爆震

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爆震英语knocking)的术语爆燃,俗称敲缸,是发动机不正常工作方式的一种,是指点燃式发动机(一般即为汽油机)中混合气体自燃而不遵循正常的火焰传播过程,从而导致燃烧过程不可控,发动机发出高频率的金属敲击声。爆震会导致发动机工作情况变差,严重时会损坏发动机零件。[1]

注意混合气体在火花塞点火后的自燃才称为爆震,火花塞点火前的自燃称为表面点火德语Glühzündung)。另外爆震只在点燃式发动机中产生,压燃式发动机(多为柴油机)发出敲打声的现象称为工作粗暴

现象[编辑]

相较于正常的工作方式,爆震发生时发动机气缸内部的温度压力上升更快,并会发出金属撞击声(一种高频振动噪音),同时发动机的冷却系统和润滑系统温度上升。爆震严重时,发动机功率下降, 燃油消耗增加,产生较大振动,其高热高压可能造成发动机零件损坏。

产生原理[编辑]

图示为发动机气缸中混合气体的自燃现象,在由火花塞点燃的火焰传播到达前,左侧已经开始自燃,即称为爆震。

正常的工作方式[编辑]

对于常见的四冲程发动机来说,混合气(汽油空气)在被压缩后,由火花塞进行点火,然后以点火的那点(火焰核心)为中心,火焰逐渐向外扩散,燃料的燃烧过程有序和可控,其压力变化幅度虽大,但变化梯度较为平滑,是符合设计预期的理想过程。

爆震[编辑]

火花塞点火后,燃料开始燃烧,火焰呈球面形状以30-70米/秒的速度向周围扩散,发动机气缸内的温度和压力迅速上升,并且燃烧产生的压力波以音速向周围扩散,这些因素都使得尚未燃烧的混合气体更容易发生化学反应。当发动机内局部区域的气体达到了自燃条件时,就在火焰传播到达之前产生了自燃,其燃烧方式和压燃式发动机的原理相似。由于在较大面积上同时多处着火,放热的速度迅速增加,类似于气缸内发生的一次次小型爆炸,压力改变不再平滑而是呈现阶跃形式,冲击波反复撞击气缸,产生了高频振动(数千赫兹),发出敲击声。在爆燃发生的时候,火焰的传播速度可达100-1000米/秒。[2]

危害[编辑]

  • 发动机过热:爆震时的剧烈放热,使得气缸内温度明显升高,同时压力波的反复冲击破坏了汽缸壁上的油膜,使得气体温度更容易通过汽缸壁向外传播,一方面因为散热损失造成发动机效率下降,更主要的会造成气缸盖及活塞顶部等处过热,可能造成部件损毁。
  • 发动机机械负荷增加:爆燃时,压力升高速度和最高压力值都显著增加,零件反复受到冲击,严重时会造成零件损毁。
  • 功率下降,耗油增加:由于燃烧过程未遵循设计方式,发动机效率降低,导致了汽车功率下降,同时也增加了耗油。
  • 加大磨损:由于冲击波破坏汽缸壁上的油膜,使得活塞、气缸、气缸环等部位加重了磨损。
  • 气缸内产生积碳:燃烧异常可能使得微小的颗粒出现,一部分随着尾气排放,另一部分则停留在气缸内,这又可能导致发动机的另一种不正常燃烧即表面点火

影响因素与控制技术[编辑]

爆震的关键因素是火焰传播时间(tF)和自燃迟滞时间(tSZ)的比较,只要tF<tSZ,即在自燃产生前就已经通过正常的火焰传播方式进行燃烧,爆震就不会产生。凡是加快火焰传播速度,以及增加自燃迟滞时间的因素,都能够减少爆震的产生。

发动机结构与使用因素[编辑]

影响爆震的因素非常多,例如为了提高性能,发动机的压缩比设计有逐渐加大的趋势,会加快温度和压力的上升,从而减少自燃迟滞时间,爆震容易发生。而火花塞点火时刻(点火提前角)的提早也有同样效果。发动机的燃烧室设计也会对爆震产生影响。

另外在发动机的温度过高时(比如发动机冷却系统工作不正常),也会使得混合气容易自燃,引起使爆震。

燃料[编辑]

对于一台已经确定的发动机而言,燃料对爆震的产生与否是至关重要的因素。若燃料容易自燃,则一般更容易引起发动机的爆震。辛烷值是用来描述燃料抗爆震能力的一个指标,辛烷值高的燃料一般比较稳定,能有效避免爆震的产生。对于市场上销售的使用汽油的汽车,厂商会根据设计与试验结果,向消费者告知所应使用的最低辛烷值汽油标准,即加油站常见的97号、93号等汽油标号。[3]

控制技术[编辑]

由于现代汽车广泛使用ECU来对发动机的火花塞点火时间进行控制,从而可以对爆震进行控制。爆震时,发动机会产生不正常的高频振动和过高的压力与温度,爆震传感器可以对这些指标进行监控,ECU得知爆震的信息后,将适度调后火花塞的点火时间,从而使气缸内的压力和温度上升减缓,爆震得以消失。[3]

相关条目[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ van Basshuysen,Richard. Handbuch Verbrennungsmotor. Wiesbaden: Vieweg. 2007年 (德文). 
  2. ^ 刘峥. 《汽车发动机原理教程》. 
  3. ^ 3.0 3.1 Bobert Bosch GmbH. AutomotiveHandbook. Stuttgart: Bobert Bosch GmbH. 2000年 (英文). 

外部链接[编辑]

(注意网上常见的“引擎過度積碳会引发爆震”的说法为错误,其引起是表面点火而非爆震)