二次喷射对超级爆震的试验研究
目录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 直喷发动机的技术现状 1
1.3 超级爆震国内外的研究状况 2
1.4 超级爆震产生的可能原因 3
1.5 超级爆震的特点 4
1.6 超级爆震的检测方法 4
1.7 超级爆震的危害 5
2 试验过程 7
2.1 试验条件的选择 7
2.2 试验设备 7
2.3 试验的统计 11
2.4 试验方法 11
3 试验结果和讨论 12
3.1 发动机转速对超级爆震的影响 13
3.2 进气温度对超级爆震的影响 14
3.3 二次喷射结束角对超级爆震的影响 15
3.4 二次喷射比对超级爆震的影响 15
3.5 单双次喷射对超级爆震的影响 16
3.6 实验结果 17
结 论 19
致谢 20
参考文献 21
1 绪论
1.1 课题研究背景
近年来，受益于当今社会节能减排的趋势，高增压小排量汽油机以高动力、低油耗、低排放、高功率质量比等优势得到了长足的发展，但是这种汽油机产生了一种新的异常燃烧现象，称之为超级爆震。当发动机发生超级爆震时，最大爆压会达到正常燃烧的2倍以上，同时可能还伴随着高频的压力振荡，这样会使火花塞电极熔断、活塞环断裂、活塞顶部烧蚀连杆弯曲等，甚至导致发动机损坏，严重影响着发动机性能和发动机的使用寿命[1]。
对于超级爆震的抑制方法研究，各大汽车公司及专家都做了不同的研究，如进气温度的不同、进气 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
相位的不同、冷却水温度的不同等。其产生机理目前仍不十分明确，虽不能完全排除，也可以通过改变控制策略加以抑制。本文将通过发动机转速、进气温度、二次喷射结束角、二次喷射比、单双次喷射这几个条件进行试验，同时通过观察各个活塞侧面油膜量的燃烧程度来记录试验的数据，从而得出哪种条件状况下对超级爆震的抑制效果最佳。
通常认为，超级爆震是由缸内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。而是不可预测的突然爆发，连续发生几次后又自行结束。研究表明：发生超级爆震时的着火位置并不固定，而是出现在缸内多出不同的地方。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[3]。
1.2 直喷发动机的技术现状
直喷发动机的关键技术无疑正是燃油喷射和控制方式，目前主流的燃油喷射系统由高压油泵。高油油轨、喷油器等关键部件组成，高压油泵由凸轮轴轮轴驱动，为保证精确的输出油压，减少发动机转速的影响，一般内置流量控制，精确调节油压，最高输入油压可达15MPa，工作温度范围为-40~120°C。高压油轨使喷射压力稳定，保障了各缸喷射的一致性，同时采用多孔喷油器，配合高的喷射压力，很好的实现了燃油和空气的混合、雾化。当前成熟的电子控制技术加上高精度的喷油器，可精确地控制喷油量和喷油时刻，甚至可以实现单个循环二次或多次喷射，更好地改善了燃烧过程。在发动机的辅助技术上，采用成熟的增压技术、可变气门正时技术配合缸内直喷来挖掘发动机的最大潜能。而在发动机结构方面，为保证发动机轻量化，同时应对直喷发动机高负荷对缸体强度和散热性能的挑战。高压铸造的铝合金气缸体被广泛的应用。
国外市场很多直喷发动机实现了分层燃烧，更加优秀的发挥了直喷发动机的低油耗优势，答辩时由于国内燃油品质的限制，很多成熟的直喷发动机在中国市场出现问题。因此目前国内市场在售的直喷机型普遍为均质燃烧，自主车企正在研究的直喷发动机也是均质燃烧形式。但是尽管如此，直喷发动机的动力性优势还是非常明显。
1.3 超级爆震国内外的研究状况
大众汽车公司于2005年推出了首台增压缸内喷汽油机，伺候继续对该打洞机进行能提升，于2009年推出了高增压版本发动机，转矩增加至350N*m，功率增加至155kW。通用汽车公司于2009年推出全新的Ecotec2.0L增压缸内喷射汽油机，最大功率162kW，最大转矩为350N*M。可以预见，高增压缸内直喷汽油机将成为未来的技术发展趋势，目前包括大众、通用和福特等汽车公司以及AVL、FEV、Ricardo和SWRI等研究机构在进行开发工作。由于发动机的性能提升显著，增压比相应提升，高增压缸内直喷汽油机出现了新的爆震模式——超级爆震。上述公司和研究机构对此正在研究超级爆震的控制策略和控制方案，但截止目前相关报道较少。
