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“敲缸”还是“爆震”——汽油机不正常燃烧现象解析

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-09-28  浏览次数:586
核心提示:  1 汽油机的燃烧过程  不同于柴油机,汽油机的燃烧过程是现在缸内某点附近通过火花点火产生火焰核心,然后再以此进行火焰的
   1 汽油机的燃烧过程

  不同于柴油机,汽油机的燃烧过程是现在缸内某点附近通过火花点火产生火焰核心,然后再以此进行火焰的传播。而柴油机的燃烧过程则是喷入缸内的燃料在环境条件影响下达到自燃温度之后,再整个汽缸内同时着火进行燃烧。汽油机中的湍流火焰传播过程有别于开放式容器中的稳态湍流火焰传播,区别如下:

  1、 汽油机缸内的工质在进气及压缩过程中,随着气门开闭以及活塞运动,会产生较强的气流场,并且整个燃烧过程也会促进湍流的产生。

  2、 汽油机缸内的火焰传播过程具有非常显著的瞬态特征。

  3、 汽油机缸内的最先着火的那部分可燃气体在燃烧结束时温度最高,而最末燃烧的那部分气体则温度最低。从而造成缸内温度分布的不均。

  

 

  一般性会将汽油机的燃烧过程人为地分为三个阶段:

  第一阶段为着火阶段,为电火花跳火到火焰核心形成的阶段。电火花跳火之后,可燃混合气中并不会立刻产生火焰,会存在一定的滞后现象。该阶段通常被称作着火滞后期,该阶段与燃料自身的初始条件、物理性能、化学性能、过量空气系数、缸内气流运动以及电火花点火能量等因素有关。

  第二阶段为急燃期,通常是指火焰从火焰核心开始传播,直至传播至整个燃烧室的过程。在该阶段内,压力会迅速上升。燃烧室形式、火花塞布置位置、缸内气流运动、缸内混合气成分等都会该阶段产生影响。通常选取最高温度点或最高压力点作为急燃期的末尾。

  第三阶段为后燃期,是从急燃期末尾至燃料基本完全燃烧的这一阶段。在急燃期的末尾,汽缸内已充满火焰,混合气的燃烧速率逐渐下降。活塞也向下至点运动,致使汽缸内的压力也开始下降。

  

 

  2 爆震燃烧与脉冲爆震发动机

  爆震通常是指非正常燃烧波以超音速在可燃气相混合物中传播时所产生的燃烧现象。爆震所产生的非正常燃烧波又可称作爆震波,是激波的一种。该激波的能量依靠波内高度压缩的可燃性气相混合物的化学反应来进行维持,爆震燃烧通常会造成较高的温度与压力。爆震的发生至少需要两个条件:

  1、 可以形成激波,并且产生的激波马赫数需要达到一个临界值,以便形成足够的激波强度,保证未燃气体能被激波压缩自燃着火。

  2、 燃烧释放出的能量可以维持爆震波的传播。

  脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,PDE)是一种利用脉冲式爆震波产生的高温、高压燃气来产生推力的直接反作用式推进装置。其具备结构紧凑,热效率高等优势,工作时直接利用爆震燃烧产生的爆震波来压缩气体,从而产生推力。爆震燃烧产生的爆震波可使得可燃混合气的温度及压力迅速升高。

  在脉冲爆震发动机内,爆震波以每秒数千米的速度在未燃混合气内传播,其燃烧过程接近于等容燃烧过程,有利于提高热效率。爆震波能产生较高的燃气压力比(通常不低于15—55个大气压),并且可以产生显著的增压效果。有别于传统的航空燃气轮机,爆震冲压发动机可不依赖压气机等相关部件即可达到对可燃混合气压缩的目的,简化了结构,降低了成本。

  脉冲爆震发动机的燃烧可看作一个等容非稳态的燃烧过程,具有周期性,间歇式的特点。因而其产生的推力也是间歇性的(当该爆震频率大于100Hz时,可近似认为其工作过程产生的推力为连续性的)。

  3 汽油机的不正常燃烧现象

  汽油机的不正常现象通常也包括爆震和表面点火,表面点火也可引起爆震现象,有别于脉冲爆震发动机(PDE)的“爆震”(Detonation)。按照字面意思,汽油机的“爆震”(Knocking)被称作“敲缸”更加合适。

  当汽油机出现敲缸现象时,不仅可以听到特征明显的高频敲缸声,并且可以在示功图上看到点火之后的缸内压力振荡,该振荡的压力频率同敲缸的基础频率一致。其数值与不正常燃烧时火焰锋面的传播速度以及燃烧波在缸内反射的路径相关。

  汽油机出现轻微的敲缸现象时,往往并非每个工作循环都会出现敲缸声,并且其燃烧室内压力振荡的幅值通常只有燃烧室内压力百分之几。燃烧波的波速略高于当时当地的声速(约为900m/s),大约为1000-1200m/s。在出现轻微敲缸现象时,由于燃烧速度有所提高,热效率也会得到提升。

  但是当汽油机出现严重敲缸现象时,每个工作循环都会出现敲缸声,此时燃烧波的传播速度可达1400-1500m/s,波后波前的压力比可达1.4-1.5左右。这种强烈的干扰会使传热边界层被破坏,迅速提高了传热速率。因此在出现严重敲缸现象时,发动机热效率反而会下降。

  更有害的是机体的机械负荷与热负荷都迅速增加,往往会导致机件的严重损坏。因此,严重的敲缸现象应该是被尽量避免的。如果仅从提高热效率的角度来看,一般希望汽油机在接近敲缸临界状态进行运作。

  在高速摄像机下发现,汽油机出现敲缸现象是由于正常燃烧的火焰锋面尚未达到时,末端未燃混合气处产生新的火焰核心所导致的,因此对于汽油机的敲缸现象通常用末端未燃混合气自燃的现象来进行阐述。

  

 

  4“敲缸”与“爆震”的异同

  汽油机敲缸时的燃烧波与脉冲爆震发动机的爆震波均为超声速微波,此为二者的共同点。但是如果对其燃烧特点、激波强度、激波波速进行比较,就可发现二者的差异。汽油机缸内可燃混合气的传播波速约为1800m/s,波前波后的压力比可达13左右。

  但是在实际的汽油机敲缸时,上述两项指标均比较低。在发生典型的爆震燃烧之时,但凡爆震波经过的地方,该处的可燃混合气就立即燃烧完了。但是在汽油机敲缸时,往往激波传播过去的时候,可燃混合物并没有立刻烧完,而是在激波来回反弹多次之后才燃烧完毕。

  在分析汽油机缸内可燃混合气的具体条件即可发现,此处并不会出现真正的爆震波,原因如下:

  1、 反应时间过短,汽油机每个工作循环所允许的燃烧时间仅有数个毫秒

  2、 有着强烈的非稳态特征,燃烧之后即为膨胀期,火焰的温度、压力均会迅速下降。当火焰锋面接触到汽缸壁面时,燃烧波的波速会由于壁面的冷却而迅速下降。

  3、 能量释放速率不够高,尤其是燃烧后期,由于已燃气体的掺混和壁面冷却,都使得能量减少。因此即使产生了爆震波,也没有足够的能量维持其稳定传播。

  5 结论

  综上所述,汽油机的敲缸现象可以看作是一种特殊的、不成熟的、不稳定的,尚未孕育成熟,但又面临衰减的爆震波。由于一些历史遗留问题,汽油机的“敲缸”现象多被写作“爆震”。不过目前看来,也有较多的文献逐渐将汽油机的爆震改称为敲缸了。

 
 
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