汽油機爆震燃燒的成因及預(yù)防策略分析

馮朝陽 王湉湉 王馳恒

摘 要：從1886年至2020年汽車工業(yè)取得了蓬勃發(fā)展，對人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了重要影響。經(jīng)過上百年的發(fā)展，汽車的各項技術(shù)業(yè)已完備，但爆震燃燒問題一直尚未根除，即生活中的敲缸、叫桿。其對發(fā)動機缸體造成損壞，對車輛的動力性、排放性造成很大影響。文章深度闡述了爆震燃燒的形成過程，危害，檢測診斷方法及不同因素對預(yù)防爆震的影響。

關(guān)鍵詞：汽油機;爆震燃燒;壓縮比;爆震傳感器

中圖分類號：U464.171 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-130-03

Analysis on the Cause of Detonation Combustion of Gasoline Engineand its Prevention Strategy

Feng Zhaoyang， Wang Tiantian， Wang Chiheng

（School of Automobile，?Chang'an University，?Shaanxi Xi'an 710064）

Abstract：?From 1886 to 2020， the automobile industry has made a vigorous development， which has an important impact on people's Production and living. After hundreds of years of development， the car technology has been complete， but the detonation combustion problem has been difficult to solve， that is， in the life of the cylinder， called the rod. It causes damage to the engine block and has a great impact on the power and emission of the vehicle. In this paper， the formation process of detonation combustion， detection methods，hazards， and the influence of different factors on the prevention of detonation are described in depth.

Keywords：?Gasoline engine; Detonation combustion; Compression ratio; Knock sensor

CLC NO.： U464.171 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-130-03

前言

汽油機爆震燃燒的定義（簡稱：爆震）是指在壓縮行程終了時，火花塞點火之后，在火焰前鋒面從火花塞處向活塞頂部推進時，當(dāng)火焰還未燃至末端混合氣之前，因受到缸內(nèi)熱輻射和壓縮作用的影響，使得末端混合氣溫度、壓力升高而導(dǎo)致自行燃燒的現(xiàn)象^[1]。在現(xiàn)代汽車設(shè)計中，常會受到排放等相關(guān)法規(guī)的制約。企業(yè)為了降低油耗，提高汽車動力性，通常會采用增大壓縮比的方法，但壓縮比的增大又會使得汽車爆震加劇。故此研究發(fā)動機的爆震現(xiàn)象對發(fā)動機的動力性、排放性、安全性及行車舒適性有十分重要的影響。

1 爆震產(chǎn)生的機理及影響

柴油發(fā)動機采用壓燃的著火燃燒方式，與此不同，汽油發(fā)動機的點火由安裝在缸蓋上的火花塞點燃的。圖1為汽油發(fā)動機工作循環(huán)圖。在進氣行程，伴隨著曲軸旋轉(zhuǎn)帶動活塞下移，凸輪軸推動搖臂擺轉(zhuǎn)，進而向下推開進氣門。使得氣缸內(nèi)部容積變大，缸內(nèi)壓力、溫度減小。汽油與空氣形成的均質(zhì)混合氣在真空吸力的作用下進入氣缸。在壓縮行程結(jié)束時，火花塞點燃均質(zhì)混合氣使其燃燒放熱，并推動活塞做功，實現(xiàn)熱工轉(zhuǎn)換。正常燃燒時，火焰是從火花塞頭部依次點燃混合氣直至末端混合氣燃盡。一般火焰燃燒可以分為三個階段：滯燃期、急燃期、后燃期。在滯燃期時，火花塞跳火形成火焰核心，但由于燃燒不劇烈缸內(nèi)壓力基本保持不變;在隨之而來的急燃期中，火焰快速傳播至燒遍整個燃燒室，缸內(nèi)壓力也急劇升高;在后燃期，燃料燃燒殆盡，而氣缸壁和縫隙處的少量未燃氣體分解，繼續(xù)燃燒。

