汽油機爆震燃燒的成因及預防策略分析

馮朝陽 王湉湉 王馳恒

摘 要：從1886年至2020年汽車工業取得了蓬勃發展，對人們的生產生活產生了重要影響。經過上百年的發展，汽車的各項技術業已完備，但爆震燃燒問題一直尚未根除，即生活中的敲缸、叫桿。其對發動機缸體造成損壞，對車輛的動力性、排放性造成很大影響。文章深度闡述了爆震燃燒的形成過程，危害，檢測診斷方法及不同因素對預防爆震的影響。

關鍵詞：汽油機;爆震燃燒;壓縮比;爆震傳感器

中圖分類號：U464.171 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-130-03

Analysis on the Cause of Detonation Combustion of Gasoline Engineand its Prevention Strategy

Feng Zhaoyang， Wang Tiantian， Wang Chiheng

（School of Automobile，?Chang'an University，?Shaanxi Xi'an 710064）

Abstract：?From 1886 to 2020， the automobile industry has made a vigorous development， which has an important impact on people's Production and living. After hundreds of years of development， the car technology has been complete， but the detonation combustion problem has been difficult to solve， that is， in the life of the cylinder， called the rod. It causes damage to the engine block and has a great impact on the power and emission of the vehicle. In this paper， the formation process of detonation combustion， detection methods，hazards， and the influence of different factors on the prevention of detonation are described in depth.

Keywords：?Gasoline engine; Detonation combustion; Compression ratio; Knock sensor

CLC NO.： U464.171 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-130-03

前言

汽油機爆震燃燒的定義（簡稱：爆震）是指在壓縮行程終了時，火花塞點火之后，在火焰前鋒面從火花塞處向活塞頂部推進時，當火焰還未燃至末端混合氣之前，因受到缸內熱輻射和壓縮作用的影響，使得末端混合氣溫度、壓力升高而導致自行燃燒的現象^[1]。在現代汽車設計中，常會受到排放等相關法規的制約。企業為了降低油耗，提高汽車動力性，通常會采用增大壓縮比的方法，但壓縮比的增大又會使得汽車爆震加劇。故此研究發動機的爆震現象對發動機的動力性、排放性、安全性及行車舒適性有十分重要的影響。

1 爆震產生的機理及影響

柴油發動機采用壓燃的著火燃燒方式，與此不同，汽油發動機的點火由安裝在缸蓋上的火花塞點燃的。圖1為汽油發動機工作循環圖。在進氣行程，伴隨著曲軸旋轉帶動活塞下移，凸輪軸推動搖臂擺轉，進而向下推開進氣門。使得氣缸內部容積變大，缸內壓力、溫度減小。汽油與空氣形成的均質混合氣在真空吸力的作用下進入氣缸。在壓縮行程結束時，火花塞點燃均質混合氣使其燃燒放熱，并推動活塞做功，實現熱工轉換。正常燃燒時，火焰是從火花塞頭部依次點燃混合氣直至末端混合氣燃盡。一般火焰燃燒可以分為三個階段：滯燃期、急燃期、后燃期。在滯燃期時，火花塞跳火形成火焰核心，但由于燃燒不劇烈缸內壓力基本保持不變;在隨之而來的急燃期中，火焰快速傳播至燒遍整個燃燒室，缸內壓力也急劇升高;在后燃期，燃料燃燒殆盡，而氣缸壁和縫隙處的少量未燃氣體分解，繼續燃燒。

爆震便出現在以上所述的急燃期中，在火焰極速傳播的過程中，末端混合氣受火焰前封面的影響而自燃，形成新的火焰核心。局部火焰壓力過高，與附近氣壓極不平衡，使得火焰前鋒面以超音速傳播開來，急劇而又猛烈的完成燃燒，這便是爆震產生的根源。爆震產生后，缸內燃燒速度極快，甚至可達1000m/s以上，比正?；鹧鎮鞑ニ俣雀邘资?，造成巨大的溫度和壓力梯度，形成缸內壓力沖擊波，如圖2所示。

輕微爆震時，可燃混合氣末端氣體自行燃燒的部分較少，燃燒速度快，發動機功率提升。但當發生劇烈爆震時，會對車輛產生巨大的危害。

①敲缸現象嚴重，發動機磨損加劇。劇烈的沖擊波不斷撞擊氣缸壁面，傳出高頻、清脆的金屬敲擊聲。沖擊波的撞擊會加劇氣缸、活塞、主軸承等零部件的磨損，同時破壞氣體附面層，機件直接與高溫燃氣接觸，使得氣門等部件燒蝕，嚴重影響發動機壽命。

②發動機性能指標下降。當發生爆震時部分燃料的化學能并未轉化為推動活塞運動的有用功，而是消耗在了壓力沖擊波與氣缸壁、活塞等部件的碰撞中。同時較多的熱量傳給冷卻系，使得原本用以做功的熱量再進一步減小，發動機動力性降低，耗油量上升，燃油經濟性下降。

③發動機燃燒室的積碳增加，汽車排氣管冒黑煙，補燃增加，排出氣體的溫度升高。因爆震而急劇上升的缸內溫度，使得燃燒產物發生了熱分解，生成了游離態的碳。部分游離碳附著在進排氣門和活塞上形成積碳，還有部分與廢氣一同排出，使得排氣冒黑煙。

