點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)爆震簡介

1、主講人：鄧雪蓮主講人：鄧雪蓮 點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)爆震簡介點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)爆震簡介 雖然爆震燃燒的研究有很長的歷史,由于爆震現(xiàn)象復(fù)雜,涉及的因素很多,對爆震產(chǎn)生的機(jī)理目前仍有不同的說法,主要在這三種學(xué)說:自燃學(xué)說、火焰加速學(xué)說、爆震學(xué)說。目前用得比較多的是自燃學(xué)說。 爆震產(chǎn)生機(jī)理爆震產(chǎn)生機(jī)理在汽油機(jī)燃燒過程中,處于末端混合可燃?xì)怏w隨著燃燒的進(jìn)行,此時混合氣的溫度和壓力不斷提高,在正常的火焰?zhèn)鞑ノ催_(dá)到之前,在燃燒室末端中出現(xiàn)一個或數(shù)個自發(fā)的火焰中心,此火焰中心迅速傳播,將剩余的未燃混合氣燃燒完畢。爆震時火焰在末端氣體中的傳播速率是正常燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俾实?020倍,因此提出了火焰加速學(xué)說。在預(yù)混合氣燃燒中,火

2、焰在傳播過程中受到周圍條件的限制,正常的火焰前峰由于受到?jīng)_擊波的高壓提供的能量,燃燒反應(yīng)異常猛烈。此時伴隨的缸內(nèi)壓力沖擊波,火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c質(zhì)量燃燒速率都很高。 1 1 . .點(diǎn)火角過于提前點(diǎn)火角過于提前 2 2 . .發(fā)動機(jī)燃燒室過度積碳發(fā)動機(jī)燃燒室過度積碳 3 3 . .發(fā)動機(jī)溫度過高發(fā)動機(jī)溫度過高 4 4 . .空燃比不正確空燃比不正確 5 5 . .燃油辛烷值過低燃油辛烷值過低 6 . 6 .壓縮比過大壓縮比過大 7 7 . .燃油清潔度不夠燃油清潔度不夠爆震產(chǎn)生的爆震產(chǎn)生的主要原因主要原因爆震強(qiáng)度評價指標(biāo)爆震強(qiáng)度評價指標(biāo)1 1. .爆震發(fā)生時的曲軸轉(zhuǎn)角爆震發(fā)生時的曲軸轉(zhuǎn)角 爆震發(fā)生的時

3、刻早，自燃時末端氣體的質(zhì)量大，爆震也越強(qiáng)烈。2 2. .爆震強(qiáng)度指標(biāo)爆震強(qiáng)度指標(biāo)KIAKIA 對爆震燃燒過程的壓力示功圖用快速傅里葉變換(FFT)進(jìn)行帶通濾渡，消除測量過程中混入的壓力諧渡的影響后取濾渡后壓力振蕩的最大幅值作為爆震強(qiáng)度的評價指標(biāo)。3 3. .爆震強(qiáng)度指標(biāo)爆震強(qiáng)度指標(biāo)I.D.I.D.= = |dp|dpk k| | 式中:t1,t2分別為自燃開始和結(jié)束的時刻;pk燃燒室中壓力振蕩的瞬時值。4 4. .爆震指標(biāo)爆震指標(biāo)K Ksisi= =( (Q Qk k/ /Q Qt t) )pp Qk爆震時自燃混合氣放熱量; Qt每循環(huán)的總?cè)紵艧崃?p爆震開始時刻局部壓力升高值。5 5. .

4、最大壓力升高率最大壓力升高率MRMR或或 maxmax6 6. .爆震指示指標(biāo)爆震指示指標(biāo)KIKI 爆震時先有壓力的突升,正曲率很大,隨后由于傳熱損失的增加,壓力迅速下降,負(fù)曲率也很大,形成狹窄的壓力尖峰,由于曲率是壓力曲線的2階導(dǎo)數(shù),而爆震時壓力尖峰是具有很大數(shù)值的3階導(dǎo)數(shù),因此可以用壓力曲線的3階導(dǎo)數(shù)來評價爆震強(qiáng)度。7 7. .爆震強(qiáng)度因數(shù)爆震強(qiáng)度因數(shù)KI20KI20 對壓力示功圖數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波,對濾波后的數(shù)據(jù)用第1個壓力脈沖開始后20CA范圍內(nèi)的壓力振蕩值進(jìn)行計算 p(i)高通濾波后的第i個壓力值;pmean高通濾波后的壓力平均值;Nsamp第1個脈沖后20CA范圍內(nèi)的壓力脈沖數(shù)9。2