应用Downsizing策略后，发动机性能提升而排量减小，在低转速高负荷工况除了要应对普通爆震问题，还有一种偶发的非正常燃烧，特征是极具破坏性，瞬时缸内压力至超过20MMPa。基于大众1.4TSI的研究发现在低速接近全负荷时出现了类似这种爆震，且通过推迟点火角不能避免。AVL公司于2009年的研究认为除了减少喷油量以降低功率密度之外，Mega Knock现象目前无法通过其他手段加以消除。已有相关文章介绍通过不同的技术手段识别并避免超级爆震，但由于产生机理仍不明确，这一现象仍是平均有效制动压力。（BMEP）提升至2.5MPa以上的最大限制[6]。
超级爆震的诱发机理至今还没有定论。A k ram和Peter等人借助燃烧模型和高速摄影，分析了油速设计、喷油时刻、空燃比等因素对超级爆震出现频次的影响，认为机油油滴与燃油相互作用导致混合气的自燃温度降低，引发了超级爆震。Man Fred等人认为，燃烧室内壁积碳会降低热传导，增加缸内温度，形成非部件热点，从而诱发早燃，二通过降低烟度指标、优化燃烧室设计及喷油器设计、降低燃油消耗等措施可以抑制超级爆震的发生。Michel a等人借助AVL Fire软件建立了缸内多次喷射的油滴分布模型，仿真结果表明二次喷射燃油蒸发可以有效降低燃烧室温度，进而减少爆震频次[7]。
1.4 超级爆震产生的可能原因
1.4.1 热点论
燃烧室某处产生了热点，点燃了混合气，热点可以概括为非部件热点和部件热点两种类型。
非部件热点主要指混合气常期燃烧不充分或机油液滴燃烧的一部分产物滞留并聚集在燃烧室的某些部位（如火花塞、活塞顶部、气门等处），形成积碳。这些积碳通过两种方式影响超级爆震：一是阻碍燃烧室传热效果，使随后换气行程中的气体温度处于相对较高水平；二是这些积碳从燃烧室壁面脱离之后，成为“热点”。
部件热点主要指火花塞、排气门、活塞、缸盖挤压边界等。发动机全负荷运行时，在强烈的热流不断冲击下，这些零部件形成高温热点，使其周围的气体温度超过自燃温度，引发自燃[2]。
1.4.2 反应动能论
机油液滴与燃油相互作用后的不完全燃烧产物中包含一种长链HC，影响了混合气的反应特性，使混合气自然温度降低，着火延迟时间缩短，导致正常火焰前锋到来之前混
合气自燃。被燃油稀释的机油液滴或长链HC主要来自一下途径：一是曲轴箱强制通风；二是燃油喷射触壁使缸套上的机油油膜挣脱张力束缚，随燃油蒸发进入混合气；三是积聚在气缸、活塞、油环缝隙中的稀释机油在高温下的蒸发；四是缸内残余气体。
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 直喷发动机的技术现状 1
1.3 超级爆震国内外的研究状况 2
1.4 超级爆震产生的可能原因 3
1.5 超级爆震的特点 4
1.6 超级爆震的检测方法 4
1.7 超级爆震的危害 5
2 试验过程 7
2.1 试验条件的选择 7
2.2 试验设备 7
2.3 试验的统计 11
2.4 试验方法 11
3 试验结果和讨论 12
3.1 发动机转速对超级爆震的影响 13
3.2 进气温度对超级爆震的影响 14
3.3 二次喷射结束角对超级爆震的影响 15
3.4 二次喷射比对超级爆震的影响 15
3.5 单双次喷射对超级爆震的影响 16
3.6 实验结果 17
结 论 19
致谢 20
参考文献 21
1 绪论
1.1 课题研究背景
近年来，受益于当今社会节能减排的趋势，高增压小排量汽油机以高动力、低油耗、低排放、高功率质量比等优势得到了长足的发展，但是这种汽油机产生了一种新的异常燃烧现象，称之为超级爆震。当发动机发生超级爆震时，最大爆压会达到正常燃烧的2倍以上，同时可能还伴随着高频的压力振荡，这样会使火花塞电极熔断、活塞环断裂、活塞顶部烧蚀连杆弯曲等，甚至导致发动机损坏，严重影响着发动机性能和发动机的使用寿命[1]。
对于超级爆震的抑制方法研究，各大汽车公司及专家都做了不同的研究，如进气温度的不同、进气 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
相位的不同、冷却水温度的不同等。其产生机理目前仍不十分明确，虽不能完全排除，也可以通过改变控制策略加以抑制。本文将通过发动机转速、进气温度、二次喷射结束角、二次喷射比、单双次喷射这几个条件进行试验，同时通过观察各个活塞侧面油膜量的燃烧程度来记录试验的数据，从而得出哪种条件状况下对超级爆震的抑制效果最佳。
通常认为，超级爆震是由缸内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。而是不可预测的突然爆发，连续发生几次后又自行结束。研究表明：发生超级爆震时的着火位置并不固定，而是出现在缸内多出不同的地方。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[3]。