爆震便出現(xiàn)在以上所述的急燃期中，在火焰極速傳播的過程中，末端混合氣受火焰前封面的影響而自燃，形成新的火焰核心。局部火焰壓力過高，與附近氣壓極不平衡，使得火焰前鋒面以超音速傳播開來，急劇而又猛烈的完成燃燒，這便是爆震產(chǎn)生的根源。爆震產(chǎn)生后，缸內(nèi)燃燒速度極快，甚至可達1000m/s以上，比正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣雀邘资?，造成巨大的溫度和壓力梯度，形成缸?nèi)壓力沖擊波，如圖2所示。

輕微爆震時，可燃混合氣末端氣體自行燃燒的部分較少，燃燒速度快，發(fā)動機功率提升。但當(dāng)發(fā)生劇烈爆震時，會對車輛產(chǎn)生巨大的危害。

①敲缸現(xiàn)象嚴重，發(fā)動機磨損加劇。劇烈的沖擊波不斷撞擊氣缸壁面，傳出高頻、清脆的金屬敲擊聲。沖擊波的撞擊會加劇氣缸、活塞、主軸承等零部件的磨損，同時破壞氣體附面層，機件直接與高溫燃氣接觸，使得氣門等部件燒蝕，嚴重影響發(fā)動機壽命。

②發(fā)動機性能指標(biāo)下降。當(dāng)發(fā)生爆震時部分燃料的化學(xué)能并未轉(zhuǎn)化為推動活塞運動的有用功，而是消耗在了壓力沖擊波與氣缸壁、活塞等部件的碰撞中。同時較多的熱量傳給冷卻系，使得原本用以做功的熱量再進一步減小，發(fā)動機動力性降低，耗油量上升，燃油經(jīng)濟性下降。

③發(fā)動機燃燒室的積碳增加，汽車排氣管冒黑煙，補燃增加，排出氣體的溫度升高。因爆震而急劇上升的缸內(nèi)溫度，使得燃燒產(chǎn)物發(fā)生了熱分解，生成了游離態(tài)的碳。部分游離碳附著在進排氣門和活塞上形成積碳，還有部分與廢氣一同排出，使得排氣冒黑煙。

2 爆震的檢測

在通過提高壓縮比，增大點火提前角以獲得汽車的較好的動力性、經(jīng)濟性的同時，必須考慮到爆震的檢測與預(yù)防這一問題。檢測發(fā)動機爆震的方法有3種：檢測發(fā)動機燃燒室壓力的變化、檢測發(fā)動機缸體震動頻率、檢測混合氣燃燒噪聲。在日常的檢測過程中主要依靠爆震傳感器，如圖3來完成。

以下簡述在生活中因爆震而敲缸的實例與相應(yīng)的檢測診斷措施。在汽車運行過程中，相信很多駕駛員都經(jīng)歷過，當(dāng)在常用擋由較低車速快速加速時，可以聽到發(fā)動機傳出有類似金屬敲擊的“嘎嘎嘎”的清脆的響聲。此時，稍稍抬起加速踏板，響聲便會減小或消失，復(fù)踩踏板時便又會出現(xiàn)了。倘若遇到上述情況時，不妨停車片刻，適當(dāng)減小點火提前角后重新加速行駛。如果響聲減弱且隨著行駛速度的提高而逐漸消失，那么此時便可斷定上述聲響乃是由發(fā)動機敲缸而非其他異響。

一般加裝爆震傳感器便可自動完成爆震的檢測，其作用是：可以使發(fā)動機工作在穩(wěn)定在最佳點火提前角附近，以獲得較優(yōu)的燃料使用特性和發(fā)動機的動力性。如若發(fā)動機點火提前角過大，則此時活塞正處于壓縮行程，即相當(dāng)于為活塞提供了向下的反向推力，做負功;最高燃燒壓力上升，壓力升高率進一步提升，循壞熱效率降低，工作粗暴，發(fā)動機機械負荷和熱負荷增大。當(dāng)點火提前角過大時，易出現(xiàn)爆震，發(fā)動機磨損加劇，性能下降。若發(fā)動機點火過晚時，則燃燒過程遲后，雖可降低爆震傾向，但較多的混合氣在膨脹過程中燃燒，補燃增加，散熱損失增加，循環(huán)熱效率降低^[2]。

