秦万里 吕明杰 王云超
（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）
工信部、财务部等五部门发布的汽车行业“双积分”政策已经于2021 年1 月1 日开始实施。其中的CAFA 积分对车企传统车辆的平均燃油消耗量提出了明确的要求。为应对碳中和政策，发动机增压小型化成为各主机厂实现节能减排的关键举措，然而增压小型化引发的发动机早燃爆燃对发动机的强度及耐久产生了极大挑战。爆燃在标定控制中可以通过推后发动机点火角去减弱；
针对发动机早燃，目前标定控制的主要措施为后保护。但是，低速早燃引发的超级爆燃，与常规爆燃燃烧不同的是超级爆燃并不会因推迟点火角而消除，也不能通过混合气加浓、加强壁面传热或采用高标号汽油来避免，且其最大的爆发压力通常超过15 MPa，远超发动机硬件，如活塞，火花塞等零部件的设计强度，且可以在极短的时间内造成发动机损坏。超级爆燃具有偶发性和间歇性，影响因素众多。目前早燃问题已经成为汽油机继续提供功率密度和降低油耗的一大障碍[1]。为探究低速早燃（LSPI）的解决方案，本文从机油及其添加剂，发动机负荷，缸内积碳等多个角度研究降低低速早燃发生的频次，探讨保护发动机的措施。
早燃是火花塞之外的点火源，例如高化学活性或已自燃的油滴以及炽热的颗粒沉积物引发的提前燃烧，火焰引燃部分或者全部混合气体并引发缸内压力波的振荡，造成缸内缸压过大，部分工况最大爆发压力超过20 MPa。此问题多出现在低速大负荷工况，且发生呈现随机性，此现象又被称为低速早燃。
大量研究表明，低速早燃与机油的成分，缸内湿壁引发的积碳，运行工况等多项因素有关[2]。
1.1 机油影响
发动机运行过程中，部分机油液滴越过活塞环进入缸内，成为引燃混合气的热点，而机油组份中的Ca，Mg 元素含量的变化可以改变氧化反应的倾向，低速早燃问题的发生[3]。目前多家机油供应商针对增压发动机的低速早燃，提供抗早燃机油的解决方案，此方案对机油组份中的Ca，Mg，Mo 等元素的含量进行的特殊控制，使其可以很大程度抑制早燃的发生。
1.2 积碳影响
喷油湿壁及燃烧不充分导致的缸内积碳则是早燃的另一诱因，不完全燃烧引发的积碳沉积在缸内形成热点，在火花塞点火前点燃混合气，引发低速早燃。
1.3 负荷影响
发动机负荷也是影响低速早燃的又一关键因素，研究表明，诱发早燃时缸内的能量密度对于LSPI发生时的能量具有决定性影响。因此，降低发生早燃时缸内能量密度，降低负荷，可有效降低发动机早燃的发生。
试验在1 台1.0 L 排量小型增压直喷发动机上开展，发动机参数如表1 所示。
表1 发动机基本参数表
试验内容分3 部分开展：1）验证积碳对发动机早燃的影响；
2）验证抗早燃机油对早燃的影响；
3）验证负荷对发动机早燃的影响。
为对比不同工况的早燃频次，试验采用劣化后的SL5W-30 机油，同时为确保试验条件一致，试验前均先开展3 000 r/min@150 N·m 的清积碳工况30 min。
2.1 湿壁及积碳对早燃频次的影响
积碳工况：按照图1 工况累计运行20 h 后用内窥镜检查缸内积碳情况（工况过渡时间5 s）；
开启低速小负荷工况的二次喷射（增加燃油湿壁，恶化燃烧以加重缸内积碳情况）。
图1 积碳过程实际运行工况
早燃工况：如图2 工况所示，变工况至1 400 r/min@100 N·m；
3.5 s 内加速至2 000 r/min 全负荷，稳定时间10 s，确认早燃次数。
图2 早燃验证过程实际运行工况
重复上述试验内容至积碳工况100 h，确认每次早燃工况的早燃次数，早燃验证结果如图3 所示。
图3 早燃次数的验证结果
伴随试验时间累积，缸内积碳量明显增加，早燃次数明显上升。
重新清除缸内积碳，取消产生湿壁，燃烧较差的二次喷射，重复上述试验过程，早燃结果如图4 所示。
图4 清除积碳、喷射策略变更后的早燃次数
随着验证时间的增加，积碳情况并未明显恶化，早燃次数也未见明显异常。
2.2 发动机机油对早燃频次的影响
采用二次喷射积碳100 h 后的发动机直接更换抗早燃SN plus 5W-30 机油，直接开展早燃验证，仅发生1 次早燃，抗早燃机油效果明显。
2.3 发动机负荷对早燃频次的影响
试验工况：
1）2 000 r/min@205 N·m（全负荷）开展4 h 早燃验证试验，通过INCA 记录早燃发生次数。
2）2 000 r/min@180 N·m 开展4 h 早燃验证，通过INCA 记录早燃次数。
试验结果如表2 所示，早燃次数的优化比例为63.64%，且连续早燃发生次数明显减少。
表2 不同负荷对早燃次数的影响结果
2.4 发动机积碳及负荷综合作用对早燃频次的影响
为对已经识别到的积碳和限扭的总体效果进行确认，重新策划试验进行验证：通过对前期在吐鲁番实际做早燃验证时采集到爬坡工况的数据，转化为台架的发动机工况，并开展劣化后机油的早燃验证，具体工况如图5 所示。
图5 爬坡工况转化的发动机早燃验证工况
结果如表3 所示，减少燃油湿壁，降低缸内积碳量及适当降低转矩（205 N·m →180 N·m），早燃次数优化比例为81.8%，效果明显。
表3 发动机早燃次数验证结果
在发动机增压小型化的发展过程中，低速早燃对发动机零部件强度的影响已经成为限制发动机进一步提升的关键。使用抗早燃机油，优化燃烧，减少积碳以及适当降低发动机早燃发生区域的负荷都能有效降低低速早燃的发生频率。通过上述的试验策划及验证结果，得出如下结论：
1）抗早燃机油的应用对于提升增压小型化发动机的抗早燃能力，降低早燃次数的发生具有良好的抑制效果，但受限于保养成本，只能推荐而无法强制客户使用。
2）缸内积碳的增加会诱发低速早燃的发生，优化燃烧开发，优化标定策略，减少湿壁和积碳，从而有效降低低速早燃的发生。
3）针对低速早燃发生的重点区域，适当限制发动机转矩对早燃有明显的抑制效果。
4）针对客户不按照推荐使用抗早燃机油进行保养，组合采用优化燃烧及标定策略，适当限制早燃区域的转矩对于保护发动机有重要意义。
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