1.2 直喷发动机的技术现状
直喷发动机的关键技术无疑正是燃油喷射和控制方式，目前主流的燃油喷射系统由高压油泵。高油油轨、喷油器等关键部件组成，高压油泵由凸轮轴轮轴驱动，为保证精确的输出油压，减少发动机转速的影响，一般内置流量控制，精确调节油压，最高输入油压可达15MPa，工作温度范围为-40~120°C。高压油轨使喷射压力稳定，保障了各缸喷射的一致性，同时采用多孔喷油器，配合高的喷射压力，很好的实现了燃油和空气的混合、雾化。当前成熟的电子控制技术加上高精度的喷油器，可精确地控制喷油量和喷油时刻，甚至可以实现单个循环二次或多次喷射，更好地改善了燃烧过程。在发动机的辅助技术上，采用成熟的增压技术、可变气门正时技术配合缸内直喷来挖掘发动机的最大潜能。而在发动机结构方面，为保证发动机轻量化，同时应对直喷发动机高负荷对缸体强度和散热性能的挑战。高压铸造的铝合金气缸体被广泛的应用。
国外市场很多直喷发动机实现了分层燃烧，更加优秀的发挥了直喷发动机的低油耗优势，答辩时由于国内燃油品质的限制，很多成熟的直喷发动机在中国市场出现问题。因此目前国内市场在售的直喷机型普遍为均质燃烧，自主车企正在研究的直喷发动机也是均质燃烧形式。但是尽管如此，直喷发动机的动力性优势还是非常明显。
1.3 超级爆震国内外的研究状况
大众汽车公司于2005年推出了首台增压缸内喷汽油机，伺候继续对该打洞机进行能提升，于2009年推出了高增压版本发动机，转矩增加至350N*m，功率增加至155kW。通用汽车公司于2009年推出全新的Ecotec2.0L增压缸内喷射汽油机，最大功率162kW，最大转矩为350N*M。可以预见，高增压缸内直喷汽油机将成为未来的技术发展趋势，目前包括大众、通用和福特等汽车公司以及AVL、FEV、Ricardo和SWRI等研究机构在进行开发工作。由于发动机的性能提升显著，增压比相应提升，高增压缸内直喷汽油机出现了新的爆震模式——超级爆震。上述公司和研究机构对此正在研究超级爆震的控制策略和控制方案，但截止目前相关报道较少。
应用Downsizing策略后，发动机性能提升而排量减小，在低转速高负荷工况除了要应对普通爆震问题，还有一种偶发的非正常燃烧，特征是极具破坏性，瞬时缸内压力至超过20MMPa。基于大众1.4TSI的研究发现在低速接近全负荷时出现了类似这种爆震，且通过推迟点火角不能避免。AVL公司于2009年的研究认为除了减少喷油量以降低功率密度之外，Mega Knock现象目前无法通过其他手段加以消除。已有相关文章介绍通过不同的技术手段识别并避免超级爆震，但由于产生机理仍不明确，这一现象仍是平均有效制动压力。（BMEP）提升至2.5MPa以上的最大限制[6]。
超级爆震的诱发机理至今还没有定论。A k ram和Peter等人借助燃烧模型和高速摄影，分析了油速设计、喷油时刻、空燃比等因素对超级爆震出现频次的影响，认为机油油滴与燃油相互作用导致混合气的自燃温度降低，引发了超级爆震。Man Fred等人认为，燃烧室内壁积碳会降低热传导，增加缸内温度，形成非部件热点，从而诱发早燃，二通过降低烟度指标、优化燃烧室设计及喷油器设计、降低燃油消耗等措施可以抑制超级爆震的发生。Michel a等人借助AVL Fire软件建立了缸内多次喷射的油滴分布模型，仿真结果表明二次喷射燃油蒸发可以有效降低燃烧室温度，进而减少爆震频次[7]。
1.4 超级爆震产生的可能原因
1.4.1 热点论
燃烧室某处产生了热点，点燃了混合气，热点可以概括为非部件热点和部件热点两种类型。
非部件热点主要指混合气常期燃烧不充分或机油液滴燃烧的一部分产物滞留并聚集在燃烧室的某些部位（如火花塞、活塞顶部、气门等处），形成积碳。这些积碳通过两种方式影响超级爆震：一是阻碍燃烧室传热效果，使随后换气行程中的气体温度处于相对较高水平；二是这些积碳从燃烧室壁面脱离之后，成为“热点”。
部件热点主要指火花塞、排气门、活塞、缸盖挤压边界等。发动机全负荷运行时，在强烈的热流不断冲击下，这些零部件形成高温热点，使其周围的气体温度超过自燃温度，引发自燃[2]。
1.4.2 反应动能论
机油液滴与燃油相互作用后的不完全燃烧产物中包含一种长链HC，影响了混合气的反应特性，使混合气自然温度降低，着火延迟时间缩短，导致正常火焰前锋到来之前混
合气自燃。被燃油稀释的机油液滴或长链HC主要来自一下途径：一是曲轴箱强制通风；二是燃油喷射触壁使缸套上的机油油膜挣脱张力束缚，随燃油蒸发进入混合气；三是积聚在气缸、活塞、油环缝隙中的稀释机油在高温下的蒸发；四是缸内残余气体。
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