不同压缩比发动机爆震倾向的试验＊

郑传现

（安徽水利水电职业技术学院机械工程系，安徽合肥 231603）

0 引言

发动机爆震就是当混合气尚处在压缩过程中，火花塞还没有跳火时，高压混合气就达到了自燃温度，并开始猛烈燃烧的不正常燃烧现象。与正常燃烧相比，爆震时混合气压缩程度及燃烧速度都很快并产生高温高压，强烈的爆震将降低发动机的输出功率，爆震产生的压力波直接冲击到气缸盖和活塞的顶面，产生“哒哒”的金属敲击声，同时燃烧室内各零件的温度急剧上升［1－2］。

发动机压缩比的变化是导致爆震现象的原因之一，但是压缩比的变化也是提高发动机功率的重要手段，所以爆震是技术进步的一个障碍。本文主要从3个方面来研究3种不同压缩比（分别为9.0，9.3，9.5）的发动机爆震，从而获得发动机爆震倾向的基本规律。

1 爆震试验

1.1 试验原理

压缩比是发动机中一个非常重要的概念，压缩比表征了气体被压缩的程度，它是气体压缩前的容积与压缩后的容积之比，即气缸总容积与燃烧室容积之比，一般用ε表示。

式中，Va为气缸总容积，Vh为气缸工作容积，Vc为燃烧室容积。

为了保证在排量不变的前提下改变发动机的压缩比，可以通过改变活塞销孔的位置来实现压缩比的变更。如图1所示，通过调整活塞销孔位置，使其在原来位置向活塞顶部上移Δh，从而增大了燃烧室的容积，即上式中的Vc增大，由于曲柄连杆机构并没有发生任何变化，即上式中的Vh没有发生变化，因此最终导致压缩比ε减小。

图1 压缩比调整示意图Fig.1 Adjustment of compression ratios

1.2 爆震倾向试验对比

1.2.1 点火提前角的对比 点火提前角是评判爆震倾向最直接的一个指标。在同转速同负荷的情况下，点火提前角越大，发动机相对爆震的倾向越小［3］。全负荷时3种压缩比的点火提前角对比如图2所示。

图2 全负荷时点火提前角对比Fig.2 Comparison of sparking angles on full load

从图2可以看出，当发动机转速在2 500r／min以下时，压缩比为9.3的发动机点火提前角最大，而发动机相对爆震倾向最小；发动机在高速运行时，压缩比为9.0的点火提前角最大，而发动机相对爆震倾向最小；从总体上看，压缩比为9.0，9.3的点火提前角相差不太大，而两者均大于压缩比为9.5的点火提前角。

1.2.2 最大爆发压力对应曲轴转角的对比 理论上最大爆发压力所对应的曲轴转角为12°～15°，此时输出扭矩达到最大值。在标定过程中，可以将最大爆发压力尽可能地逼近这个角度。如果有爆震的影响，则爆发压力所对应的曲轴转角会相应地增大［4］。最大爆发压力所对应的曲轴角度越小，所反应的爆震倾向越小。最大爆发压力对应曲轴转角的对比如图3所示。

图3 最大爆发压力对应角度对比图Fig.3 Comparison of corresponding angles with maximum explosion pressure

从图3可以得出，发动机转速在2 000r／min以下时，最大爆发压力所对应的曲轴角度差别不是很大，压缩比为9.3的要略小于其他两者；发动机转速在2 000r／min以上时，压缩比为9.0的最大爆发压力所对应的曲轴角度要明显小于其他两者。

1.2.3 压力升高率的对比 压力升高率表征的是发动机工作粗暴的程度。振动和噪声水平、火焰传播速率与压力升高率密切相关。压力升高率太低，则动力性不足；压力升高率太高则工作粗暴，引起爆震［5］。为了保证汽油机工作柔和、动力性能良好，一般压力升高率为1.75～2.5bar／deg。由于试验中已经规避了爆震，因此压力升高率越接近2.5bar／deg，则抗爆震的潜力越大。3种压缩比的压力升高率对比如图4所示。

从图4可以得出，发动机转速在2 000r／min以下时，3种压缩比的压力升高率比较相近；发动机转速在2 500r／min以上时，压缩比为9.0的压力升高率要明显高于其他两者，表明抗爆震的潜力越大；从总体来说，压缩比为9.3的压力升高率居于压缩比为9.0和9.5之间。

图4 压力升高率对比图Fig.4 Comparison of pressure rise rate

2 结论

从上述爆震倾向试验的对比分析可得出以下的结论。

（1）发动机在整个转速区内，压缩比为9.0的发动机爆震倾向最小，尤其是在中高速时表现得更为明显。

（2）发动机在低速时（速度＜2 000r／min），压缩比为9.3的发动机爆震倾向要好于其他两者；发动机在整个转速区内，压缩比为9.3的发动机爆震倾向处于中等，与压缩比为9.0的相近，但爆震倾向要略大一些。

（3）发动机在整个转速区，压缩比为9.5的发动机爆震倾向最高。

［1］ 全国汽车标准化委员会.GB／T 18297—2001汽车发动机性能试验方法［S］.北京：国家质量技术监督局，2001.

［2］ 郑伟光.汽车发动机构造与维修［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［3］ 高永兴.双VVT高增压高压缩比直喷汽油机的抗爆震性能研究［D］.上海：上海交通大学，2012.

［4］ 李永池，王志海，邓世春.爆炸和冲击工程力学近期研究进展［J］.中国科学技术大学学报，2007，37（10）：1172－1180.

［5］ 范志强，高德平，覃志贤，等.机匣包容性破坏势能法的试验验证［J］.燃气涡轮试验与研究，2006，19（2）：26－29.

［6］ 李深，赵峰，付晓丹，等.混合动力轿车非平原地区工况燃油消耗试验研究［J］.汽车技术，2011（7）：47－50.

［7］ 丁玉祥.汽车发动机爆震量化方法研究［J］.工业技术，2012（6）：89.

［8］ 万曼影，王俊雄，邓真全，等.汽车发动机的爆震分析与控制［J］.噪声与振动控件，2001（6）：42－46.