汽油机爆震燃烧的危害及控制措施

科技信息2013年第1期

ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ

随着汽油机技术的迅猛发展，汽油机强化程度不断提高，其主要表现形式是汽油机的压缩比有增大的趋势。由于汽油辛烷值达不到高压缩比汽油机的需要，常给汽油机的正常工作带来一些问题，爆燃就是其中危害最大的一种不正常燃烧。

1爆燃产生的机理

爆燃是由于早燃烧的部分气体膨胀压缩未燃部分的混合气，使其温度上升到自燃温度，而突然全部着火造成的[1-2]。由汽车发动机燃烧理论可知，当气缸中的可燃混合气被电火花点燃之后，形成火焰传播，它是以10～30m/s的速度进行的。火焰前方的未燃混合气因受已燃混合气的压缩和热辐射，压力和温度都相应地升高，发生了化学反应，称为焰前反应。如果火焰及时传到，并把它引燃，直到燃烧完为止，这就是正常燃烧。但在某种条件下，燃烧的进行离开了正常的过程，有时离火花塞最远部分的混合气还未等到正常的火焰前锋到达，就已完成了化学准备过程而自行燃烧。这个因自燃而形成的火焰中心（有时不止一个）产生新的火焰传播，这种火焰传播的速度达到1500～2000m/s，使未燃的混合气瞬间燃烧完毕。由于这种燃烧极为迅速，气体容积来不及膨胀，而温度和压力则急剧增加，因此，压力来不及传给气缸其他部分气体，形成气缸内局部气体压力过高，因压力不平衡而产生压力波。这种压力波以超音速的速度向前推进，撞击燃烧室壁、活塞、气缸壁，而使之振动，发出尖锐的敲缸声，这种现象称为爆震燃烧，简称爆燃或爆震。

2爆燃的危害

2.1发动机功率下降

当发动机产生爆燃时，燃烧室内局部区域的压力和温度很高，但其作用时间极短，并且不在整个活塞上方起作用，因而爆燃时对外做功少；而带有冲击性的压力波不仅会使一部分能量消耗在零件的变形和压力波的反复振荡上，而且燃烧产物的热分解还要消耗一部分热量，这些能量都不能回收利用。同时，由于传给冷却系统的热量增多，做功的能量进一步减少，所以爆燃时发动机功率降低，燃油消耗率明显增大。此外，燃烧室内部高温引起燃烧产物加速离解成CO、H2等，严重时也析出碳粒，因而热效率下降。

2.2加速机件的损坏

爆燃将会引起发动机温度过高，使机油粘度降低，油膜不易形成，缸体抗腐蚀作用几乎不存在，这样就会加剧发动机各机件的腐蚀磨损。此外，爆燃时产生的压力波增加了发动机零件的冲击负荷，尤其增大了曲轴及活塞连杆组的机械负荷，使活塞、连杆轴承和主轴承磨损加剧，造成轴承合金表面破裂。同时，局部高温易使活塞、气门烧坏以及产生火花塞绝缘体被击穿等现象。据试验统计，严重爆燃时发动机的磨损量是正常燃烧磨损的27倍，由此可见，爆燃严重影响发动机的使用寿命。

2.3发动机过热

燃烧室内可燃混合气燃烧后的正常温度可达2000℃～2500℃，而活塞顶部、燃烧室壁及气缸壁等表面的温度为100℃～300℃。与高温气体接触的机件表面能够维持较低温度的原因之一是在这些壁面上形成一种气体附面层，它能阻止燃气向壁面过多地导热。在发生爆燃时，气缸内局部压力和温度剧增，并产生了强烈的冲击波，由于压力波和灼热气体对壁面的反复冲击，破坏了缸壁等表面的附面层，高温的燃气向气缸壁等表面传热量增加，导致气缸等机件的温度升高，因而可造成发动机过热。2.4燃烧室积碳增多