5、1tt)(ddpNsamp1mean(i)Nsamp1 =i2p-p 由于爆震現(xiàn)象的存在,汽油機(jī)壓縮比通常在5-11之間,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于柴油機(jī)的壓縮比,這使汽油機(jī)在熱效率上低于柴油機(jī)爆震時,汽油機(jī)的磨損速度約為正常值的2-7倍爆震燃燒時的高溫會造成燃燒產(chǎn)物發(fā)生徹底分解,此時析出的游離碳以及其他不完全的產(chǎn)物,如CO等爆震的危害爆震的危害 輕微的爆震對發(fā)動機(jī)不會有太大的影響,發(fā)動機(jī)處于輕微爆震時,內(nèi)部燃燒接近等容燃燒,功率與熱效率都有所提高,但處于中度或強(qiáng)烈爆震時會對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生諸多影響：降低發(fā)動機(jī)的性能、油耗增加、零部件磨損加快、排放惡化、噪音加大、汽車舒適性變差等。 吉林大學(xué)丁明峰等：點(diǎn)火正時和點(diǎn)火正

6、時和EGREGR對甲醇發(fā)動機(jī)爆震特性的研究對甲醇發(fā)動機(jī)爆震特性的研究以一臺改裝的點(diǎn)火式甲醇發(fā)動機(jī)為研究對象，通過控制進(jìn)氣壓力保證每循環(huán)油量為定值，并且按過量空氣系數(shù)為1進(jìn)行燃燒。（所研究的甲醇發(fā)動機(jī)是在一臺自然吸氣柴油機(jī)上加裝節(jié)氣門、EGR系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)，并改造進(jìn)氣歧管燃料供給系統(tǒng)，從而將其改裝成進(jìn)氣道噴射點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)。）發(fā)動機(jī)各參數(shù)對爆震的影響發(fā)動機(jī)各參數(shù)對爆震的影響 該實(shí)驗(yàn)主要研究了如下參數(shù)對該發(fā)動機(jī)爆震的影響：該實(shí)驗(yàn)主要研究了如下參數(shù)對該發(fā)動機(jī)爆震的影響：1.1.點(diǎn)火正時點(diǎn)火正時 2.EGR 2.EGR率率 3.EGR 3.EGR溫度溫度 無EGR條件下，得到如下圖“點(diǎn)火正時對爆震指數(shù)和

7、缸內(nèi)最大壓力的影響點(diǎn)火正時對爆震指數(shù)和缸內(nèi)最大壓力的影響”，缸內(nèi)最大壓力是整個燃燒室平均壓力的最大值。 點(diǎn)火正時對爆震的影響點(diǎn)火正時對爆震的影響 為了單獨(dú)考慮 EGR的影響，首先保證每次噴油量為定值，點(diǎn)火角相同，得到如下圖。 EGR率對爆震的影響率對爆震的影響 采用EGR中冷的方式研究EGR對爆震的影響，冷卻水可以使EGR溫度降到室溫，設(shè)置初始EGR溫度為293K點(diǎn)火正時為上止點(diǎn)后-15，EGR率選擇在10的工況下。EGR溫度對爆震的影響溫度對爆震的影響 清華大學(xué)齊運(yùn)亮等模擬早燃模擬早燃引起的汽油機(jī)爆震特性引起的汽油機(jī)爆震特性在一臺壓縮比為14（為抵抗長時間強(qiáng)烈爆震，試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)由結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高

8、的柴油機(jī)改造，只是將其壓縮比從17.5降到14）的汽油機(jī)上，使用火花塞提前點(diǎn)火模擬早燃的方法，發(fā)現(xiàn)發(fā)生在上止點(diǎn)前的爆震要強(qiáng)于發(fā)生在上止點(diǎn)之后的爆震，且當(dāng)爆震發(fā)生時刻在上止點(diǎn)附近時，爆震最為強(qiáng)烈。所以爆震發(fā)生時刻是研究爆震的一個重要參數(shù)。該實(shí)驗(yàn)主要研究了低轉(zhuǎn)速時點(diǎn)火位置、空燃比以及冷卻水溫對早燃以及爆震特性的影響。爆震發(fā)生時刻爆震發(fā)生時刻 隨點(diǎn)火時刻向上止點(diǎn)推移，爆震發(fā)生時刻逐漸向后推移。在20CA BTDC之前點(diǎn)火時，邊緣點(diǎn)火比中心點(diǎn)火會更早爆震。而在20CA BTDC之后點(diǎn)火時恰恰相反。點(diǎn)火位置影響爆震發(fā)生時刻點(diǎn)火位置影響爆震發(fā)生時刻CACAKOKO爆震發(fā)生時刻爆震發(fā)生時刻CACAignig