2 爆震的檢測

在通過提高壓縮比，增大點火提前角以獲得汽車的較好的動力性、經濟性的同時，必須考慮到爆震的檢測與預防這一問題。檢測發動機爆震的方法有3種：檢測發動機燃燒室壓力的變化、檢測發動機缸體震動頻率、檢測混合氣燃燒噪聲。在日常的檢測過程中主要依靠爆震傳感器，如圖3來完成。

以下簡述在生活中因爆震而敲缸的實例與相應的檢測診斷措施。在汽車運行過程中，相信很多駕駛員都經歷過，當在常用擋由較低車速快速加速時，可以聽到發動機傳出有類似金屬敲擊的“嘎嘎嘎”的清脆的響聲。此時，稍稍抬起加速踏板，響聲便會減小或消失，復踩踏板時便又會出現了。倘若遇到上述情況時，不妨停車片刻，適當減小點火提前角后重新加速行駛。如果響聲減弱且隨著行駛速度的提高而逐漸消失，那么此時便可斷定上述聲響乃是由發動機敲缸而非其他異響。

一般加裝爆震傳感器便可自動完成爆震的檢測，其作用是：可以使發動機工作在穩定在最佳點火提前角附近，以獲得較優的燃料使用特性和發動機的動力性。如若發動機點火提前角過大，則此時活塞正處于壓縮行程，即相當于為活塞提供了向下的反向推力，做負功;最高燃燒壓力上升，壓力升高率進一步提升，循壞熱效率降低，工作粗暴，發動機機械負荷和熱負荷增大。當點火提前角過大時，易出現爆震，發動機磨損加劇，性能下降。若發動機點火過晚時，則燃燒過程遲后，雖可降低爆震傾向，但較多的混合氣在膨脹過程中燃燒，補燃增加，散熱損失增加，循環熱效率降低^[2]。

如圖4的檢測原理，當汽車發動機出現振動或敲缸時，爆震傳感器中的壓電陶瓷產生一個電壓峰值，其值隨敲缸或震動程度的增強而升高。隨之將此電壓信號傳輸至ECU中，對接收到的爆震傳感器傳輸的電壓信號進行檢測處理，如果判斷爆震產生，則將通過推遲點火時刻，阻止發動機繼續爆震。當ECU沒有接收爆震傳感器的信號時，則將點火時刻提前，保證輸出發動機的最佳功率。以四缸發動機為例，爆震傳感器常安裝于1，2缸中的一個，3，4缸中的一個，或2缸與3缸之間。爆震傳感器中的壓電陶瓷因發動機抖動而產生了微弱的電信號，之后，電流信號經由被屏蔽線包裹的連接線傳遞并經過濾波、整流后，傳送至ECU，從而使ECU可以調整點火提前角。

3 影響爆震的各種因素分析

①燃料辛烷值。汽油抗爆性的優劣是以其含異辛烷的體積分數來評定的，汽油所含辛烷值越高，抗爆能力越強。為延長發動機使用壽命，降低爆震，車主應在可承受范圍內選取辛烷含量較高的燃油，并且應使用符合排放法規要求的正規廠家生產的汽油，以防有過多雜質。

②發動機的轉速和負荷;一般在發動機低速大負荷時爆震傾向較高。此時火焰傳播速度減小但發動機溫度高，故爆震傾向增加，在此種情況下發生爆震時，提高發動機轉速便可消除^[3]。當發動機轉速較高時，氣缸內氣體流動速度加快，湍流火焰傳播速度提高，爆震傾向降低。

③缸內末端混合氣的溫度和壓力;因爆震為末端混合氣的自燃而引起的，故如若使得末端混合氣溫度、壓力提高，則爆震傾向加劇。當提高發動機壓縮比時，缸內的溫度壓力升高，爆震傾向增加;當發動機積碳時，活塞上的積碳可加

熱末端混合氣，并且增大了發動機壓縮比，爆震傾向加劇。

④氣缸直徑;氣缸直徑與火焰傳播距離密切相關，氣缸直徑越大，火焰傳播距離越長，爆震傾向加劇。

⑤電控點火系統的閉環控制;點火系的閉環控制，可使ECU能監測發動機內部的燃燒情況，根據不同狀況調節點火提前角以降低汽油發動機爆震。

4 結論

爆震伴隨著內燃機的出現而產生，制約著內燃機的經濟性和動力性。汽車保有輛的不斷提升，在電動汽車尚未大規模普及的背景下研究傳統汽油車燃料的爆震燃燒具有重要意義。文章分析了爆震的產生、影響因素的基礎上詳述了爆震的檢測方法，為車主在日常行車遇到爆震時提供了良好的解決辦法。相信隨著新能源的不斷問世和汽車動力技術的不斷革新，在汽車動力學領域會出現更多的解決車輛燃燒頑疾的有利措施。

參考文獻

[1]金露平.關于汽油發動機爆震分析[J].內燃機與配件，2019（02）：113- 115.

[2] 胡喬朋.汽車爆震傳感器及其測試系統研究[D].華中科技大學， 2013.

[3] 魏遠飛，郭偉，侯邦明.某汽油發動機爆震問題分析與解決[J].汽車實用技術，2019（08）：130-132.