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

小型增壓式火花點燃發(fā)動機在低速、高負(fù)荷工況下會產(chǎn)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(fā)生提前著火，火焰?zhèn)鞑?dǎo)致猛烈的爆燃。

關(guān)于發(fā)生LSPI的原因，有可能是氣缸內(nèi)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(fā)動機內(nèi)的可視化試驗開展研究。但是通過試驗難以調(diào)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(xiàn)象，發(fā)動機每行程氣缸內(nèi)的狀態(tài)并不相同，難以在特定混合氣中產(chǎn)生局部著火的條件。

作為導(dǎo)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(fā)生，并引起混合氣的燃燒。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(chǔ)性研究，研究結(jié)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，并具有引起混合氣燃燒的可能性。此外，發(fā)動機內(nèi)存在機油油滴情況下，由于暴露在已燃?xì)怏w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(nèi)則有可能引起自燃。

圖1 預(yù)測的剩余油滴和試驗油滴

引起燃燒傳播的條件

機油油滴自著火試驗是在相當(dāng)于轉(zhuǎn)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(fā)支配全反應(yīng)速度，而蒸發(fā)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(fā)，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，了解機油油滴自燃并引起燃料-空氣混合氣燃燒的條件，另外通過單缸發(fā)動機驗證由機油油滴自燃引發(fā)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采用液壓驅(qū)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(nèi)充入規(guī)定的混合氣，在落下油滴后利用裝有螺線管的金屬桿關(guān)閉油滴通道，并使活塞活動。

采用方法(1)使機油油滴著火前到達燃燒室壁面，采用方法(2)進行試驗。燃燒室內(nèi)拉緊2根鎢線，在其交點懸垂油滴。懸垂油滴后安裝可視化用的石英玻璃，在燃燒室內(nèi)引入規(guī)定的混合氣，然后使活塞動作，對燃燒室內(nèi)氣體進行壓縮膨脹。借助高速攝像機(NAC，MEMRECAM-HX-3)，通過石英窗記錄燃燒室內(nèi)情況，實現(xiàn)可視化。設(shè)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(gòu)產(chǎn)生位移，壓縮時間在25～375 ms間(相當(dāng)于發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 200～80 r/min)選擇以下3種燃燒室內(nèi)的氣體進行試驗：空氣、汽油-空氣(辛烷值(Ron)100,當(dāng)量比1)、甲烷-空氣Ron 130,當(dāng)量比1)。

圖2 單一油滴自燃的試驗裝置

表1 GH11發(fā)動機主要技術(shù)規(guī)格

1.2 試驗結(jié)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(shù)見表2，壓縮時間與油滴的著火定時及文獻的結(jié)果見圖3。著火定時以壓縮結(jié)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并不發(fā)生自燃，如果壓縮時間達到375 ms則發(fā)生自燃。d0=80 μm時，壓縮時間達到200 ms以上則會發(fā)生自燃。油滴直徑越小，壓縮時間越長，油滴的著火定時越早于壓縮結(jié)束。文獻中的試驗條件相當(dāng)于壓縮時間25 ms，油滴溫度在290 ℃以上時發(fā)生了自燃。

沒有油滴狀態(tài)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(fā)生自燃，與油滴一樣，壓縮時間越長，著火比壓縮結(jié)束時間越早。d0=80 μm、壓縮時間為200 ms時，油滴的自燃遲于汽油-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，壓縮時間長于300 ms情況下，機油油滴發(fā)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。

表2 進行試驗的機油油滴條件

圖3 壓縮時間在油滴著火定時中的作用

油滴的自燃方面，其蒸發(fā)過程支配全反應(yīng)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(fā)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(fā)生自燃；如果壓縮時間長，混合氣與油滴均發(fā)生自燃，混合氣著火更快些，但隨著壓縮時間延長，油滴濕度上升量增加，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(rèn)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(fā)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(nèi)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(jié)果。由圖4可知，壓縮結(jié)束前油滴自燃并觀測到混合氣的火焰?zhèn)鞑ァ６鴫嚎s時間在300 ms以下時，未發(fā)生油滴自燃及混合氣燃燒。綜上可知，發(fā)生油滴自燃的條件下，可引起混合氣的燃燒。

