点燃式发动机爆震简介课件

主讲人 邓雪莲 点燃式发动机爆震简介 虽然爆震燃烧的研究有很长的历史 由于爆震现象复杂 涉及的因素很多 对爆震产生的机理目前仍有不同的说法 主要在这三种学说 自燃学说 火焰加速学说 爆震学说 目前用得比较多的是自燃学说 爆震产生机理 在汽油机燃烧过程中 处于末端混合可燃气体随着燃烧的进行 此时混合气的温度和压力不断提高 在正常的火焰传播未达到之前 在燃烧室末端中出现一个或数个自发的火焰中心 此火焰中心迅速传播 将剩余的未燃混合气燃烧完毕 爆震时火焰在末端气体中的传播速率是正常燃烧火焰传播速率的10 20倍 因此提出了火焰加速学说 在预混合气燃烧中 火焰在传播过程中受到周围条件的限制 正常的火焰前峰由于受到冲击波的高压提供的能量 燃烧反应异常猛烈 此时伴随的缸内压力冲击波 火焰传播速率与质量燃烧速率都很高 1 点火角过于提前2 发动机燃烧室过度积碳3 发动机温度过高4 空燃比不正确5 燃油辛烷值过低6 压缩比过大7 燃油清洁度不够 爆震产生的主要原因 爆震强度评价指标1 爆震发生时的曲轴转角爆震发生的时刻早 自燃时末端气体的质量大 爆震也越强烈 2 爆震强度指标KIA对爆震燃烧过程的压力示功图用快速傅里叶变换 FFT 进行带通滤渡 消除测量过程中混入的压力谐渡的影响后 取滤渡后压力振荡的最大幅值作为爆震强度的评价指标 3 爆震强度指标I D dpk 式中 t1 t2 分别为自燃开始和结束的时刻 pk 燃烧室中压力振荡的瞬时值 4 爆震指标Ksi Qk Qt pQk 爆震时自燃混合气放热量 Qt 每循环的总燃烧放热量 p 爆震开始时刻局部压力升高值 5 最大压力升高率MR或max6 爆震指示指标KI爆震时先有压力的突升 正曲率很大 随后由于传热损失的增加 压力迅速下降 负曲率也很大 形成狭窄的压力尖峰 由于曲率是压力曲线的2阶导数 而爆震时压力尖峰是具有很大数值的3阶导数 因此可以用压力曲线的3阶导数来评价爆震强度 7 爆震强度因数KI20对压力示功图数据进行高通滤波 对滤波后的数据用第1个压力脉冲开始后20 CA范围内的压力振荡值进行计算p i 高通滤波后的第i个压力值 pmean 高通滤波后的压力平均值 Nsamp 第1个脉冲后20 CA范围内的压力脉冲数 9 由于爆震现象的存在 汽油机压缩比通常在5 11之间 远远低于柴油机的压缩比 这使汽油机在热效率上低于柴油机 爆震时 汽油机的磨损速度约为正常值的2 7倍 爆震燃烧时的高温会造成燃烧产物发生彻底分解 此时析出的游离碳以及其他不完全的产物 如CO等 爆震的危害轻微的爆震对发动机不会有太大的影响 发动机处于轻微爆震时 内部燃烧接近等容燃烧 功率与热效率都有所提高 但处于中度或强烈爆震时会对发动机产生诸多影响 降低发动机的性能 油耗增加 零部件磨损加快 排放恶化 噪音加大 汽车舒适性变差等 吉林大学丁明峰等 点火正时和EGR对甲醇发动机爆震特性的研究 以一台改装的点火式甲醇发动机为研究对象 通过控制进气压力保证每循环油量为定值 并且按过量空气系数为1进行燃烧 所研究的甲醇发动机是在一台自然吸气柴油机上加装节气门 EGR系统和点火系统 并改造进气歧管燃料供给系统 从而将其改装成进气道喷射点燃式发动机 发动机各参数对爆震的影响 该实验主要研究了如下参数对该发动机爆震的影响 1 点火正时2 EGR率3 EGR温度 无EGR条件下 得到如下图 点火正时对爆震指数和缸内最大压力的影响 缸内最大压力是整个燃烧室平均压力的最大值 点火正时对爆震的影响 为了单独考虑EGR的影响 首先保证每次喷油量为定值 点火角相同 得到如下图 EGR率对爆震的影响 采用EGR中冷的方式研究EGR对爆震的影响 冷却水可以使EGR温度降到室温 设置初始EGR温度为293K点火正时为上止点后 15 EGR率选择在10 的工况下 EGR温度对爆震的影响 清华大学齐运亮等 模拟早燃引起的汽油机爆震特性 在一台压缩比为14 为抵抗长时间强烈爆震 试验用发动机由结构强度较高的柴油机改造 只是将其压缩比从17 5降到14 的汽油机上 使用火花塞提前点火模拟早燃的方法 发现发生在上止点前的爆震要强于发生在上止点之后的爆震 且当爆震发生时刻在上止点附近时 