爆震现象

1 发动机爆震

1.1 爆震产生原理及特征

爆震是发动机运行时一种不正常燃烧的现象。发动机正常燃烧时，火花塞接到ECU 的点火信号后,对可燃混合气进行点火，火焰从火焰核心（离火花塞近的可燃混合气）以30～40m/s 的速度，向四周的未燃烧的混合气区传播，使燃烧室内混合气循序燃烧，直至结束。汽油机发生爆震时，在汽油机燃烧室内火焰传播过程中，远离火花塞的未燃混合气（末端混合气），被已燃混合气的膨胀所压缩，此处的局部温度由于热辐射作用而超过燃料的自燃温度，从而产生自发反应，形成一个或多个火焰核心，这时末端混合气在正常火焰传播到以前先行发火燃烧。这种自行发火燃烧会发出极强的火光，燃烧温度常在4 000 ℃以上，火焰传播速度达200 ～1 000 m/s 以上，比正常燃烧的火焰传播速度高数倍甚至数十倍。当正常燃烧和爆震两个方向相反的燃烧压力波相遇时，会产生剧烈的气体震动，并发出特有的金属撞击声，所以称为“爆震”。

轻微的爆震无法被人的感官所察觉，在此我们称它为‘无感爆震’，因此当你能感觉得到引擎爆震所产生的噪音和震动时，这时的爆震情况已经严重得超乎你的想象，我们称它为“有感爆震”。生有感爆震时，发动机有哒哒的金属敲击发动机缸体的声音，而且发动机各部件温度急剧上升，油耗增大，发动机和车身能感到震动。

至今人们对爆震的具体的产生机理还没能彻底掌握。目前大家普遍接受的有两种理论，即自燃(auto ignition)理论和爆燃(detonation)理论。下面具体阐述：

自燃理论最早在1919年由H．R．Richardo提出，这种理论认为爆震是因为气缸中远离火花塞的一部分混合气自发燃烧引起的，这部分混合气又称末端混合气。当末端混合气的温度和压力超过自燃点时，这部分混合气将自发燃烧，从而产生强烈的压力波，高频压力波向外传播而导致气缸壁尖锐的敲击声。这种理论也是目前已被广为接受。

另一种理论为爆燃理论。对预混合气的燃烧，火焰在传播过程中受到周围条件的限制，突然产生高压和高速传播的现象，火焰前峰从火花塞到气缸壁加速传播，即正常的火焰前峰由于冲击波的高压提供的能量，从亚音速转变为超音速传播，燃烧反应异常猛烈，并产生强烈的冲击波，冲击波在气缸壁之间来回反射。碰撞压力虽然持续时间短但是幅值大，从而产生尖锐的敲击声。这种理论1963年由S．Curry提出的。

爆震是指点火燃烧中本应逐渐燃烧的部分可燃混合汽突然自燃的现象。点火预提前角过大时，活塞还在压缩混合汽的过程中，混合汽已全部燃烧。压力急剧增大作用于迎面而来的活塞上，阻止活塞继续向上运动，特别是刚点燃的混合汽受到上行活塞的剧烈压缩后，使未燃烧的那部分混合汽温度升高，便会突然形成全部爆炸式的燃烧，学名称其为爆震或爆燃。爆震使发动机汽缸内发出尖锐的金属敲击声，这种钝击声音如果持续较长时间，会使发动机功率降低，燃料消耗增大，发动机过热和排气冒烟，严重时造成发动机损伤。汽油机燃烧的特点是燃烧室内有明显的火焰前锋在传播。燃烧产物的膨胀使火焰前锋急速地向前推移，致使未然混合汽受到强烈的压缩和热辐射，使距离火焰核心较远处的混合汽温度急剧地升高甚至超过燃料的自燃温度，造成这部分混合汽的着火延迟时间极大地缩短。这就促使火焰前锋到达以前，远端的混合汽已经自燃着火了，在燃烧室内形成新的火焰核心(发火点在2个以上)，这样的燃烧与正常情况完全不同。正常燃

