05.10 增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

【日】大友光彰等

【譯】彭惠民摘要:在低速、高負荷工況下,小型增壓式火花點燃發動機會發生低速提前點火(LSPI)的異常燃燒現象。為了研究壓縮時間對單一機油油滴自燃的影響,瞭解油滴自燃引起燃料-空氣混合燃燒的條件,利用單缸發動機進行了試驗,以驗證機油油滴自燃LSPI的關係機理。結果表明,隨著壓縮時間延長,120 ℃以下的機油油滴發生自燃,而汽油-空氣混合中無論是否含有機油油滴均發生自燃。

關鍵詞:火花點燃發動機 提前點火 燃燒解析 機油油滴自燃

0前言

小型增壓式火花點燃發動機在低速、高負荷工況下會產生低速提前點火(LSPI)的異常燃燒情況。這是在火花塞點火之前發生提前著火,火焰傳播導致猛烈的爆燃。

關於發生LSPI的原因,有可能是氣缸內混入浮游的機油油滴及沉積物等異物進而引起混合氣的早燃,研究人員已通過發動機內的可視化試驗開展研究。但是通過試驗難以調查異物引起LSPI的條件,尚不清楚的問題仍較多。LSPI可能是隨機現象,發動機每行程氣缸內的狀態並不相同,難以在特定混合氣中產生局部著火的條件。

作為導致LSPI的因素,如考慮機油油滴的存在,則可推測機油油滴的自燃比混合氣的自燃及點火定時更早發生,並引起混合氣的燃燒。以往使用快速壓縮膨脹裝置對機油油滴直徑、溫度等油滴的自燃條件開展了基礎性研究,研究結果見圖1。由圖1可知,壓縮前機油油滴溫度在250 ℃以上時有油滴自燃,並具有引起混合氣燃燒的可能性。此外,發動機內存在機油油滴情況下,由於暴露在已燃氣體中,計算表明油滴溫度可上升到約300 ℃。以上情況,表明如果被加熱的機油油滴殘留在氣缸內則有可能引起自燃。

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

機油油滴自著火試驗是在相當於轉速1 200 r/min的壓縮行程工況下進行的。在油滴的自燃過程中,蒸發支配全反應速度,而蒸發受油滴溫度上升時間的影響。油滴周圍氣體被緩慢壓縮的情況下,油滴暴露在高溫中的時間增加,所以溫度上升快,進而促進了蒸發,使得即便低溫油滴也可以著火。

本文中研究了壓縮時間對單一油滴自著火的影響,瞭解機油油滴自燃並引起燃料-空氣混合氣燃燒的條件,另外通過單缸發動機驗證由機油油滴自燃引發LSPI的機理。

1單一油滴的自燃試驗

1.1 試驗方法

單一機油油滴的自燃試驗中採用液壓驅動式的快速壓縮膨脹裝置,如圖2所示。通過2種方法向燃燒室供給機油油滴:

(1)在燃燒室上部安裝能夠射出單一機油油滴的噴油器;

(2)燃燒室內充入規定的混合氣,在落下油滴後利用裝有螺線管的金屬桿關閉油滴通道,並使活塞活動。

採用方法(1)使機油油滴著火前到達燃燒室壁面,採用方法(2)進行試驗。燃燒室內拉緊2根鎢線,在其交點懸垂油滴。懸垂油滴後安裝可視化用的石英玻璃,在燃燒室內引入規定的混合氣,然後使活塞動作,對燃燒室內氣體進行壓縮膨脹。藉助高速攝像機(NAC,MEMRECAM-HX-3),通過石英窗記錄燃燒室內情況,實現可視化。設定活塞-缸套間為無潤滑滑動,排除了引入油滴以外的機油影響。活塞模擬曲柄機構產生位移,壓縮時間在25~375 ms間(相當於發動機轉速1 200~80 r/min)選擇以下3種燃燒室內的氣體進行試驗:空氣、汽油-空氣(辛烷值(Ron)100,當量比1)、甲烷-空氣Ron 130,當量比1)。