爆震最为强烈 所以爆震发生时刻是研究爆震的一个重要参数 该实验主要研究了低转速时点火位置 空燃比以及冷却水温对早燃以及爆震特性的影响 爆震发生时刻 随点火时刻向上止点推移 爆震发生时刻逐渐向后推移 在20 CABTDC之前点火时 边缘点火比中心点火会更早爆震 而在20 CABTDC之后点火时恰恰相反 点火位置影响爆震发生时刻 CAKO爆震发生时刻CAign为点火时刻 发动机转速为1200r min 冷却水温为80 节气门全开 气缸边缘点火 改变空燃比看出混合气加浓或加稀都会爆震发生时刻推迟 空燃比影响爆震发生时刻 发动机转速为1200r min 空燃比为14 7 节气门全开 点火位置在气缸边缘处 改变冷却水温对爆震发生时刻的影响 随水温的降低爆震发生时刻逐渐向后推迟 这显然是受到滞燃期和火焰传播速度的影响 冷却水温度影响爆震发生时刻 对于抑制早燃的措施 目前主要是通过使用混合气加浓 多次喷射减少汽油碰壁 EGR 增加扫气以及改变冷却水温等以抑制未燃区反应 1 改进燃烧室设汁优化形状设计 釆用紧凑型燃烧室 合理选择火花塞的位置 增强燃烧室中的气体流动 加快火焰传播速率 缩短火焰传播距离等 是控制爆震的有效措施2 缩小气社直径 提高发动机转速转速的提高大大增强了燃烧室的紊流强度和火焰传播速率 虹径减小 火焰传播距离缩短 提高了汽油机的抗爆能力 3 均匀燃烧均匀燃烧的实质是积极地引起自燃 然后再消除自燃的有害后果的方法 即消除爆震 必须均勻地引起少量混合气的自燃 不产生扰乱燃烧室内部状态的强烈压力波 4 实时控制实时控制是通过汽油机爆震传感器采集当前的汽油机爆震信号数据 经微机处理单元 调控汽油点火提前角 节气门开度 占空比 空燃比等一系列运行参数 进而达到实时控制汽油机的爆震 爆震的抑制 目前 汽油机技术发展趋势是高增压缸内直喷 然而 即使采用了增压直喷技术 汽油机的热效率仍低于柴油机 这其中一个重要原因就是爆震 敲缸 限制了汽油机压缩比的提高 增压直喷汽油机的压缩比一般小于10 而在实际产品开发中 通过传统的推迟点火角 加浓混合气 EGR等措施抗爆震似乎已经达到了极限 近年来研究表明 缸内直喷汽油机 GDI 通过增压配合VVT控制扫气具有抑制爆震的潜力 对此清华大学王志等针对增压缸内直喷汽油机 GDI 高负荷爆震问题进行研究 增压直喷汽油机扫气抑制爆震试验研究及模拟解析 利用可变气门正时控制发动机扫气过程 在稀燃条件下分别对不同节气门开度和负荷的情况进行了不同VVT角度的试验 试验用缸内直喷汽油机采用了火花塞中央布置 喷油器进气道侧置的方式 爆震的抑制 在空燃比为18 转速1800r min排气门关闭角为5 CA时 改变发动机的进气门开启角 得到右图4 发动机在不发生爆震的情况下的最大点火提前角随进气VVT变化的结果 为了减少有效压缩比等因素的影响 阐明扫气本身对发动机爆震的抑制作用 试验在保持节气门开度和空燃比不变的情况下 固定进气门开启角为 30 CA 发动机不发生爆震的最大点火提前角随着排气VVT的变化如图5所示 扫气抑制爆震的主要原因是通过扫气驱除缸内残余废气 同时降低了废气的回流 稀燃条件下可以使得缸内残余废气系数接近零 并通过对燃烧室壁面的冷却作用进一步降低了壁面温度和缸内气体温度 显著抑制爆震 扫气抑制爆震 检测发动机爆震的方法有3种 检测发动机燃烧室压力的变化 检测发动机缸体振动频率 检测混合气燃烧噪声 直接检测燃烧室压力变化来检测发动机振动的测量精度较高 但传感器安装困难 且耐久性较差 一般用于测量仪器 实际应用的压力检测传感器均为间接检测式 检测发动机缸体振动频率来检测爆震的主要优点是测量精度高 传感器安装方便且输出电压较高 因此现代汽车广泛采用 检测混合气燃烧噪声为非接触式检测 其耐久性较好 但测量精度和灵敏度较低 实际应用较少 目前多采用非共振型压电爆震传感器来检测爆震信号 发动机爆震的检测 非共振型压电爆震传感器的结构及组成 固定于壳体 同极性相向对接 非共振型压电式爆震传感器 爆震传感器的安装 爆震传感器安装在发动机机体上 要控制爆震 首先要判断爆震是否产生 来自爆震传感器的信号 含有各种频率的电压信号 先经滤波电路 将爆震信号与其他振动信号分离 