由于爆燃时的局部高温作用，使燃烧产物发生热分解，析出游离碳。游离碳粘附在气缸盖、活塞、气门及气门座上，成为积碳的一部分。对于汽油发动机，积碳沉积在活塞顶部及燃烧室中会使燃烧室的容积变小，使发动机压缩比相对地提高。同时，由于积碳传热性差，使发动机工作时产生白炽热点，易使气缸受热不均而产生裂纹。燃烧室内某些部位积碳过多，积碳吸收的热量积存下来，形成高温热面或热点，极易点燃混合气，引起发动机早燃。早燃会使发动机的功率下降（损失约2～15%），同时高温工质与壁面接触时间延长，壁面吸收热量明显增加，又引起下一工作循环早燃。早燃的自强化作用，使得早燃的发生越来越早，其结果可能导致活塞烧蚀。更为严重的是，早燃故障在发动机大负荷工作时难以判别，因此这时发动机有着被报废的潜在危险。此外，由于膨胀过程中气缸体的温度和压力下降很快，游离碳来不及还原为CO2，而随废气排入大气中，造成排气管冒黑烟，发动机HC化合物排放量剧增，形成环境污染。

3爆燃的控制措施

3.1使用规定牌号的汽油

评定汽油抗爆性的指标是辛烷值，汽油牌号就是按辛烷值划分的。汽油机对辛烷值的要求主要取决于汽油机的压缩比，对于一定压缩比的发动机，使用燃料的品质对爆燃是否发生及其强度有决定性的影响。因此，必须使用符合制造厂家所规定辛烷值的汽油。使用辛烷值低的汽油容易产生爆燃现象；汽油辛烷值越高，其抗爆性越好，发动机工作时就不容易产生爆燃。而无法按规定使用燃油的车辆，应在加注燃油的同时按比例添加抗爆剂，使之减少爆燃。

3.2选择最佳点火提前角

点火提前角调整不当会影响发动机工况和最大动力性的充分发挥。点火特性与发动机的良好匹配，是发动机正常工作的一个重要因素。每种发动机都有其最佳的点火调整特性，选择最佳点火提前角，也就是使发动机发挥最高的热效率，而比油耗最小。如果点火时间提前，气缸内的温度和压力过早升高，具备了生成过氧化物的条件，因而易产生爆燃。此时，可调整分电器的辛烷值选择器，使点火提前角减小些，这样可有效地控制爆燃。最佳点火提前角应为：当汽车行驶中急加速时，能听到短暂轻微的敲击声，而加速平稳后敲击声随即消失；当敲击声连续不断，则点火时间过早；若完全听不到敲击声，则点火时间过迟。

3.3清除燃烧室内沉积物

燃烧室沉积物的导热系数比钢铁小50倍，导热性很差。因此，燃烧室沉积物的存在会使发动机冷却效果下降，提高了终燃混合气温度，增加爆燃倾向。另外，当燃烧室及活塞顶部沉积物增多时，由于燃烧室容积相对缩小，使压缩比相对增大，也会增加爆燃倾向。试验表明，当汽车行驶1600km后，燃烧室沉积物厚度达到0.5mm以上，此时要求汽油辛烷值提高10～15个单位才能避免爆燃。因此应定期清除燃烧室、活塞顶、气门座、气门头等处的积碳。经常使用燃油辛烷值过低的车辆，应定期使用清洁剂，它可以有助于减少积碳和沉积物的形成。

3.4合理驾驶汽车

发动机负荷及转速对汽油机的爆燃影响很大。负荷越大越容易引发爆燃，因为负荷大，如起步、爬坡及超负荷工作时，需要使用浓混合气，使爆燃倾向增大；转速增加，可提高火焰传播速度，使吸入空气温度增高，爆燃倾向减小。例如，汽车爬坡时，有许多驾驶员常采用强行冲坡，此时节气门处于全开状态，易于产生爆燃。正确（下转第158页）

汽油机爆震燃烧的危害及控制措施

张勇陆克久

（中国人民解放军蚌埠汽车士官学校，安徽蚌埠233011）

【摘要】汽油机爆燃具有较大的危害，是发动机工作时的一种不正常燃烧现象。本文分析了汽油机爆燃产生的机理及其对发动机的危害，提出了在使用过程中控制汽油机爆燃的具体措施。

【关键词】汽油机；爆燃；危害；控制

通信作者：陆克久，中国人民解放军蚌埠汽车士官学校。

○机械与电子○

127