机油，其滞燃期仍然较长而在压缩冲程结束前来不及自燃。palaveev 等人认为是某种未确定的、滞燃期较短的物质诱发了早燃，该 物质可能来自于燃油或机油，也有可能是不完全燃烧的 产物，可能存在于微粒或液滴中，也可能从液滴表面挥 发。此外，尽管 dingle 等人 41 在光学发动机中观察到 了机油诱发早燃的现象，但却无法确定究竟是悬浮的 机油液滴直接诱发了早燃，还是生成了某种与机油有关 的颗粒物，进而导致早燃。24汽车安全与节能学报2015 年 第 6 卷 第 1 期1.2壁则会增加一个序列中的低速早燃次数。对此 okada等人提出了一种可能的低速早燃机理（图 15）：由于湿 壁效应产生的沉积物（点 a）以及在小负荷下产生的沉 积物（点 b），剥落并漂浮在燃烧室中（点 c），在压缩 冲程沉积物开始燃烧，温度逐渐升高（点 d），在膨胀 和排气冲程其表面火焰熄灭（点 e），部分高温沉积物 滞留在残余废气中，在下一循坏的进气冲程遇到新鲜 空气，并在压缩冲程高温高压的环境下加速表面氧化 反应，成为灼热微粒（点 f），继而点燃周围混合气诱 发早燃（点 g）。2014 年，维也纳技术大学的 lauer 等人 44 根据高 速摄影和模拟计算结果提出，机油或者未完全氧化的 燃油液滴首先诱发早燃，在此过程中沉积物从燃烧室 壁面剥落，在后面的循环中被加热，并在下一循环中再 次诱发早燃，见图 16。不清洁的燃烧室清洁的燃烧室点火角0.80.4低速早燃正常燃烧0370380390400已燃质量分数10%对应的曲轴转角 / （）图 14 燃烧室清洁度对早燃的影响 422014 年丰田汽车公司的 okada 等人 43 在试验中发 现，喷雾碰壁会产生大量沉积物；而另一方面，喷雾碰abc湿壁效应产生的沉积物：在相对较短的时间里，这些沉 积物在气缸内壁顶部和活塞环 岸间隙中积累。小负荷下产生的沉积物：在相对较长的时间里，这些沉积物 在燃烧室内多处位置积累。活塞低速早燃前循环低速早燃循环压缩火花点花膨胀排气进气压缩混合气被点燃膨胀15沉积物燃烧氧气10火焰熄灭5dg灼热微粒e继续进行表面氧化 f0ca图 15 颗粒物诱发低速早燃的一种机理 43(a) 初始早燃(b) 出现炽热粒子(c) 炽热粒子再次诱发早燃图 16 高速相机拍摄到的多次早燃 44最大放热率 / kjdm-3()-1p / mpa气缸套王 志，等：增压汽油机中早燃和超级爆震的研究进展25清华大学王志等人 23, 45 在试验中发现，超级爆震发生次数与炭烟排放有一定的相关性（见图 17，其中： atdc 为上止点后，after top dead center）。通过向燃烧室 中人为引入不同直径的纯碳粒子，证明了碳粒可以诱发 超级爆震，并且发现微米级的碳粒难以诱发超级爆震，50 m 以上的碳粒可以诱发超级爆震（见图 18，其中： q 代表放热率），这说明缸内纳米级碳烟排放粒子不是 早燃的直接诱因，而炭烟层从燃烧室壁面脱落可能是 大负荷工况的超级爆震的另一诱因。的发生频次有一定的影响。这一方面是由于燃油的性质直接影响混合气的着火特性，另一方面燃油也可能与机 油等成分相互作用，或者对颗粒物的形成有一定影响， 从而影响早燃源的形成。1) 组分和添加剂。美国西南研究院的 amann 等人 46 研究了燃油组 分对低速早燃的影响，如图 19 所示。15常规汽油10%乙醇的汽油高芳烃含量汽油低芳烃含量汽油421015200 = 10 = 11050第 一 次 喷 射 时 刻 ca(atdc) / ()100图 19 燃油组分对低速早燃的影响 46由此发现：在不同燃料的研究法辛烷值 (researchoctane number, ron) 和马达法辛烷值 (motor octane number, mon) 都基 本一致的前提下，采用芳烃 含量 高的燃油，出现低速早燃的频次较高；而采用含氧燃料 e10 和低芳烃含量燃料，出现低速早燃的频次较低。其 中，采用低芳烃含量汽油在过量空气系数 = 1.0 和 = 1.1 时均未出现低速早燃。 采用燃油添加剂能够在一定程度上抑制颗粒物 47，但 通用汽车公司的 zahdeh 等人 11 却发现，采用添加 燃油清洁剂 ( 用于清洁多点燃油喷射系统喷油器和进气 系统 ) 的燃油出现低速早燃的频次是不添加燃油清洁 剂燃油时的 3 倍。可以看出，已有的研究表明燃油组 分和燃油添加剂对早燃的显著影响，但目前仍然没有 直接的数据阐明其规律。2) 辛烷值。卡尔斯鲁厄大学 dahnz 等人 30-39 和上汽李元平等 人 16 发现早燃频次随汽油辛烷值升高而降低，并与储 存时间有关，见图 20。丰田汽车公司 sasaki 等人 33 发 现 早燃 温 度与 ron 的 相关 性比 mon 更 强，ron 越 高， 早燃 温 度 越高。 而 亚琛 工 业 大学 hlser 等人 48 则在试验中发现，尽管乙醇的辛烷值很高，在进气歧 管压力较高的情况下， 乙醇仍 然 有 较高的早燃 频次。 kalghatgi49-50 也认为乙醇燃料容易发生早燃，但可能超级爆震次数及炭烟排放 45图 171531025100-5-10-1-60-300306090ca(atdc) / ()图 18 碳粒诱发超级爆震 453 燃油和机油品质对超级爆震的影响除了对早燃进行源解析外，对超级爆震的研究表 明，燃油和机油的组分与物理化学性质对超级爆震发 生频次有着重要影响。3.1 燃油品质燃油的化学组成以及辛烷值和挥发性对超级爆震超级爆震发生频数p / mpaq / mjm-3()-1炭 烟 / (m-1 )3万个循环中的低速早燃序列数点火时刻ca atdc 5d / m3001507550超级爆震发生次数炭烟含26汽车安全与节能学报2015 年 第 6 卷 第 1 期3.2 机油品质机油的基础油性质和添加剂成分对超级爆震的发 生频次也有影响。