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同学们好

这节课我们学习

汽油机的不正常燃烧

也就是爆燃和表面点火

两种现象

汽油机正常燃烧的特征是

火花点火引燃周围混合气

并以火核为中心

进行火焰有序传播

但如果设计或控制不当

汽油机会出现一些

异常燃烧现象

汽油的异常燃烧现象可分为

不正常燃烧和不规则燃烧两种

不正常燃烧主要包括

爆燃和表面点火

不规则燃烧主要包括

循环波动和各缸工作不均匀性

这一节我们重点讨论

爆燃和表面点火

两种不正常燃烧现象

爆燃也称爆震

是汽油机常见的

一种不正常燃烧

通常在低速大负荷工况下出现

如图所示

爆燃发生时

缸内压力曲线出现

高频大幅度震荡

也就出现锯齿波现象

同时发动机会产生一种

高频金属敲击声

因此爆燃也称为敲缸

英文用knocking表示

汽油机爆燃时

一般出现以下外部特征

(1) 发出频率为3000~7000Hz的

金属敲击声

(2) 强烈爆燃时

功率会下降

转速也会下降

工作不稳定

机体有较大振动

(3) 冷却系统过热

气缸盖温度

冷却水温度和润滑油温度

均明显上升

(4) 爆燃严重时

甚至冒黑烟

关于爆燃的机理

主流观点认为

火花塞点火后

火焰前锋面呈球面波形

以30～70m/s的速度向周围传播

缸内压力和温度急剧升高

燃烧产生的压力波

以音速向周围传播

在火焰前锋面之前

到达燃烧室边缘区域

在该区域的可燃混合气

也就是末端混合气受到压缩和热辐射

其压力和温度上升

燃前化学反应加速

如果这一反应很快

则会使末端混合气

在火焰锋面到达之前

以低温多阶段方式开始自燃

汽油机末端混合气自燃着火方式

类似于柴油机的压燃模式

即在较大面积上多点同时着火

因而放热速率极快

使局部区域的温度和压力陡增

这种阶跃性的压力扰动

形成燃烧室内往复传播的激波

猛烈撞击燃烧室壁面

使壁面产生振动

发出高频振音

就是敲缸声

其频率主要取决于燃烧室尺寸

主要是缸径和激波波速

这就是爆燃

轻微爆燃时

火焰传播速度可达到

100～300m/s

强烈爆燃时

火焰传播速度甚至可以高达

800～1000m/s

汽油机爆燃的机理

已经在许多试验研究中得到验证

用高速摄影比如纹影或阴影方法

可以清晰地观察到

发生在气缸壁面附近的

自燃着火区域

如图所示

采用缸内快速采样方法

也在这些区域检测到了

低温多阶段着火过程

产生的过氧化物和醛类等物质

爆燃的危害主要体现在以下几方面

(1) 热负荷及散热损失增加

爆燃发生时

剧烈放热使缸内温度明显升高

加之压力波的反复冲击

破坏了燃烧室壁面的

层流边界层和油膜

从而使燃气与燃烧室壁面之间的

传热速率大大增加

散热损失增加

气缸盖及活塞顶部等处的

热负荷上升

甚至造成铝合金活塞表面

发生烧损及熔化现象

如图所示

(2) 机械负荷增大

爆燃发生时

最高燃烧压力和压力升高率

都急剧增高

受压力波的剧烈冲击

相关零部件所受应力

大幅度增加

严重时会造成连杆轴瓦破损

(3) 动力性和经济性恶化

爆燃发生时

缸内散热损失增加

循环效率下降

导致功率和燃油消耗率恶化

(4) 磨损加剧

爆燃时由于压力波冲击缸壁

破坏了油膜层

导致活塞

气缸和活塞环磨损加剧

(5) 排气异常

爆燃时产生的高温

会引起燃烧产物的热裂解加速

严重时析出炭粒

排气产生黑烟

燃烧室壁面形成积炭

导致表面点火

有可能加剧爆燃

从以上汽油机爆燃现象和机理

可以看出

汽油机爆燃与柴油机粗暴燃烧

有本质的不同

如图所示

汽油机爆燃产生的锯齿波

是出现在燃烧后期

因末端混合气自燃引起

而柴油机粗暴燃烧引起的压力陡升

是出现在燃烧初期

因滞燃期形成的预混合气

同时着火引起

汽油机爆燃是一种

不正常燃烧现象

而柴油机粗暴燃烧

是柴油机压燃模式本质的表现

只是当压力升高率

超过一定限值

才会产生强烈的噪声和敲缸声

对发动机造成损害

总之

爆燃会给汽油机带来极大的危害

为防止爆燃

汽油机的几何压缩比

一般不超过11

这也是汽油机燃油经济性

始终低于柴油机的一个主要原因

接下来

我们讨论汽油机爆燃的影响因素

假设由火核形成至火焰前锋面

传播到末端混合气所需时间为t1

而由火核形成至末端混合气

自燃着火所需时间为t2

由于爆燃是在火焰前锋面

尚未到达时末端混合气

发生自燃引起的

因而不发生爆燃的

充分必要条件是

t1

