异常燃烧及其辛烷值优化方案

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：点燃式发动机的异常燃烧为混合气不是由火花塞点火，而是自燃燃烧的现象，爆燃的发生是其代表性的异常燃烧。图5-32显示了在压缩比9、转速为1000r/min、最佳点火时间条件下，燃烧室形状、所要求辛烷值和指示平均有效压力之间的关系。可以看出，圆柱形燃烧室所要求的辛烷值以95为最高，燃烧时间也最长。图5-32 燃烧室形状与燃烧时间的关系③提高辛烷值。

点燃式发动机的异常燃烧为混合气不是由火花塞点火，而是自燃燃烧的现象，爆燃的发生是其代表性的异常燃烧。汽油机的压缩比小于柴油机的原因是，因压缩比越大，越容易发生爆燃。

1.爆燃

正常燃烧中火焰传播时，把前方未燃混合气压缩和加热，并在火焰到达时点燃燃烧。此时，如果发动机的温度或负荷高，末端气体的温度进一步上升，并时常会发生着火的现象。把混合气（末端气体）温度达到高温，并时常着火的现象称为爆燃或自着火（自发火、自燃）。爆燃发生的温度随燃料类型的不同而不同。爆燃往往在高负荷、低转速、高压缩比或点火时间提前较大时发生。如果预测到要发生爆燃，则可以推迟点火时期，以防止发生爆燃。

爆燃在高负荷运行条件下容易发生是因为未燃混合气的压力、温度较高的原因，在低转速运行条件下容易发生是因为低速时火焰传播速度与活塞速度低，发生爆燃所需的自着火延迟时间（预反应时间）长。另外，发动机的压缩比越高，混合气的温度就会越高，越容易发生爆燃，因此压缩比的增大不能大于一定的限度。同理，点火时间提前过大，也会使燃烧温度过高，容易发生爆燃。

爆燃发生时，过多的末端气体瞬间爆燃使气体压力瞬间上升过大，高压压力波传播与气缸壁高频率反复发生碰撞，产生5～7kHz频率的高频噪声。高密度压力波爆击气缸壁，因此又称为火花爆击。发生爆燃的异常燃烧与正常燃烧不同，末端气体全部同时处于着火状态，因此大部分混合气几乎同时燃烧，燃烧速度非常大，可以达到300～2000m/s，并且压力瞬间暴增，由此产生的高频振动就是其特征。高频振动产生爆燃声的同时破坏气缸和活塞的温度警戒层，通过此部分促进热量的传递，如果此状态长时间持续，会在铝制活塞等部位形成很多小坑等，对燃烧室部件造成热损伤。

实际发动机输出最大转矩的最佳点火时间（MBT），就在爆燃发生开始的点火时间附近。因此，发动机就在发生爆燃界限的范围前运行，对输出功率和燃油消耗率方面都很有利。电控发动机控制爆燃主要是通过爆燃传感器检测爆燃发生时间，并推迟点火时间，以防止爆燃的发生。推迟点火时间可以抑制压力和温度的上升。

（1）发生原因爆燃发生的原因方面有很多种说法。如因预燃烧反应持续导致自着火的自着火学说，因预燃烧反应所发生的冲击波导致着火并以声速传播的引爆学说，以及正常燃烧的火焰加速导致的火焰加速学说等。无论哪一种情况，爆燃特有的振动、因冲击波的发生使火焰高速传播等观点一致，但燃烧开始和火焰传播方法等方面有所不同。目前，爆燃发生的原因学说方面较为认可有力的是自着火学说。

（2）爆燃发生的相关因素爆燃发生的相关因素很多，如点火时间、压缩比、燃烧室形状、燃料辛烷值、冷却液温度等。如果取得这些因素的适当值，就能有效降低发生爆燃的概率。就是说，点火时间的延迟、机械辛烷值较高的燃烧室设计、高辛烷值燃料的使用、冷却液温度和进气温度的降低等，都可以有效降低爆燃的发生概率。

汽油直喷发动机不仅在燃料消耗率方面很优秀，在抗爆燃性能方面也很优秀。这是因为，直接向气缸内喷射雾状燃料，在燃料的气化潜热作用下混合气冷却降温，可以提高抗爆燃性能。

①点火时间。图5-31显示了在相同的运行条件下，仅改变点火时间时气缸内压力的变化。起动机带动（用起动机转动发动机）时气缸内的压力变化曲线以上止点（TDC）为中心左右对称。点火时间合适的Ⓑ（BTDC 30℃A）曲线状态，在压缩上止点后10°～20℃A位置上出现最大燃烧压力，燃烧压力所做的功（曲线下部面积）为最大。点火时间延迟的Ⓒ（BTDC 10℃A）曲线状态，膨胀时的气体温度过高，冷却损失增加，导致燃烧压力低，所做的功也小。点火时间提前较大的Ⓐ（BTDC50℃A）曲线状态，虽然因在上止点前的压力上升大，致使最大燃烧压力很大，但其发展下去会发生爆燃。即，在相同的运行条件下，点火时间提前较大时会发生爆燃。