圖4 在甲烷-空氣混合氣中觀測的油滴

由于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(fā)動機轉(zhuǎn)速表示的壓縮時間的關(guān)系。在轉(zhuǎn)速高的情況下，只有油滴溫度較高時油滴才會發(fā)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(fā)動機轉(zhuǎn)速低的情況下，無論油滴溫度高低均發(fā)生自燃。這時，油滴的自燃比汽油-空氣混合氣滯后，但可引起甲烷-空氣混合氣等著火性低的燃料燃燒。

圖5 發(fā)動機轉(zhuǎn)速對汽油-空氣混合氣中的機油油滴開始燃燒的影響

考察以上結(jié)果可知，在相當(dāng)于乘用車用汽油機的轉(zhuǎn)速下，較低溫的油滴引發(fā)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?xì)怏w中，溫度上升，若在下一行程仍殘留在缸內(nèi)，則有可能引起自燃。另一方面，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速遠低于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(jù)報道，即便是大型的燃?xì)獍l(fā)動機中也有由于機油自燃而引發(fā)混合氣自燃的實例。這種情況下，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速低，氣缸內(nèi)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，對于乘用車用汽油機，氣缸內(nèi)飛散的機油油滴不會引起自燃的假設(shè)是成立的，使用單缸發(fā)動機驗證了該假設(shè)。只要飛散的機油油滴沒有引起自燃，若通過發(fā)動機缸內(nèi)措施排除殘留物避免其進入下一行程，則可認(rèn)為能夠避免自燃的發(fā)生。下文中將降低缸內(nèi)殘留氣體比例，研究排除了殘留物時是否發(fā)生了自燃。

2發(fā)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(fā)動機。表3給出發(fā)動機技術(shù)規(guī)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(fā)動機缸內(nèi)。試驗中使用了商品發(fā)動機油(Ca-Stle,SN/GF-5,0W-20)其進、排氣管周邊結(jié)構(gòu)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，以避免新氣體泄漏。設(shè)當(dāng)量比為1，根據(jù)安裝在排氣管中的控制空燃比(A/F)傳感器的值，調(diào)整燃油噴射量及吸入空氣量。(2)為降低殘留氣體，利用基于進、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，并于排氣門(EX1)側(cè)安裝了A/F傳感器，另外設(shè)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(jié)束后，開啟EX1及EX2，進行排氣(圖7(a)和圖7(c))。

然后關(guān)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(cè)流動，根據(jù)安裝在EX1側(cè)的A/F傳感器的值調(diào)整燃料噴射量及吸入空氣量，以保證燃燒當(dāng)量比為1。另外，因為IN1側(cè)的進氣壓力比EX2側(cè)的排氣壓力高，進氣從IN1向EX2流動，進行掃氣。掃氣結(jié)束后關(guān)閉IN1及EX2，同時開啟IN2進氣(圖7(c))。然后關(guān)閉IN2，缸內(nèi)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(dāng)量比為1的燃燒。條件(2)中只用IN2進氣，有可能引起缸內(nèi)氣體流動變化。條件(1)中應(yīng)保證不使IN1動作，也研究了只用IN2吸氣對缸內(nèi)氣體流動的影響。噴油器從缸內(nèi)側(cè)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(nèi)噴射時，條件(1)中LSPI的發(fā)生頻度是最高的條件。另外，燃燒室中安裝直徑2 mm的細(xì)管，對未燃燒混合氣進行抽樣，根據(jù)CO2濃度計算殘余氣體量。抽樣時，考慮了殘留氣體分布不均勻的可能性，分別從前側(cè)及后側(cè)實施了抽樣。