凡是缩短t1和延长t2的因素

均可抑制爆燃倾向

如图所示

如采用小缸径紧凑燃烧室

四气门火花塞中置等

可以减少火焰传播距离

从而缩短由火核形成至

火焰前锋传播到末端混合气

所需时间t1

可以减少爆燃

如燃烧室采用铝或铝合金

导热性能好的材料

优化气缸盖冷却系统设计等

可以合理冷却末端混合气

以及提高汽油的辛烷值

从而延长由火核形成至

末端混合气自燃着火

所需时间t2

也可以减少爆燃

但从图中可以看出

对于压缩比

点火提前角

残余废气系数

过量空气系数

以及进气温度等因素

缩短t1和延长t2的要求是矛盾的

研究表明

这些矛盾因素对

加长滞燃期的效果更明显

也就是说降低压缩比

推迟点火提前角

降低进气温度

采用稀燃混合气以及

加大残余废气系数等

总体会减轻爆燃发生的倾向

目前最主要和最有效的

控制爆燃的方法是

适当减小点火提前角

降低压缩比

优化燃烧室设计

提高燃料抗爆性等

汽油机在实际运行过程中

往往采用爆震传感器

感知爆燃程度

通过推迟点火时刻

可以避免爆燃发生

提高缸内气流的湍流度

如四气门汽油机在一个

进气道安装一个气流控制阀

如图所示

在缸内产生强涡流

可以加速火焰传播速度

缩短由火核形成至火焰

传播到末端混合气所需时间t1

从而减少爆燃倾向

图所示给出了某一汽油机

采用提高湍流之后

扩大了不产生爆燃的压缩比

和混合气浓度的工作范围

此外

采用可变几何压缩比

是一个兼顾低负荷热效率

和大负荷不爆燃的理想方法

在中低负荷时

压缩比在14到15

可显著提高热效率

而不会引起爆燃

随负荷增大逐渐降低压缩比

在低速高负荷时

采用低的压缩比

如8左右

完全避免爆燃的同时

还为使用增压技术留出了余地

下面我们讨论

另外一种不正常燃烧现象

就是表面点火

在汽油机中

由燃烧室内炽热表面

引起的着火称为表面点火

表面点火使汽油机燃烧过程

变得不可控制

会引发一系列不良后果

容易形成炽热表面的部位有

排气门头部

火花塞裙部

燃烧室内壁凸出部位等

另外

燃烧室壁面积炭的导热性差

难以冷却

也容易形成炽热表面

发生在火花塞点火之前的表面点火

也称早火或早燃

反之则称为后火或后燃

早火对发动机的危害最大

由于早火使实际着火时间提前

并且这种炽热表面点火的面积

远比火花塞点火时的大

一旦着火

火核面积和燃烧速度

都较正常燃烧大得多

气缸压力和温度急剧升高

发动机工作粗暴

如图所示

早火使压缩行程的负功增大

动力性和经济性恶化

燃烧室热负荷和机械负荷增加

由于活塞和连杆等零部件

在压缩行程末期受到较大的冲击载荷

会产生振动

因而会发出一种沉闷的低频敲缸声

频率在600～1200Hz之间

可与爆燃时的高频敲击声相区分

推迟点火提前角

可以减轻和消除爆燃

但无法消除表面点火

引起的不正常燃烧

后燃若不引发爆燃

一般危害不大

甚至对循环热效率还会稍有改善

但会使燃烧温度逐渐升高

有演化为早火的可能

另外

有后火的发动机在停机后

有时出现仍然像有火花塞点火一样的

继续运转的现象

这也称之为续走

程度严重或长时间的早火

往往会引起爆燃性表面点火

也称激爆

其危害程度比普通爆燃更甚

由于表面点火的产生

使发动机实际着火时刻提前

导致爆燃产生

而爆燃又明显提高了

燃烧室的温度水平

使表面点火愈发严重

两者相互促进

导致激爆产生

此时压力升高率为正常值的大约5倍左右

最高燃烧压力为

正常燃烧时的1.5倍

由于表面点火的时间

随温度水平上升逐渐前移

严重时会造成活塞或火花塞破损

凡是能促使燃烧室温度

和压力升高以及积炭形成的因素

都能促成表面点火

例如

表面点火多发生在高压缩比

强化汽油机上

此外

点火能量小的燃料

也容易产生表面点火

苯 芳香烃 醇类燃料

抗表面点火的性能较差

而异辛烷燃料抗表面点火的性能好

抗爆性也好

所以是优良的燃料成分

防止表面点火的主要措施有

(1) 防止燃烧室温度过高

如降低压缩比和减少点火提前角

(2) 合理设计燃烧室形状

使排气门和火花塞等处

得到合理冷却

避免尖角和突出部位

(3) 选用低沸点

低芳烃汽油

以减少重馏分形成积炭

(4) 控制润滑油消耗率

因为润滑油容易在燃烧室内

形成积炭

同时应选用成焦性较小的润滑油

(5) 在汽油和润滑油

添加清净剂消除或防止积炭作用

(6) 提高燃料中抗自燃性好的成分

如异辛烷等

关于汽油机不正常燃烧现象

爆燃和表面点火

我们就介绍到这里

同学们 再见