9、n為點(diǎn)火時刻為點(diǎn)火時刻 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1200r/min，冷卻水溫為80，節(jié)氣門全開，氣缸邊緣點(diǎn)火，改變空燃比看出混合氣加濃或加稀都會爆震發(fā)生時刻推遲?？杖急扔绊懕鸢l(fā)生時刻空燃比影響爆震發(fā)生時刻 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r/min,空燃比為14.7,節(jié)氣門全開,點(diǎn)火位置在氣缸邊緣處,改變冷卻水溫對爆震發(fā)生時刻的影響。 隨水溫的降低爆震發(fā)生時刻逐漸向后推遲,這顯然是受到滯燃期和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽＠鋮s水溫度影響爆震發(fā)生時刻冷卻水溫度影響爆震發(fā)生時刻 對于抑制早燃的措施，目前主要是通過使用混合氣加濃、多次噴射減少汽油碰壁、EGR、增加掃氣以及改變冷卻水溫等以抑制未燃區(qū)反應(yīng)。1.1.改進(jìn)燃燒室設(shè)汁改進(jìn)

10、燃燒室設(shè)汁 優(yōu)化形狀設(shè)計,釆用緊湊型燃燒室,合理選擇火花塞的位置,增強(qiáng)燃燒室中的氣體流動,加快火焰?zhèn)鞑ニ俾?縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x等,是控制爆震的有效措施2.2.縮小氣社直徑縮小氣社直徑, ,提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速的提高大大增強(qiáng)了燃燒室的紊流強(qiáng)度和火焰?zhèn)鞑ニ俾?虹徑減小,火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短,提高了汽油機(jī)的抗爆能力;3.3.均勻燃燒均勻燃燒 均勻燃燒的實(shí)質(zhì)是積極地引起自燃,然后再消除自燃的有害后果的方法(即消除爆震)。必須均勻地引起少量混合氣的自燃,不產(chǎn)生擾亂燃燒室內(nèi)部狀態(tài)的強(qiáng)烈壓力波。4.4.實(shí)時控制實(shí)時控制 實(shí)時控制是通過汽油機(jī)爆震傳感器采集當(dāng)前的汽油機(jī)爆震信號數(shù)據(jù),經(jīng)微機(jī)處理單元,調(diào)控

11、汽油點(diǎn)火提前角、節(jié)氣門開度、占空比、空燃比等一系列運(yùn)行參數(shù),進(jìn)而達(dá)到實(shí)時控制汽油機(jī)的爆震。爆震的抑制爆震的抑制 目前,汽油機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢是高增壓缸內(nèi)直噴,然而,即使采用了增壓直噴技術(shù),汽油機(jī)的熱效率仍低于柴油機(jī),這其中一個重要原因就是爆震（敲缸）限制了汽油機(jī)壓縮比的提高。增壓直噴汽油機(jī)的壓縮比一般小于10，而在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)中，通過傳統(tǒng)的推遲點(diǎn)火角、加濃混合氣、EGR等措施抗爆震似乎已經(jīng)達(dá)到了極限。近年來研究表明，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)(GDI)通過增壓配合VVT控制掃氣具有抑制爆震的潛力。對此清華大學(xué)王志等針對增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)（GDI)高負(fù)荷爆震問題進(jìn)行研究（增壓直噴汽油機(jī)掃氣抑制爆震試驗(yàn)研究及模擬

12、解增壓直噴汽油機(jī)掃氣抑制爆震試驗(yàn)研究及模擬解析析）,利用可變氣門正時控制發(fā)動機(jī)掃氣過程，在稀燃條件下分別對不同節(jié)氣門開度和負(fù)荷的情況進(jìn)行了不同VVT角度的試驗(yàn)。試驗(yàn)用缸內(nèi)直噴汽油機(jī)采用了火花塞中央布置(噴油器進(jìn)氣道側(cè)置的方式）。爆震的抑制爆震的抑制 在空燃比為18，轉(zhuǎn)速1800r/min排氣門關(guān)閉角為5CA時,改變發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣門開啟角,得到右圖4，發(fā)動機(jī)在不發(fā)生爆震的情況下的最大點(diǎn)火提前角隨進(jìn)氣VVT變化的結(jié)果。 為了減少有效壓縮比等因素的影響，闡明掃氣本身對發(fā)動機(jī)爆震的抑制作用，試驗(yàn)在保持節(jié)氣門開度和空燃比不變的情況下，固定進(jìn)氣門開啟角為-30CA，發(fā)動機(jī)不發(fā)生爆震的最大點(diǎn)火提前角隨著排氣V

