爆震
現(xiàn)象
相較于正常的工作方式,爆震發(fā)生時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部的溫度和壓力上升更快,并會(huì)發(fā)出金屬撞擊聲(一種高頻振動(dòng)噪音),同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度上升。爆震嚴(yán)重時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降, 燃油消耗增加,產(chǎn)生較大振動(dòng),其高熱高壓可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)零件損壞。
產(chǎn)生原理
圖示為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中混合氣體的自燃現(xiàn)象,在由火花塞點(diǎn)燃的火焰?zhèn)鞑サ竭_(dá)前,左側(cè)已經(jīng)開始自燃,即稱為爆震。
正常的工作方式
對(duì)于常見的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),混合氣(汽油與空氣)在被壓縮后,由火花塞進(jìn)行點(diǎn)火,然后以點(diǎn)火的那點(diǎn)(火焰核心)為中心,火焰逐漸向外擴(kuò)散,燃料的燃燒過(guò)程有序和可控,其壓力變化幅度雖大,但變化梯度較為平滑,是符合設(shè)計(jì)預(yù)期的理想過(guò)程。
爆震
火花塞點(diǎn)火后,燃料開始燃燒,火焰呈球面形狀以每秒30-70米的速率向周圍擴(kuò)散,發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的溫度和壓力迅速上升,并且燃燒產(chǎn)生的壓力波以音速向周圍擴(kuò)散,這些因素都使得尚未燃燒的混合氣體更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)局部區(qū)域的氣體達(dá)到了自燃條件時(shí),就在火焰?zhèn)鞑サ竭_(dá)之前產(chǎn)生了自燃,其燃燒方式和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的原理相似。由于在較大面積上同時(shí)多處著火,放熱的速度迅速增加,類似于氣缸內(nèi)發(fā)生的一次次小型爆炸,壓力改變不再平滑而是呈現(xiàn)階躍形式,沖擊波反復(fù)撞擊氣缸,產(chǎn)生了高頻振動(dòng)(數(shù)千赫茲),發(fā)出敲擊聲。在爆燃發(fā)生的時(shí)候,火焰的傳播速度可達(dá)100-1000米/秒。
危害
發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱:爆震時(shí)的劇烈放熱,使得氣缸內(nèi)溫度明顯升高,同時(shí)壓力波的反復(fù)沖擊破壞了汽缸壁上的油膜,使得氣體溫度更容易通過(guò)汽缸壁向外傳播,一方面因?yàn)樯釗p失造成發(fā)動(dòng)機(jī)效率下降,更主要的會(huì)造成氣缸蓋及活塞頂部等處過(guò)熱,可能造成部件損毀。
發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)荷增加:爆燃時(shí),壓力升高速度和最高壓力值都顯著增加,零件反復(fù)受到?jīng)_擊,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成零件損毀。
功率下降,耗油增加:由于燃燒過(guò)程未遵循設(shè)計(jì)方式,發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低,導(dǎo)致了汽車功率下降,同時(shí)也增加了耗油。
加大磨損:由于沖擊波破壞汽缸壁上的油膜,使得活塞、氣缸、氣缸環(huán)等部位加重了磨損。
氣缸內(nèi)產(chǎn)生積碳:燃燒異??赡苁沟梦⑿〉奶碱w粒出現(xiàn),一部分隨著尾放,另一部分則停留在氣缸內(nèi),這又可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的另一種不正常燃燒即表面點(diǎn)火。
影響因素與控制技術(shù)
爆震的關(guān)鍵因素是火焰?zhèn)鞑r(shí)間(t F )和自燃遲滯時(shí)間(t SZ )的比較,只要t F SZ,即在自燃產(chǎn)生前就已經(jīng)通過(guò)正常的火焰?zhèn)鞑シ绞竭M(jìn)行燃燒,爆震就不會(huì)產(chǎn)生。凡是加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?,以及增加自燃遲滯時(shí)間的因素,都能夠減少爆震的產(chǎn)生。
發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與使用因素
影響爆震的因素非常多,例如為了提高性能,發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比設(shè)計(jì)有逐漸加大的趨勢(shì),會(huì)加快溫度和壓力的上升,從而減少自燃遲滯時(shí)間,爆震容易發(fā)生。而火花塞點(diǎn)火時(shí)刻(點(diǎn)火提前角)的提早也有同樣效果。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)爆震產(chǎn)生影響。
另外在發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度過(guò)高時(shí)(比如發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作不正常),也會(huì)使得混合氣容易自燃,引起使爆震。
燃料
對(duì)于一臺(tái)已經(jīng)確定的發(fā)動(dòng)機(jī)而言,燃料對(duì)爆震的產(chǎn)生與否是至關(guān)重要的因素。若燃料容易自燃,則一般更容易引起發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震。辛烷值是用來(lái)描述燃料抗爆震能力的一個(gè)指標(biāo),辛烷值高的燃料一般比較穩(wěn)定,能有效避免爆震的產(chǎn)生。對(duì)于市場(chǎng)上銷售的使用汽油的汽車,廠商會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果,向消費(fèi)者告知所應(yīng)使用的最低辛烷值汽油標(biāo)準(zhǔn),即加油站常見的97號(hào)、93號(hào)等汽油標(biāo)號(hào)。
控制技術(shù)
由于現(xiàn)代汽車廣泛使用ECU來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的火花塞點(diǎn)火時(shí)間進(jìn)行控制,從而可以對(duì)爆震進(jìn)行控制。爆震時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生不正常的高頻振動(dòng)和過(guò)高的壓力與溫度,爆震傳感器可以對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控,ECU得知爆震的信息后,將適度調(diào)后火花塞的點(diǎn)火時(shí)間,從而使氣缸內(nèi)的壓力和溫度上升減緩,爆震得以消失。
相關(guān)條目
發(fā)動(dòng)機(jī)控制器
點(diǎn)火系統(tǒng)
辛烷值(汽油標(biāo)號(hào))
參考資料
(日文) ノックセンサ- 爆震感知器
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