低速預燃(LSPI)發生原因與探討

2019-11-18

LSPI 的背景
因為環保意識抬頭，引擎研發的方向也大幅往節能減排發展，各大車廠均推出具渦輪增壓及缸內直噴引擎的車種，這類新型引擎可以提升引擎功率密度並有燃油經濟性的優點，但卻也被發現有個難以避免的現象—低速預燃(Low Speed Pre-Ignition, LSPI)。
低速預燃(LSPI)是指火星塞點火式渦輪增壓引擎，特別是缸內直噴引擎，在大負荷及低轉速(3000rpm以下) 的條件下(見圖一)，會出現超級爆震的異常現象，對引擎造成嚴重的
損傷，這種現象在功率密度
愈大的引擎(即小CC數大馬力的引擎)上愈發明顯。這種爆震有別於傳統的爆震，它發生的時間點在曲軸往上運動到上死點的時間之前，會造成引擎作動異常，嚴重時甚至會導致曲軸斷裂，引擎失效(見圖二)，而且低速預燃不能用調整點火時序來排除，因此困擾著各大車廠。



目前針對低速預燃發生的機制並無定論，研究文獻指出可能有的原因一是由活塞頂部間隙處形成的燃油與潤滑油混合液引發；二是因燃燒室中的沉積物或顆粒引發；三是低速高溫下滯留較長的時間等。而因此推論潤滑油、燃油的化學組成和引擎設計皆與造成低速預燃的形成有關，各廠商均在自身的領域去努力，以期改善低速預燃的現象。

為什麼小CC數渦輪缸內直噴引擎更容易發生低速預燃呢？可能的原因有三：缸內直噴引擎的噴油器裝設在側邊，燃料進入方向更易導致燃油噴到缸壁，而會殘留在引擎內部造成較易燃的情況發生；二是因小CC數渦輪增壓器體積較小，在高負荷的條件下燃燒室內溫度會更高，造成預燃現象；三是引擎低轉速的設計提供了更多燃油和潤滑油混合的時間，自燃現象更易出現。

低速預燃的發生流程示意圖如下。

下述三張低速預燃發生過程示意圖均代表引擎活塞是在壓縮點火之前，曲軸作往上的運動，在尚未上升到上死點，此時若發生低速預燃所引發的超級爆震，便會有一強大的爆炸力量作用往下，和曲軸作用的方向相反，會造成曲軸斷裂，使引擎失去作用(見圖四)。


目前較可信會影響低速預燃的因素有：
引擎硬體設計(燃油系統、活塞環等)、引擎操作工況(溫度、壓力等)、燃料性能、缸內沉積物及潤滑油。所以站在潤滑油供應商的角色，著重在如何改善潤滑油的配方，讓低速預燃發生的機率降低，也是十分重要。
在潤滑相關文獻中，指出有些潤滑油配方因素可能使得低速預燃發生的頻率升高，比如基礎油的黏度愈高、鈣系的清淨添加劑愈多；有些因素則可降低低速預燃的發生頻率，如二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP) 愈高(見圖五)、含鉬(Mo) 之摩擦改進劑愈高；而有的因素則仍屬於未定論或無相關：如基礎油的類別(見圖六)、潤滑基礎油的揮發率高低。為了降低低速預燃對引擎造成的影響，各潤滑油公司都會依研究結果去調整油品配方，以期得到最好的產品。
而在潤滑油的規格標準中，原本國際潤滑油標準暨認證委員會(ILSAC)要推出能降低LSPI發生頻率的GF-6規格來，可惜卡在測試規範推出的時間延遲，因而全國汽車製造商聯合敦促美國石油協會(API)需先推出SN PLUS規範的機油，以因應低速預燃的情況(見圖七)。SN PLUS僅針對低速預燃提出新的引擎預防測試，目前坊間的GF-5/SN的機油都無法通過低速預燃的測試標準，算是在GF-6推出前過渡時期的認證規範，也是因應需求而生的油品新標準。SN PLUS的規範是除了SN同等測試外，加上了低速預燃預防測試IX，測試引擎是用2016 FORD 2.0直列四缸渦輪缸內直噴的EcoBoost，馬力240HP，扭力366Nm，測試條件為循環次數170,000次，測試時間：約4小時，最低轉速：<1750rpm，最高負荷：>80%最高有效制動壓力(BMEP)，上述條件下，低速預燃發生的次數不得超過5次，才能通過認證。

API SN PLUS 的歷程
• 2017/7 汽車製造商向API 提出申請
• 2017/10 API 完成SN PLUS 圖案定稿、LSPI 引擎測試制定完成
• 2017/11 乘用車業者會議，同時開始配方開發
• 2018/5 正式核發SN PLUS 認證

SN PLUS 圖例