1) 基础油。剑桥大学 welling 等人 51 在缸内直喷少量机油并 抑制点火的试验中，发现混合气自燃频次与机油的计 算着火指数 (calculated ignition index，cii) 表现出很强 的相关性。计算着火指数是一种基于船用燃料经验测 量的参数，用来衡量重烃的反应活性，如图 22 所示 ( 其 中相对自燃频次 = 自燃频次 / 试验总循环数 )，计算着 火指数越高，相对自燃频次越高。402009598100100（旧）ron值图 20 燃油辛烷值对早燃频次的影响 291.0不容易发生超级爆震。这说明燃料的辛烷值在一定程度上对早燃有所影响，却不能完整地描述早燃或超级 爆震倾向。3) 挥发性。卡 尔 斯 鲁 厄 大 学 palaveev 等人 42 在 试 验 中 发 现 采 用 高 挥 发 性 的 ron95 e10 比 采 用 低 挥 发 性 的 ron95 e10 早燃频次更低。通用汽车公司 chapman 等 人 25 发 现， 随 机 早 燃 (stochastic pre-ignition) 频 次 与 ron、mon、 抗 爆 指数 (antiknock index，aki, aki = (ron+mon)/2) 以及 燃 料 敏 感 性的 相 关 性 并不显著， 与燃料的馏程 (t40-t80) 则表现出较强的相关性 ( 见图21，其中：50% 为液体燃料蒸馏出 50% 时的温度，反映 了燃料的平均蒸发性；纵坐标代表采用某种燃料在特定 的测试中出现随机早燃 (stochastic pre-ignition，spi) 的 频次 )。低于103 的燃料超级爆震频次较低。可以看出， 采用低挥发性燃料更容易发生早燃。0.5055606570计算着火指数cii机油计算着火指数对低速早燃的影响 51图 222) 添加剂。通用汽车公司 zahdeh 等人 11 和卡尔斯鲁厄大学 palaveev 等人 42 发现机油添加剂含量越高，早燃发生 频次越高。丰田汽车公司 takeuchi37 和 hirano52 等人 在发动机试验中发现，机油中的含 ca 清洁剂以及金属 磨损产生的 fe 和 cu 能够 促 进 低速早燃，而 modtc 和 zndtp 等成分则会抑制超级爆震。fujimoto 等人 53 通过减少含 ca 清洁剂含量、增加 zndtp 抗氧化剂含 量来开发新机油（见图 23）。根据丰田公司的试验结果， 降低含 ca 清洁剂含量、提高 zndtp 含量，可以抑制 低速早燃；然而含 ca 清洁剂含量过低会使添加剂的高 温清洁能力下降，过分提高 zndtp 含量又会因为磷过 多而导 致 三 效催 化 剂中毒。 因此 在调 整机油 添 加剂 成 分 时， 要在 抑制低 速早燃 与保证 基 本性 能 之 间做 出权衡。在发动机试验中发现，采用新机油时的低速早燃 频次比采用常规润滑油时低速早燃频次的 1/10 还要低， 并且与常规汽油机润滑油相比，受机油老化的影响更小。 日本大学 miyasaka 等人 54 也发现机油中的水杨酸钙 的清洁剂能够促进自燃和非正常燃烧，而 hayakawa 等21080100120140/ 50%25图 21 机油挥发性对随机早燃的影响随机早燃频次 / 1031万个循环中的早燃频次相对自燃频次r2 = 0.73王 志，等：增压汽油机中早燃和超级爆震的研究进展27n11481465/16423221.html.ministry of industry and information technology of peoples republic of china. the passenger car fuel consumption fourth phase standard interpretation eb/ ol.(2015-01-26). /n11293472/ n11293832/n11294042/n11481465/16423221.html. (in chinese)中华人民共和国 国家质量监督检验检疫总局 , 国家标准化管理委员会 . gb 19578-2004, 乘用车燃料消耗量限值s. 北京 : 中国标准出版社 , 2004.general administration of quality supervision inspection and quarantine, standardization administration of the peoples republic of china. gb19578-2004, limits of fuel consumption for passenger cars s. beijing: standards press of china, 2004. (in chinese)中华人民共和国 国家质量监督检验检疫总局 国家标准化管理委员会 . gb 27999-2011 乘用车燃料消耗量评价 方法及指标 s. 北京 : 中国标准出版社 , 2012.general administration of quality supervision inspection and quarantine, standardization administration of china of the peoples republic of china. gb27999-2011, fuel consumption evaluation method and targets for passenger cars s. beijing: standards press of china, 2011. 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