图5-31 点火时间与气缸内压力的关系

②燃烧室形状。爆燃通过延迟点火时间、降低压缩比等可以预防。但是，这样的方法是以降低发动机的输出功率或燃料经济性为代价的。以防爆燃为目的所设计的燃烧室是以最低的辛烷值获得最大输出功率为目的的技术，考虑如下内容：

①燃烧时间短。

②火焰传播距离短。

③燃烧室内形成涡流。

④形成末端气体冷却效果。

为了满足上述条件所要采用的措施有：紧凑的燃烧室、使用双火花塞，以及燃烧室内形成涡流、滚流、挤流等。

图5-32显示了在压缩比9、转速为1000r/min、最佳点火时间条件下，燃烧室形状、所要求辛烷值和指示平均有效压力之间的关系。图为满足上述①、②条件的球形紧凑式燃烧室，其所要求的辛烷值以73为最低，燃烧时间也最短。可以看出，圆柱形燃烧室所要求的辛烷值以95为最高，燃烧时间也最长。图5-33显示了燃烧室形状、净平均有效压力和所要求辛烷值之间的关系。如图所示，相同气缸盖燃烧室中的球形燃烧室，挤压间隔越小，所要求的辛烷值会越低，指示平均有效压力会越高。

图5-32 燃烧室形状与燃烧时间的关系

③提高辛烷值。使用辛烷值高的燃料或添加辛烷值增强剂的燃料，可以有效防止爆燃，其理由如下所述。

通常，碳氢化合物燃料加热后会起如下化学反应，并生成氢过氧化物（ROOH）或醛类（RCHO）。

RH+O₂→R+H₂O

R+O₂→RO₂或RCHO+OH

RO₂+RH→ROOH+R

图5-33 燃烧室形状与所要求辛烷值的关系

在上述反应式中，R为碳氢化合物自由基。自由基（活性基、活性化学物种、连锁源）为不成对电子的分子或原子，在很小的能量作用下也很容易发生反应。如果碳氢化合物燃料要持续发生反应（自着火），像这类氢过氧化物或醛类等自由基能引导快速反应，因此必须增大自由基的生成速度。

辛烷值高的燃料或添加辛烷值增强剂的燃料可以提高像这类氢过氧化物或醛类的生成反应（或支链反应）温度和蓝焰发生温度，以延长自着火延迟时间，因而具有抑制爆燃发生的效果。

④降低冷却液温度和进气温度。如果进气温度低，燃烧温度也相对较低，由此末端气体温度也会降低，如果冷却液温度低，会直接降低末端气体的温度，因而具有抑制爆燃发生的效果。

增大相对于末端气体的容积比的方式也可以降低末端气体温度。这是把发动机的挤压领域设计为冷却带的方法。挤流是在压缩过程末期把气缸盖与活塞头部之间存在的混合气挤向气缸中央部位以高速喷出的气流，以促进湍流的生成，并增大火焰速度，同时末端气体被冷却降低温度，因而具有抑制爆燃的效果。

2.表面点火

表面点火是由火花塞或燃烧室表面的过热点点燃着火的现象。火花塞是在发动机中温度容易达到高温的部件，因而很容易表面点火。表面点火在火花塞正规点火之前发生的称为早期点火（提前点火、预点火），之后发生的称为后期点火（后点火）。

早期点火主要是在发动机持续高速、高负荷运转时，火花塞蓄热并成为点火源，并在火花塞正规点火之前点火燃烧的现象，与提前点火时间的效果相同，会提高燃烧最高压力和温度，会诱发爆燃。空冷发动机（摩托车）如果没有正确选择火花塞的热值，就很容易发生这种现象。

3.其他异常燃烧

其他异常燃烧主要是在化油器式发动机上容易发生的现象，在目前电控汽油机上发生的可能性很小。

（1）后燃烧后燃烧是发动机减速时在排气系统中燃烧的现象。减速的初期阶段，气缸内残留废气很多，不会引起着火，但如果转速增加的同时混合气也增加，数循环后会引起着火。此时，燃烧速度较低，直到排气过程附近在气缸内还会存在剩余的火焰，此火焰进入到排气系统点燃滞留在排气系统中的可燃物，引起燃烧。把这种现象称为后燃烧（After burn）。

（2）回火回火是发动机在冷态或点火时间推迟的状态，如果急加速运行，在进气系统内引起燃烧，发出爆炸音的同时火焰向大气逆流的现象。此现象在进气系统较长的化油器式发动机上较容易发生，其主要原因是，急加速时因燃料供给延迟，而从稀薄混合气状态开始燃烧导致的。稀薄混合气的燃烧速度较低，直到排气过程末期在气缸内或排气口附近还会存在剩余火焰，此火焰在气门重叠期间逆流进入进气系统，并点燃进气系统内的混合气进行燃烧。把这种现象称为回火（Back-fire）。

异常燃烧及其辛烷值优化方案

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