13、VT的變化如圖5所示。 掃氣抑制爆震的主要原因是通過掃氣驅(qū)除缸內(nèi)殘余廢氣，同時降低了廢氣的回流，稀燃條件下可以使得缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)接近零。并通過對燃燒室壁面的冷卻作用進(jìn)一步降低了壁面溫度和缸內(nèi)氣體溫度，顯著抑制爆震。掃氣抑制爆震掃氣抑制爆震 檢測發(fā)動機(jī)爆震的方法有3種： 檢測發(fā)動機(jī)燃燒室壓力的變化；檢測發(fā)動機(jī)缸體振動頻率；檢測混合檢測發(fā)動機(jī)燃燒室壓力的變化；檢測發(fā)動機(jī)缸體振動頻率；檢測混合氣燃燒噪聲。氣燃燒噪聲。 直接檢測燃燒室壓力變化檢測燃燒室壓力變化來檢測發(fā)動機(jī)振動的測量精度較高，但傳感器安裝困難，且耐久性較差，一般用于測量儀器，實(shí)際應(yīng)用的壓力檢測傳感器均為間接檢測式。 檢測發(fā)動機(jī)缸體振動

14、頻率檢測發(fā)動機(jī)缸體振動頻率來檢測爆震的主要優(yōu)點(diǎn)是測量精度高、傳感器安裝方便且輸出電壓較高，因此現(xiàn)代汽車廣泛采用。 檢測混合氣燃燒噪聲檢測混合氣燃燒噪聲為非接觸式檢測，其耐久性較好，但測量精度和靈敏度較低，實(shí)際應(yīng)用較少。 目前多采用非共振型壓電爆震傳感器壓電爆震傳感器來檢測爆震信號。發(fā)動機(jī)爆震的檢測發(fā)動機(jī)爆震的檢測非共振型壓電爆震傳感器的非共振型壓電爆震傳感器的結(jié)構(gòu)及組成結(jié)構(gòu)及組成固定于殼體同極性相向?qū)臃枪舱裥蛪弘娛奖饌鞲衅?爆震傳感器的安裝爆震傳感器的安裝爆震傳感器安裝在發(fā)動機(jī)機(jī)體上爆震傳感器安裝在發(fā)動機(jī)機(jī)體上 要控制爆震，首先要判斷爆震是否產(chǎn)生。來自爆震傳感器的信號，含有各種頻率的電壓信

15、號，先經(jīng)濾波電路，將爆震信號與其他振動信號分離，只允許特定范圍頻率的爆震信號通過濾波電路，再將此信號的最大值與爆震強(qiáng)度基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如大于爆震強(qiáng)度的基準(zhǔn)值，表示產(chǎn)生爆震，則將爆震信號輸入微機(jī)，由微機(jī)進(jìn)行處理。發(fā)動機(jī)爆震控制系統(tǒng)發(fā)動機(jī)爆震控制系統(tǒng)發(fā)動機(jī)爆震控制系統(tǒng)發(fā)動機(jī)爆震控制系統(tǒng) 現(xiàn)代發(fā)動機(jī)爆震控制系統(tǒng)，主要是考慮了點(diǎn)火時刻對爆震的影響，為實(shí)現(xiàn)爆震時刻到爆震邊緣只有一個較小余量，即可控制爆震發(fā)生，又可有效得到發(fā)動機(jī)的輸出功率。當(dāng)發(fā)動機(jī)振動時，安裝在發(fā)動機(jī)缸體上的爆震傳感器將爆震洗好經(jīng)相關(guān)電路處理后上傳到汽車ECU。工程師在調(diào)校爆震傳感器時會把爆震的震動模式寫入ECU中，一旦爆震傳感器偵測出該

