《内燃机爆震及其对燃烧室组件破坏的机理=Mechanism of Components Damaged by Internal Combustion Engine Knocking》可供汽车和内燃机或相关动力装置专业的学生或研究生作为参考书使用，也可供从事内燃机生产和研究的人员在工作中参考。9787030431226
第1章绪论
1.1内燃机爆震及其危害
爆震是内燃机的一种常见的异常燃烧现象。自内燃机诞生投入使用以来，爆震燃烧便一直受到关注。影响爆震发生的因素主要有两大类：一是发动机运转因素；二是发动机自身的结构因素。运转因素包括发动机转速、负荷、燃料性质、混合气浓度、点火时刻、冷却水温、进气温度等，结构因素则主要是发动机压缩比、燃烧室结构、燃烧系统材料等。运转因素中最主要的是燃料的性质，如辛烷值，而结构因素中最主要的是压缩比。近年来，石油资源日渐紧张以及环境保护要求日益突出，特别是温室气体的排放控制，加快了各项新技术在内燃机上的应用，特别是汽油缸内直喷、增压、均质混合气压燃、多种燃料应用等。根据热力学原理，从结构因素说，压缩比与发动机热效率直接相关，压缩比越高，发动机热效率也随之越大。因此，为了降低燃油消耗、节约能源、提高热效率，增加压缩比是首要选择。但是，增加压缩比遇到的最大障碍是发动机缸内的爆震。爆震是发动机内一种常见现象，一旦发生，可以记录到缸内压力伴有高频率振荡，机外可以听到清脆的敲击声，所以爆震又称为发动机敲缸。
目前对于爆震的认识，大体认为是混合气火焰在传遍燃烧室之前，一部分“端气”自燃。这部分自燃端气量虽不多，但是由于已被高度压缩并具有较高的温度，一旦燃烧，速度极快，以数倍于正常火焰的速度传播。伴随混合气的快速燃烧会产生一些具有很高频率的压力振荡波，即所谓爆震波。这种爆震波会对活塞及其组件产生强烈的作用，这种作用的直接结果便是活塞对缸体的高频敲击振动。工程上就是依据发动机机体产生的振动频率来识别爆震的发生。尽管对发动机产生爆震的准确原因尚无定论，但是目前对端气自燃的原因大体有两种解释已经得到共识，一种是活塞在上行压缩时产生的压力波与燃烧的压力波复合，形成对最后燃烧部分的所谓“端气”的强烈压缩；另一种认为是首先着火的混合气燃烧后产生了压力波，随着后续的混合气逐步参加燃烧形成了马赫效应，不断对未燃混合气进行压缩。两种说法的最终结果是一致的，即压缩的结果导致端气自燃。爆震一旦出现，应立即改变发动机当时的运行状态，如果长时间不改变，就会造成活塞材料的损坏，如图1-1所示。图1-1活塞被爆震损坏的情况
图1-1中分别是发动机运行不同燃料造成的活塞破坏。图1-1（a）是汽油，图1-1（b）是柴油引燃甲醇均质混合气，图1-1（c）是纯甲醇。由图可见，爆震发生时对活塞材料的损坏与燃料的种类无关，只取决于发动机发生爆震的时间和爆震发生的强度。从图1-1可见，爆震对活塞造成的损坏是很严重的。图1-1a）中的头道活塞环上方至燃烧室边沿的材料已经完全烧损（见箭头所指处）。图1-1（b）中的活塞头部已经部分烧熔，图1-1（c）中的活塞则直接将顶部烧穿（可以看到下面的连杆小头）。活塞材料一般为共晶或过共晶硅铝合金，熔点在660℃以上，表面的氧化层烧熔的温度超过1200℃。
因此，要把活塞局部烧熔并损毁，持续温度至少高于此。我们知道，内燃机燃烧时最高燃烧温度虽然超过2000℃，但是持续时间很短，仅十几度曲轴转角。这种瞬间的高热不足以击毁活塞表面氧化层，否则活塞材料不可能用现今的共晶或过共晶硅铝合金。那么产生具有如此巨大破坏作用的能量来自何方？另外，图中所示的发动机都是四冲程，每两转才做一次功，进气和换气过程对活塞具有一定的冷却效果，也就是说，活塞在工作中每两转要被新鲜混合气冷却一次。发动机的冷却水泵直接与曲轴相连，发动机工作时水泵持续运转，将冷却液送至机体的气缸套外部和缸盖内部，把活塞传过来的缸内热量带走。但是，发生爆震时显然气缸内的热量没有被及时传出，而被滞留在缸内。等到开始下个循环，新鲜混合气燃烧再次对活塞进行加热。如此循环下去，直至把活塞烧熔、烧穿。因此，爆震造成活塞材料损坏的原因具有十分复杂、尚未知晓的一面。随着国家节能减排的要求逐步推进，以增加压缩比来提高发动机热效率的方法越来越被人们接受，因此，研究爆震发生对活塞材料损坏的机理，找出避免损毁的方法是当今内燃机学科一个重要的需求。