表3 試驗用發(fā)動機技術(shù)規(guī)格

圖6 發(fā)動機試驗用試驗裝置

圖7 條件(2)各氣門正時的進排氣門動作

LSPI的檢測方法如下，使用示波器實時顯示壓力表測得的發(fā)動機缸內(nèi)的壓力信號。若發(fā)生自燃，則燃燒提前，缸內(nèi)壓力比通常燃燒時高。因此，壓力信號比預(yù)先設(shè)定的電壓值V1大時，記錄其前后幾個循環(huán)的信號。主要的曲軸轉(zhuǎn)角下各循環(huán)的壓力示于圖8。將該壓力波形與前后循環(huán)比較，若出現(xiàn)了比點火定時早的壓力上升情形則判斷發(fā)生了自燃。V1根據(jù)各負(fù)荷中通常的燃燒變動，設(shè)定V1為比最大壓力信號低的值，防止自燃發(fā)生次數(shù)的計數(shù)遺漏。此外如果自燃涉及多個循環(huán)，多數(shù)情況下產(chǎn)生間隙，所以壓力高，明顯地發(fā)生自燃的情況下，幾個循環(huán)間斷開燃油噴射，以防止自燃連續(xù)發(fā)生導(dǎo)致發(fā)動機損傷。本試驗中，將正常燃燒持續(xù)后發(fā)生自燃的情況計入自燃發(fā)生的次數(shù)。

圖8 曲軸轉(zhuǎn)角與各循環(huán)壓力的關(guān)系

2.2 試驗結(jié)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系數(shù)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(rèn)為掃氣及單氣門吸氣對混合氣的火焰?zhèn)鞑ビ绊戄^小。在該條件下，每3 h進行1次研究LSPI頻率的發(fā)生。圖10表示每1h自燃發(fā)生的頻率。條件(2)下，完全沒有發(fā)生自燃；條件(1)下雙氣門及單氣門吸氣均發(fā)生了自燃。因而，條件(2)不發(fā)生自燃的原因可認(rèn)為不是單氣門吸氣的影響，而是掃氣的結(jié)果。圖11為條件(1)及條件(2)中的殘余氣體量。條件(1)前部和后部殘余氣體均超過5%，而條件(2)中，前、后側(cè)殘余氣體均低于0.5%。由此可知，條件(2)由于掃氣，能夠大幅度降低殘余氣體，抑制了自燃的發(fā)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，由此這可推測殘余氣體量并不少。

圖9 壓力與熱釋放系數(shù)的比較

圖10 LSPI發(fā)生次數(shù)

圖11 殘余氣體的比例

隨后調(diào)查了在條件(1)條件(2)下，改變IMEP時LSPI發(fā)生的頻率，如圖12所示。條件(1)下從IMEP為1.5 MPa起發(fā)生自燃，IMEP在2.0 MPa以上時，自燃發(fā)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(fā)生自燃。也就是說，降低殘余氣體量除去發(fā)動機缸內(nèi)的殘存物，能夠完全抑制自燃。綜上，可認(rèn)為引起自燃的原因是氣缸內(nèi)的殘存物，與機油油滴的自燃試驗的結(jié)論相一致，確認(rèn)了氣缸內(nèi)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(nèi)剝離后暴露在燃燒火焰中，并殘存到下一循環(huán)時，會成為混合氣的著火源。因此，LSPI發(fā)生的原因，無論是源于機油油滴還是沉積物，均為殘存在氣缸內(nèi)物質(zhì)遺留到下一行程從而引起自燃。

圖12 IMEP與LSPI發(fā)生次數(shù)的關(guān)系

3結(jié)語

研究了壓縮時間對于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，采用單杠發(fā)動機試驗研究了機油油滴自燃與LSPI發(fā)生機理的關(guān)系，得到以下結(jié)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(guān)于汽油-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(xiàn)象只限于低速的燃?xì)獍l(fā)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(huán)殘余的物質(zhì)。結(jié)果表明：即便提高負(fù)荷也不會發(fā)生自燃。根據(jù)這些情況得知，向缸內(nèi)飛散的機油油滴在進入缸內(nèi)的循環(huán)自燃不會引起自燃，而來自前一循環(huán)的殘余物質(zhì)可引起自燃。