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

1.2 試驗結果

首先,研究了在空氣中的壓縮時間對單一油滴著火定時的影響。試驗油滴參數見表2,壓縮時間與油滴的著火定時及文獻的結果見圖3。著火定時以壓縮結束的時間為0來表示。Td0(壓縮前油滴溫度)為80 ℃,d0(油滴直徑)為200μm及150 μm情況下,若壓縮時間短則油滴並不發生自燃,如果壓縮時間達到375 ms則發生自燃。d0=80 μm時,壓縮時間達到200 ms以上則會發生自燃。油滴直徑越小,壓縮時間越長,油滴的著火定時越早於壓縮結束。文獻中的試驗條件相當於壓縮時間25 ms,油滴溫度在290 ℃以上時發生了自燃。

沒有油滴狀態下,使汽油-空氣混合氣在壓縮膨脹著火的著火定時見圖3。汽油-空氣混合氣在壓縮時間100 ms以上時發生自燃,與油滴一樣,壓縮時間越長,著火比壓縮結束時間越早。d0=80 μm、壓縮時間為200 ms時,油滴的自燃遲於汽油-空氣混合氣的著火定時,但若壓縮時間延長(如300 ms),則兩者無明顯差異。另外,壓縮時間長於300 ms情況下,機油油滴發生自燃前會與活塞下部碰撞,直徑80 μm的油滴不能懸垂在鎢絲上,所以不能觀測自燃延遲。

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

油滴的自燃方面,其蒸發過程支配全反應的速度,受到油滴溫度的影響。在壓縮時間短的情況下,油滴溫度不能很好地跟隨氣體溫度明顯上升,因此只有在壓縮前油滴溫度足夠高的情況下才會自燃。另一方面,在壓縮時間較長的情況下,油滴溫度明顯上升,即便壓縮前油滴溫度較低也會發生著火。比較油滴與汽油-空氣混合氣的著火定時,在壓縮時間短的情況下,混合氣不發生自燃;如果壓縮時間長,混合氣與油滴均發生自燃,混合氣著火更快些,但隨著壓縮時間延長,油滴溼度上升量增加,兩者著火定時的差異縮小。

因此,除壓縮時間非常長的情況外,可認為只有在油滴溫度足夠高的情況下才會由油滴的自燃引起汽油-空氣混合氣的燃燒。另外,對著火性低的甲烷-空氣混合氣也進行了與汽油-空氣混合氣同樣的試驗,但甲烷-空氣混合氣未發生自燃。由此推斷油滴自燃有可能引起混合氣的燃燒。為此,在甲烷-空氣混合氣中配置了機油油滴時觀察了燃燒室內的情景,在Td0=120 ℃、d0直徑為150μm條件下進行了試驗。圖4表示壓縮時間為375 ms時的觀察結果。由圖4可知,壓縮結束前油滴自燃並觀測到混合氣的火焰傳播。而壓縮時間在300 ms以下時,未發生油滴自燃及混合氣燃燒。綜上可知,發生油滴自燃的條件下,可引起混合氣的燃燒。

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

由於機油油滴自燃引起混合氣燃燒的條件。圖5表示機油油滴溫度以發動機轉速錶示的壓縮時間的關係。在轉速高的情況下,只有油滴溫度較高時油滴才會發生自燃。機油油滴的自燃定時比汽油-空氣混合氣早些,可引起混合氣燃燒。而在發動機轉速低的情況下,無論油滴溫度高低均發生自燃。這時,油滴的自燃比汽油-空氣混合氣滯後,但可引起甲烷-空氣混合氣等著火性低的燃料燃燒。