1.2国内外发展现状
对爆震的研究由来已久。早在1919年Ricardo就提出了爆震的自燃说，Lewis和von Elbe等的补充研究证明末端气体的急剧燃烧是因为未燃混合气在着火前有先期反应的存在而产生的自燃性点火。20世纪40年代，Miller等［1］用更高速纹影摄影观察缸内火焰传播，认为存在着以超声速传播的波面，确立了爆震说。自燃说后来获得了广泛的认同，但爆震说也不能被完全否定。目前对于爆震的研究，主要关注宏观方面，即从发动机运行状况出发，结合粗略的模拟，研究如何通过调整运行参数抑制爆震的发生，拓宽工况［2～6］。目前得到广泛关注的新型燃烧方式——均质混合气压燃（homogenous charge compression ignition，简写为HCCI），由于存在爆震而限制了运行范围，对拓宽HCCI发动机的运行工况更为重要［7～9］。同时，对爆震也有大量探测技术方面的研究［10，11］，以期借助这些技术能找到爆震的成因。在研究爆震的发生、压力波的传导及对机械部件损坏的作用机理方面，人们采用多种技术措施，其中包括可视化技术。德国的Spicher等［12］用光导纤维的可视化研究表明，轻度爆震是从壁面上开始的；Maly和Konig等则认为爆震始于活塞、缸套和第一道环之间的狭缝容积中产生的热点［13，14］。
天津大学史绍熙教授曾在20世纪90年代利用光学发动机和高速摄影技术详细地观察到缸内火焰传播及爆震发生时近缸壁处末端混合气自燃的现象［15］。最近，日本的Kawahara等［16］设计了一台以氢气为燃料的点燃式光学发动机，拍摄到了发生爆震时爆震波的存在。近年来随着对反应动力学研究的重视，以及探求新型抗爆剂的需要，对爆震这种主要由化学控制的自燃现象的研究也开始涉足动力学领域［17］，对爆震的发生和抗爆剂作用的机理有了更细致的了解，重点研究羟基对爆震的诱导作用，从而使从数值上准确模拟自燃的发生成为可能。采用探测气缸中存在的自由基等化学物质还可对爆震进行激光诊断［18］。在研究爆震压力波的传导、热声耦合方面，Syrimis等［19］在燃烧室中布置了多点压力测试传感器，发现：在自燃的开始期，燃烧室内存在巨大的局部压力差异。并且指出，在大多数情况下爆震所诱发的压力波动主要表现为燃烧室内的声学特性，通过对靠近着火点的压力传感器和依次对其他传感器的测试显示了自燃的多点特征，同时指出了压力波传播的方向以及压力波特性的变化。Bradley 等［20］研究了多种燃料对爆震波的影响；天津大学舒歌群研究了缸内发生爆震时的热声耦合效应，并进行了三维模拟，给出了存在爆震波的缸压曲线［21］。
1.3存在的问题和展望
虽然对爆震现象开展了大量研究，但对于爆震对活塞等机件的损坏，研究比较少，且成因尚未明了。Betz等［22］的研究认为，爆震时活塞表面温度未达临界值，不会造成表面熔化，表面损坏是冲击波造成的，而Errig［23］ 的研究结果则相反。另外还有研究表明，发生爆震时，火焰传播速率、传热率都会以非常规方式发展，导致燃烧恶化，从而对发动机造成损坏［17，24］。总之，爆震对发动机的损害是多方面因素耦合的结果，为防止爆震带来的危害，必须对损害机理进行全面系统的研究。综观国内外对发动机爆震现象的研究工作可见，重点都是集中于爆震发生的影响因素及其发生时的现象识别和如何规避。但是，关于爆震为什么以及怎样造成活塞材料损坏，至今尚未有过深入的研究。本书将针对发动机发生爆震时活塞材料损坏的原因进行深入研究，阐明活塞材料在爆震条件下破坏的机理，提出活塞材料在爆震发生时规避破坏的方法，为满足增加压缩比以提高内燃机热效率作出贡献。
参 考 文 献
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