如圖4的檢測原理，當(dāng)汽車發(fā)動機出現(xiàn)振動或敲缸時，爆震傳感器中的壓電陶瓷產(chǎn)生一個電壓峰值，其值隨敲缸或震動程度的增強而升高。隨之將此電壓信號傳輸至ECU中，對接收到的爆震傳感器傳輸?shù)碾妷盒盘栠M行檢測處理，如果判斷爆震產(chǎn)生，則將通過推遲點火時刻，阻止發(fā)動機繼續(xù)爆震。當(dāng)ECU沒有接收爆震傳感器的信號時，則將點火時刻提前，保證輸出發(fā)動機的最佳功率。以四缸發(fā)動機為例，爆震傳感器常安裝于1，2缸中的一個，3，4缸中的一個，或2缸與3缸之間。爆震傳感器中的壓電陶瓷因發(fā)動機抖動而產(chǎn)生了微弱的電信號，之后，電流信號經(jīng)由被屏蔽線包裹的連接線傳遞并經(jīng)過濾波、整流后，傳送至ECU，從而使ECU可以調(diào)整點火提前角。

3 影響爆震的各種因素分析

①燃料辛烷值。汽油抗爆性的優(yōu)劣是以其含異辛烷的體積分數(shù)來評定的，汽油所含辛烷值越高，抗爆能力越強。為延長發(fā)動機使用壽命，降低爆震，車主應(yīng)在可承受范圍內(nèi)選取辛烷含量較高的燃油，并且應(yīng)使用符合排放法規(guī)要求的正規(guī)廠家生產(chǎn)的汽油，以防有過多雜質(zhì)。

②發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷;一般在發(fā)動機低速大負荷時爆震傾向較高。此時火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小但發(fā)動機溫度高，故爆震傾向增加，在此種情況下發(fā)生爆震時，提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速便可消除^[3]。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高時，氣缸內(nèi)氣體流動速度加快，湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣?，爆震傾向降低。

③缸內(nèi)末端混合氣的溫度和壓力;因爆震為末端混合氣的自燃而引起的，故如若使得末端混合氣溫度、壓力提高，則爆震傾向加劇。當(dāng)提高發(fā)動機壓縮比時，缸內(nèi)的溫度壓力升高，爆震傾向增加;當(dāng)發(fā)動機積碳時，活塞上的積碳可加

熱末端混合氣，并且增大了發(fā)動機壓縮比，爆震傾向加劇。

④氣缸直徑;氣缸直徑與火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x密切相關(guān)，氣缸直徑越大，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x越長，爆震傾向加劇。

⑤電控點火系統(tǒng)的閉環(huán)控制;點火系的閉環(huán)控制，可使ECU能監(jiān)測發(fā)動機內(nèi)部的燃燒情況，根據(jù)不同狀況調(diào)節(jié)點火提前角以降低汽油發(fā)動機爆震。

4 結(jié)論

爆震伴隨著內(nèi)燃機的出現(xiàn)而產(chǎn)生，制約著內(nèi)燃機的經(jīng)濟性和動力性。汽車保有輛的不斷提升，在電動汽車尚未大規(guī)模普及的背景下研究傳統(tǒng)汽油車燃料的爆震燃燒具有重要意義。文章分析了爆震的產(chǎn)生、影響因素的基礎(chǔ)上詳述了爆震的檢測方法，為車主在日常行車遇到爆震時提供了良好的解決辦法。相信隨著新能源的不斷問世和汽車動力技術(shù)的不斷革新，在汽車動力學(xué)領(lǐng)域會出現(xiàn)更多的解決車輛燃燒頑疾的有利措施。

參考文獻

[1]金露平.關(guān)于汽油發(fā)動機爆震分析[J].內(nèi)燃機與配件，2019（02）：113- 115.

[2] 胡喬朋.汽車爆震傳感器及其測試系統(tǒng)研究[D].華中科技大學(xué)， 2013.

[3] 魏遠飛，郭偉，侯邦明.某汽油發(fā)動機爆震問題分析與解決[J].汽車實用技術(shù)，2019（08）：130-132.