16、震動模式，ECU則判定發(fā)動機(jī)爆震，隨即延后點(diǎn)火提前角。較先進(jìn)的爆震傳感器甚至能判定是哪一個汽缸爆震，而針對該汽缸個別延后點(diǎn)火提前角。 與傳統(tǒng)的汽油機(jī)爆震不同，超級爆震具有“間歇性發(fā)生”這一典型特征，并在多次重復(fù)發(fā)生過程中表現(xiàn)為著火越來越早而缸內(nèi)最高燃燒壓力越來越高。增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的超級爆震無法通過推遲點(diǎn)火時刻來控制，對發(fā)動機(jī)具有嚴(yán)重的破壞性。 通常認(rèn)為，超級爆震是由缸內(nèi)熱的零部件在壓縮過程中點(diǎn)燃混合氣所致。但實(shí)際觀測到的超級爆震現(xiàn)象并沒有按此推測發(fā)生，而是不可預(yù)測地突然爆發(fā)，連續(xù)發(fā)生幾次后又自行結(jié)束。發(fā)生超級爆震時的著火位置并不固定，而是出現(xiàn)在缸內(nèi)多處不同的地方。 目前，研究提出了多種關(guān)于

17、早燃引發(fā)超級爆震的機(jī)理，其中一個觀點(diǎn)已逐漸成為共識，即認(rèn)為超級爆震是缸內(nèi)氣體溫度和燃油或機(jī)油或二者混合液滴之間發(fā)生復(fù)雜的相互作用，最終液滴在熱空氣區(qū)域中著火而引發(fā)；同時進(jìn)氣運(yùn)動、噴油器設(shè)計、殘余廢氣、燃燒室沉積物和其他一些運(yùn)行參數(shù)也對其強(qiáng)度和發(fā)生頻率有一定影響。超級爆震超級爆震 天津大學(xué)張志福等人 增壓直噴汽油機(jī)超級爆震現(xiàn)象與初步試驗(yàn)。增壓直噴汽油機(jī)超級爆震現(xiàn)象與初步試驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)發(fā)動機(jī)為1.5L增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，主要參數(shù)如下表1。在進(jìn)行發(fā)動機(jī)標(biāo)定的過程中，低速大負(fù)荷區(qū)域發(fā)生超級爆震。該實(shí)驗(yàn)還測得該發(fā)動機(jī)超級爆震、常規(guī)爆震以及正常燃燒單個循環(huán)的示功圖如圖6。超級爆震的發(fā)生，首先有一個先于點(diǎn)火時

18、刻的早燃，后期會產(chǎn)生急劇的壓力升和大幅的振蕩。發(fā)生超級爆震時，最大爆壓達(dá)到正常值的2倍以上。 發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)對超級爆震的影響發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)對超級爆震的影響 進(jìn)氣溫度對超級爆震的影響進(jìn)氣溫度對超級爆震的影響 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min，冷卻水溫度為90，進(jìn)氣壓力為0.178MPa,過量空氣系數(shù)為0.88，改變增壓中冷后的進(jìn)氣溫度。進(jìn)氣溫度有由39降到30，但超級爆震現(xiàn)象并未消除，反而可能強(qiáng)度增加如下圖所示。超級爆震不是由于末端混合氣自燃引起的。 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min，進(jìn)氣溫度為39，冷卻水溫度為90，進(jìn)氣壓力為0.178MPa,過量空氣系數(shù)從0.88增大至0.96，超級爆震未消除，

19、爆震強(qiáng)度反而有增強(qiáng)的趨勢，如下圖所示?？梢?，超級爆震與混合氣濃度關(guān)系不大。過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù)對超級爆震的影響對超級爆震的影響 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min，進(jìn)氣溫度為35，冷卻水溫度為90，進(jìn)氣壓力為0.178MPa,過量空氣系數(shù)為0.88，改變進(jìn)氣相位實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)氣相位提前時，未出現(xiàn)超級爆震；推遲進(jìn)氣相位，超級爆震繼續(xù)出現(xiàn)。進(jìn)氣相位提前，發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣重疊角增加，利用新鮮空氣掃氣，減輕了缸內(nèi)熱負(fù)荷，降低燃燒室壁面溫度，抑制了誘導(dǎo)超級爆震的早燃，使得超級爆震幾率下降。進(jìn)氣相位進(jìn)氣相位對超級爆震的影響對超級爆震的影響超級爆震的抑制超級爆震的抑制 增壓直噴汽油機(jī)超級爆震的不同抑制方法增壓直噴汽油機(jī)超級爆震的不同抑制方法清華大學(xué)王志、王建昕等。實(shí)驗(yàn)發(fā)動機(jī)主演參數(shù)如下表1。發(fā)動機(jī)發(fā)生超級爆震一般是在低速大負(fù)荷下，所以選取最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的最低轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行研究。改發(fā)動機(jī)超級爆震實(shí)驗(yàn)工況入下表2。 加濃抑制超級爆震加濃抑制超級