只允许特定范围频率的爆震信号通过滤波电路 再将此信号的最大值与爆震强度基准值进行比较 如大于爆震强度的基准值 表示产生爆震 则将爆震信号输入微机 由微机进行处理 发动机爆震控制系统 发动机爆震控制系统 现代发动机爆震控制系统 主要是考虑了点火时刻对爆震的影响 为实现爆震时刻到爆震边缘只有一个较小余量 即可控制爆震发生 又可有效得到发动机的输出功率 当发动机振动时 安装在发动机缸体上的爆震传感器将爆震洗好经相关电路处理后上传到汽车ECU 工程师在调校爆震传感器时会把爆震的震动模式写入ECU中 一旦爆震传感器侦测出该震动模式 ECU则判定发动机爆震 随即延后点火提前角 较先进的爆震传感器甚至能判定是哪一个汽缸爆震 而针对该汽缸个别延后点火提前角 与传统的汽油机爆震不同 超级爆震具有 间歇性发生 这一典型特征 并在多次重复发生过程中表现为着火越来越早而缸内最高燃烧压力越来越高 增压缸内直喷汽油机的超级爆震无法通过推迟点火时刻来控制 对发动机具有严重的破坏性 通常认为 超级爆震是由缸内热的零部件在压缩过程中点燃混合气所致 但实际观测到的超级爆震现象并没有按此推测发生 而是不可预测地突然爆发 连续发生几次后又自行结束 发生超级爆震时的着火位置并不固定 而是出现在缸内多处不同的地方 目前 研究提出了多种关于早燃引发超级爆震的机理 其中一个观点已逐渐成为共识 即认为超级爆震是缸内气体温度和燃油或机油或二者混合液滴之间发生复杂的相互作用 最终液滴在热空气区域中着火而引发 同时进气运动 喷油器设计 残余废气 燃烧室沉积物和其他一些运行参数也对其强度和发生频率有一定影响 超级爆震 天津大学张志福等人 增压直喷汽油机超级爆震现象与初步试验 实验发动机为1 5L增压缸内直喷汽油机 主要参数如下表1 在进行发动机标定的过程中 低速大负荷区域发生超级爆震 该实验还测得该发动机超级爆震 常规爆震以及正常燃烧单个循环的示功图如图6 超级爆震的发生 首先有一个先于点火时刻的早燃 后期会产生急剧的压力升和大幅的振荡 发生超级爆震时 最大爆压达到正常值的2倍以上 发动机运行参数对超级爆震的影响 进气温度对超级爆震的影响 发动机转速为2000r min 冷却水温度为90 进气压力为0 178MPa 过量空气系数为0 88 改变增压中冷后的进气温度 进气温度有由39 降到30 但超级爆震现象并未消除 反而可能强度增加如下图所示 超级爆震不是由于末端混合气自燃引起的 发动机转速为2000r min 进气温度为39 冷却水温度为90 进气压力为0 178MPa 过量空气系数从0 88增大至0 96 超级爆震未消除 爆震强度反而有增强的趋势 如下图所示 可见 超级爆震与混合气浓度关系不大 过量空气系数对超级爆震的影响 发动机转速为2000r min 进气温度为35 冷却水温度为90 进气压力为0 178MPa 过量空气系数为0 88 改变进气相位实验结果如下图所示 实验中 进气相位提前时 未出现超级爆震 推迟进气相位 超级爆震继续出现 进气相位提前 发动机进排气重叠角增加 利用新鲜空气扫气 减轻了缸内热负荷 降低燃烧室壁面温度 抑制了诱导超级爆震的早燃 使得超级爆震几率下降 进气相位对超级爆震的影响 超级爆震的抑制 增压直喷汽油机超级爆震的不同抑制方法 清华大学王志 王建昕等 实验发动机主演参数如下表1 发动机发生超级爆震一般是在低速大负荷下 所以选取最大转矩点的最低转速工况进行研究 改发动机超级爆震实验工况入下表2 加浓抑制超级爆震 不同空燃比下超级爆震平均发生次数如下图所示 可以看出加浓混合气可以有效的抑制超级爆震的发生 其主要原因在于加浓混合气 可以降低发动机压缩终了的缓和期温度 发动机内的热点难以达到其自燃温度 虽然加浓混合气可以有效的抑制超级爆震的发生 但是大大损失了燃油经济性 且不满足三效催化转换器的工作条件 故此不是较佳的解决方案 扫气抑制超级爆震 由于提前进气门开启时刻实现扫气提高发动机的有效压缩比 容易诱发超级爆震 所以固定进气门开启时刻 研究不同排气门关闭时刻对发动机超级爆震的影响 结果如下图所示 推迟排气门关闭时刻 可以有效的抑制发动机的超级爆震发生 发动机排气门关闭靠后 气门重叠角大 扫气强度大 对发动机缸内热点有冷却的作用 进一