烧过程中，火焰传播速度在28m/s左右，而在产生爆震的地方火焰传播速度可达到1000～2000m/s，促使未然混合汽瞬间燃烧完毕。由于这种燃烧极为迅速，气体体积来不及膨胀，使温度和压力急剧升高，压力来不及传给汽缸内其他部分气体，从而破坏了汽缸内的压力平衡，很高的局部压力以超音速传播，形成了强烈的冲击波。这种冲击波撞击到燃烧室壁、活塞、气门、汽缸壁，发出尖锐的金属震音，强烈时会引起发动机振动。

1.2 爆震的危害

发动机产生爆震会使发动机机工作粗爆，功率下降，燃油经济性变差，严重时甚至会损害发动机相关零部件。

（1）振动和噪音加大。发动机敲缸导致振动和噪音加大，特别是振动，会严重影响车辆的运行的平稳，怠速的时候发动机会严重抖动，使得舒适性急剧下降。由于这种非正常被点燃的可燃混合气会出超频的能量，而且在气缸内以高速传播，这样就产生了较大的压力冲击波，气缸的体积又很小，这些冲击波就在气缸壁面上反复反射，造成强大的振动并产生高频噪声，同时这种振动波的力量，是与活塞运动方向相反的，也就是说此时活塞还未完成压缩行程，仍在上行的时候，非正常点燃的混合气产生的冲击波会与活塞发生冲突，这样会导致活塞敲击缸体，即“敲缸”现象。

（2）功率急剧下降和油耗量迅速上升。爆燃会产生带有强大能量的压力波，以很高的频率对气缸壁进行反复冲击，这就使气缸壁面的气膜变薄，发动机产生的热量就会很快的通过气缸壁散发掉，造成气缸的传热损失增大，从而导致发动机功率下降，燃料消耗率上升，同时导致汽油机过热，冷却水和机油温度增高。另外，由于此时产生的能量是与活塞运动方向相反的，也就是说此时产生的是“副作用”的能量，这样的能量不仅不能用来驱动汽车，相反会阻碍发动机的运转，因此功率的急剧下降和油耗量的迅速上升就成了必然。

（3）损害汽缸壁及其他零件。如果发动机持续产生爆震，不能得以很好的解决的话，还会严重损害发动机。当爆震时，会有大量的压力冲击波对气缸壁进行反复敲击，如此大能量的冲击波反复敲击，对气缸壁油膜的破坏是相当大的，对气缸壁的损害也是相当大的，如果爆震持续时间较长，程度较严重时就会损坏发动机的相关零部件。

1.3 原因分析

造成爆震最主要有以下几点原因：

（1）点火角过于提前。点火时间过于提前，是发动机发生爆震最主要的原因。为了使活塞在压缩上止点结束后，一进入动力冲程能立即获得动力，通常都会在活塞达到上止点前提前点火(因为从点火到完全燃烧需要一段时间)。而过于提早的点火，会使得活塞还在压缩行程时，大部分油气已经燃烧，此时未燃烧的油气会承受极大的压力自燃，而造成爆震。

（2）发动机过度积碳。车子用久了以后，发动机气缸内就可能产生积碳，尤其是常常在堵车严重的城市里行驶的车子，由于汽油不能够充分燃烧，其中的碳原子和氧分子不能全部转化CO2 和CO，而是产生了碳分子粘在气缸壁上形成了积碳。碳是易燃的物质，在气缸高温高压的环境中，更是容易燃烧，所以积碳对爆震产生了“助燃”的作用，增加了爆震的可能性。当发动机出于压缩行程的时候，刚刚参与过燃烧的积炭会提前点燃混合气，从而导致爆震。

（3）发动机温度过高。发动机在太热的环境使得进气温度过高，或是发动机冷却水循环不良，都会造成发动机高温而爆震。

（4）空燃比不正确。过于稀的燃料空气混合比，会使得燃烧温度提升，而燃烧