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一般认为早燃是超级爆震的根源，而影响早燃的主要成因是机油、沉积物和缸内热力状态，即具体可概括为发动机设计因素和运行参数两大类因素。本篇介绍清华大学齐运亮博士对不同早燃成因下的超级爆震特性的研究成果，即机油喷射参数、炽热颗粒的温度和粒径对早燃及超级爆震的影响规律。 模拟试验台架 下图展示了超级爆震发动机模拟试验台架。主要包括单缸发动机、测功机及其控制系统、燃油供给系统、机油喷射系统、炽热颗粒引入系统、发动机电控系统（ECU）、缸压及燃烧数据采集系统。因现代汽油机一般难以抵抗长时间高强度爆震，为便于试验研究，发动机选用结构强度较高的ZS195单缸四冲程柴油机改造而成，试验中使用进气道喷射方式供油，机油直接喷射的方式模拟机油进入燃烧室，炽热颗粒也直接引入燃烧室。发动机ECU专门设计，除常规控制功能外，还可以实现汽油喷射、点火、机油喷射等定循环数控制。 基准试验条件 超级爆震一般发生低速大负荷工况，因此本文将发动机基准试验条件为转速1200r/min，节气门全开，燃空当量比ϕ=1，火花塞点火时刻为上止点后5°CA。下图给出了基准试验条件下的缸压和放热率曲线。图中显示后燃现象较为严重，这主要是由于：点火时刻在上止点后，活塞下行过程中，缸内温度逐渐下降，不利于火焰传播；试验发动机未对原机螺旋进气道进行改造，缸内涡流较强，火焰传播速度较慢、燃烧持续期拉长。图中还显示放热率曲线在上止点前10°CA时开始缓慢上升，但在上止点后又缓慢下降。这是由于试验发动机压缩比较高，混合气中部分组分发生低温反应放热造成的。 机油喷射参数的影响 01 喷射时刻的影响 这里只考虑机油在压缩上止点前进入燃烧室的情况。下图给出了典型的在压缩上止点前不同时刻喷射机油的缸压和放热率曲线。机油稀释率为25%、喷射压力4MPa、喷射脉宽800μs。可以看出，所有机油喷射时刻条件下都产生了早燃并导致了爆震，而且除上止点前60°CA外，其他喷射时刻条件下的压力升高幅度都超过了5MPa，直接验证了机油液滴进入燃烧室是引起发动机早燃并导致超级爆震的因素之一。此外，随机油喷射时刻推迟，爆震峰值压力及压力升高幅度逐渐增加，但在机油喷射时刻从上止点前40°CA继续推迟到上止点前30°CA后，爆震峰值压力及压力升高幅度略有下降。 02 喷射量的影响 在实际喷射过程中，缸内温度、压力不恒定，较难测量实际喷射量，因此使用喷射脉宽作为衡量喷射量参数。所用机油的稀释率为25%。下图给出了800μs内不同机油喷射脉宽对早燃及爆震特征参数的影响。总体上看，随喷射脉宽增加，CA10和爆震始点CAko逐渐提前并向上止点靠近，爆震峰值压力和压力升高幅度逐渐增加。 03 稀释率的影响 下图给出了不同机油稀释率对早燃及爆震特征参数的影响。可以看出，稀释率为25%时，早燃后的CA10和CAko最早且最靠近上止点，爆震后的峰值压力和压力升高幅度也最高。随稀释率增加，CA10和CAko逐渐推迟并远离上止点，爆震峰值压力及压力升高幅度则逐渐降低。 炽热颗粒的影响 试验中使用了活性炭颗粒作为模拟沉积物脱落后形成的固体颗粒。由于试验台架中，颗粒由进气道引入，被经由进气道喷射的汽油润湿而降低了在气流中的跟随性，进入燃烧室较难且温度下降。因此，试验中观察到的早燃及超级爆震频次较低。 01 颗粒温度的影响 为尽量消除进入气缸的活性炭颗粒温度的不确定性的影响，下图给出了基准测试条件下，引入不同加热温度活性炭颗粒后，早燃时刻最早的一个循环下的缸压和放热率曲线，活性炭粒径为0.15mm。可以看出，炽热颗粒是潜在的早燃源之一。预期随活性炭颗粒温度升高，早燃时刻提前，爆震强度增加。 02 颗粒粒径的影响 下图给出了基准测试条件下，引入不同粒径活性炭颗粒后，早燃时刻最早的一个循环下的缸压和放热率曲线，活性炭初始温度为370℃。可以看出随粒径减小，早燃时刻推迟，爆震强度降低。当粒径减小到0.05mm 时，已经不能引起早燃。这说明则固体颗粒若要能引起早燃，则必须要有足够大的粒径。 参考文献： 齐运亮. 汽油机超级爆震机理的试验研究[D].清华大学,2014. |
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