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

考察以上結果可知,在相當於乘用車用汽油機的轉速下,較低溫的油滴引發LSPI的可能性較小。缸套的溫度約150 ℃,即便考慮了活塞溫度且由缸套飛散的機油油滴受到壓縮,也可以推測不會引起自燃。機油油滴一旦暴露在已燃氣體中,溫度上升,若在下一行程仍殘留在缸內,則有可能引起自燃。另一方面,在發動機轉速遠低於乘用車用汽油機的條件下,較低溫度的油滴也有可能引起自燃,即由缸套飛散的機油油滴無論是否殘留到下一行程,在受到壓縮時均可能引起自燃。據報道,即便是大型的燃氣發動機中也有由於機油自燃而引發混合氣自燃的實例。這種情況下,由於發動機轉速低,氣缸內飛散的油滴在該行程中受到壓縮而自燃,有可能引起混合氣的燃燒。

綜上可知,對於乘用車用汽油機,氣缸內飛散的機油油滴不會引起自燃的假設是成立的,使用單缸發動機驗證了該假設。只要飛散的機油油滴沒有引起自燃,若通過發動機缸內措施排除殘留物避免其進入下一行程,則可認為能夠避免自燃的發生。下文中將降低缸內殘留氣體比例,研究排除了殘留物時是否發生了自燃。

2發生自燃機理的驗證試驗

2.1 試驗方法

本試驗中使用了燃油直噴式屋脊型燃燒室4氣門單缸發動機。表3給出發動機技術規格。模擬增壓條件,利用壓縮空氣進行了吸氣。進氣管中安裝能夠捕集0.01 mm以上的顆粒過濾器,以避免外部雜物混入發動機缸內。試驗中使用了商品發動機油(Ca-Stle,SN/GF-5,0W-20)其進、排氣管周邊結構及進、排氣的氣門正時見圖6。試驗條件:(1)各進氣門與排氣門不重疊地工作,利用安裝在排氣管中的閥門控制排氣壓力比進氣壓力高10 kPa左右,以避免新氣體洩漏。設當量比為1,根據安裝在排氣管中的控制空燃比(A/F)傳感器的值,調整燃油噴射量及吸入空氣量。(2)為降低殘留氣體,利用基於進、排氣的壓力差與氣門重疊的掃氣效果,使進、排氣門完全獨立地工作,從2個排氣門出來的氣體分別獨立地排放,並於排氣門(EX1)側安裝了A/F傳感器,另外設定排氣壓力為大氣壓力。圖7表示條件(2)的各氣門正時下的進、排氣門動作。燃燒結束後,開啟EX1及EX2,進行排氣(圖7(a)和圖7(c))。

然後關閉EX1,同時開啟進氣門(IN1)(圖7(c)和圖7(b))。由此使燃燒氣體只在EXI側流動,根據安裝在EX1側的A/F傳感器的值調整燃料噴射量及吸入空氣量,以保證燃燒當量比為1。另外,因為IN1側的進氣壓力比EX2側的排氣壓力高,進氣從IN1向EX2流動,進行掃氣。掃氣結束後關閉IN1及EX2,同時開啟IN2進氣(圖7(c))。然後關閉IN2,缸內進行壓縮膨脹(圖7(c)和圖7(d))。通過一系列的氣門動作,一邊掃氣,一邊進行當量比為1的燃燒。條件(2)中只用IN2進氣,有可能引起缸內氣體流動變化。條件(1)中應保證不使IN1動作,也研究了只用IN2吸氣對缸內氣體流動的影響。噴油器從缸內側面噴射,條件(1)和條件(2)燃油噴射定時相同,均為220°CA BTDC。該燃油噴射定時是使燃料直接向缸套內噴射時,條件(1)中LSPI的發生頻度是最高的條件。另外,燃燒室中安裝直徑2 mm的細管,對未燃燒混合氣進行抽樣,根據CO2濃度計算殘餘氣體量。抽樣時,考慮了殘留氣體分佈不均勻的可能性,分別從前側及後側實施了抽樣。

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

LSPI的檢測方法如下,使用示波器實時顯示壓力錶測得的發動機缸內的壓力信號。若發生自燃,則燃燒提前,缸內壓力比通常燃燒時高。因此,壓力信號比預先設定的電壓值V1大時,記錄其前後幾個循環的信號。主要的曲軸轉角下各循環的壓力示於圖8。將該壓力波形與前後循環比較,若出現了比點火定時早的壓力上升情形則判斷髮生了自燃。V1根據各負荷中通常的燃燒變動,設定V1為比最大壓力信號低的值,防止自燃發生次數的計數遺漏。此外如果自燃涉及多個循環,多數情況下產生間隙,所以壓力高,明顯地發生自燃的情況下,幾個循環間斷開燃油噴射,以防止自燃連續發生導致發動機損傷。本試驗中,將正常燃燒持續後發生自燃的情況計入自燃發生的次數。

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

2.2 試驗結果

條件(1)條件(2)及在同樣投入條件(1)下用單氣門進行吸氣的情況下,燃油量和點火定時均相同時的壓力及放熱係數見圖9。條件(2)的情況下,上止點的壓力略微偏低,燃燒較早但與其他條件差異不明顯,壓縮膨脹行程中平均指示壓力(IMEP)差異也不明顯,由此可認為掃氣及單氣門吸氣對混合氣的火焰傳播影響較小。在該條件下,每3 h進行1次研究LSPI頻率的發生。圖10表示每1h自燃發生的頻率。條件(2)下,完全沒有發生自燃;條件(1)下雙氣門及單氣門吸氣均發生了自燃。因而,條件(2)不發生自燃的原因可認為不是單氣門吸氣的影響,而是掃氣的結果。圖11為條件(1)及條件(2)中的殘餘氣體量。條件(1)前部和後部殘餘氣體均超過5%,而條件(2)中,前、後側殘餘氣體均低於0.5%。由此可知,條件(2)由於掃氣,能夠大幅度降低殘餘氣體,抑制了自燃的發生。另外,由圖9中條件(2)曲線可見,上止點時的壓力極輕微地降低,放熱趨勢也加大,由此這可推測殘餘氣體量並不少。

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

隨後調查了在條件(1)條件(2)下,改變IMEP時LSPI發生的頻率,如圖12所示。條件(1)下從IMEP為1.5 MPa起發生自燃,IMEP在2.0 MPa以上時,自燃發生頻率急劇上升。而條件(2)下,即便使IMEP增加到2.5 MPa也不會發生自燃。也就是說,降低殘餘氣體量除去發動機缸內的殘存物,能夠完全抑制自燃。綜上,可認為引起自燃的原因是氣缸內的殘存物,與機油油滴的自燃試驗的結論相一致,確認了氣缸內飛散的機油油滴不會引起自燃。而機油油滴或沉積物在氣缸內剝離後暴露在燃燒火焰中,並殘存到下一循環時,會成為混合氣的著火源。因此,LSPI發生的原因,無論是源於機油油滴還是沉積物,均為殘存在氣缸內物質遺留到下一行程從而引起自燃。

增壓式火花點燃發動機中產生的低速提前點火機理

3結語

研究了壓縮時間對於單一油滴自燃的影響,及對油滴燃燒引起燃油-空氣混合氣燃燒的影響。此外,採用單槓發動機試驗研究了機油油滴自燃與LSPI發生機理的關係,得到以下結果。

(1)如果壓縮時間變長,即便機油油滴較低(120 ℃以下)也會自燃,而關於汽油-空氣混合氣,無論是否有機油油滴都會自燃,其自燃定時比油滴略早。甲烷-空氣混合氣無論壓縮時間多久均不自燃。

(2)甲烷-空氣混合氣中,在壓縮時間長的情形下,無論機油油滴溫度高低,均可由油滴的自燃引起混合氣燃燒。這種低溫油滴引起燃燒的現象只限於低速的燃氣發動機。

(3)以汽車用汽油機為研究對象,利用掃氣清除由前一循環殘餘的物質。結果表明:即便提高負荷也不會發生自燃。根據這些情況得知,向缸內飛散的機油油滴在進入缸內的循環自燃不會引起自燃,而來自前一循環的殘餘物質可引起自燃。


分享到:


相關文章: