燃烧边界条件对异辛烷自燃及爆震的影响

刘昌文，马国斌，潘家营，卫海桥，胡 祯



燃烧边界条件对异辛烷自燃及爆震的影响

刘昌文，马国斌，潘家营，卫海桥，胡 祯

(天津大学机械工程学院，天津 300072)

爆震现象是限制现代高强化内燃机热效率大幅度提高的关键技术瓶颈，而目前其机理尚不完全清楚．针对高强化内燃机在低速大负荷条件下存在的爆震及超级爆震异常燃烧现象，基于一台重复性良好的可视化快速压缩机，以自燃理论与现有爆震机理为理论基础，以测量燃烧室内瞬态压力以及分析高速摄影燃烧图像为主要研究手段，开展了燃烧边界条件对异辛烷-空气混合气自燃及爆震影响的试验研究，量化研究了有效能量密度、自燃模式与爆震强度之间的影响关系，初步探索了壁面温度对爆震强度的作用机理．结果表明：在当前试验工况下，随着初始温度的提高，异辛烷自燃时刻逐渐提前，爆震强度逐渐增强并出现了超级爆震；与初始温度对自燃时刻及爆震的影响规律类似，自燃时刻、爆震特性与初始压力呈正相关性；在当量比趋近于1时，异辛烷爆震强度显著增强并出现了超级爆震，而在当量比稍浓时有所减弱；但是综合而言，相较于初始温度，爆震强度对初始压力和当量比更加敏感；同时，爆震强度与可燃混合气有效能量密度密切相关，随着有效能量密度提高，正常燃烧逐渐向强烈爆震和超级爆震转移；另外，壁面温度对爆震强度也具有重要影响，相同有效能量密度条件下，壁面温度越高，爆震强度越强，甚至会诱发超级爆震．

快速压缩机；超级爆震；当量比；能量密度；壁面温度

近年来，汽油机高强化被认为是实现内燃机热效率大幅提高的最有潜力的节能新技术．但是随着高强化程度的增加，汽油机在低速大负荷条件下往往会出现常规爆震和超级爆震等爆震现象[1-9]．爆震发生时，缸内压力峰值最高可达30MPa，压力振荡幅值超过10MPa[10]．不仅破坏发动机结构，而且还影响发动机动力性和排放特性[11-12]．爆震问题已成为限制汽油机热效率大幅提升的主要技术瓶颈．通常认为，常规爆震是由末端混合气自燃引发的高频压力振荡现象；而超级爆震是由早燃诱发的初期火焰传播并伴随更加强烈压力振荡的燃烧现象[13]，超级爆震的产生与局部“热点”自燃发展密切相关[14-21]．尽管形成机理有所不同，但常规爆震和超级爆震均是由封闭空间局部未燃气体自燃引发的、具有强烈压力振荡的异常燃烧现象．国内外对爆震现象进行了大量研究，但由于其燃烧过程错综复杂，目前仍然缺乏关于爆震机理的完整解释．基于Zeldovich[22]自燃理论，文献[14-15]开展了单热点内自燃反应波沿温度梯度传播的机理研究，提出了表征反应活性梯度和压力波/反应放热耦合的无量纲参数，将自燃模式划分为爆燃(deflagration)、发展中的爆轰(developing detonation)和热爆炸(thermal explosion)，为量化和识别不同强度的爆震现象提供了重要参考．文献[10]对发动机超级爆震发生频次进行了统计分析，认为超级爆震可能经历热点诱发爆燃到爆轰的观点，并通过高速摄影方法捕捉到局部自燃导致超级爆震的过程[17]．文献[18，21]在快速压缩机(RCM)上也观察到了异辛烷-空气混合气的爆震过程，明确了发动机的超级爆震是由于缸内混合气气相爆轰的结果．

由于爆震燃烧属于破坏性试验，试验条件较为苛刻，已有研究试验工况相对有限，如压缩上止点压力在2MPa左右、集中在化学当量比条件下，目前关于不同燃烧边界条件对爆震的影响规律缺乏全面认识，对不同爆震强度的自燃模式及其关联机制尚不完全清楚．因此，为进一步探究不同燃烧边界条件对自燃及爆震的影响，本文以异辛烷-空气预混气体为研究对象，结合缸内压力测量和高速摄影方法，在快速压缩机上进行了不同初始温度、压力、当量比和壁面温度等条件下的爆震试验．研究结果有助于发动机爆震机理的深入揭示和爆震现象的有效控制与优化．

1 试验装置和研究方法

1.1 快速压缩机试验平台

快速压缩机由高压储气罐、驱动腔、液压腔、压缩腔和燃烧室组成，试验平台如图1所示．燃烧室缸径为70mm，采用带切槽活塞以降低缸内流场的不均匀性．压缩比通过改变活塞行程和燃烧室高度调节，调节范围为6～18．试验中采用3种压缩比(10.60、13.25和17.67)，从而使得活塞到达上止点时混合气热力学条件接近实际发动机工况(上止点压力0.8～5.0MPa，上止点温度657～778K)．快速压缩机(rapid compression machine，RCM)试验平台参数如表1所示．试验所用缸压传感器为KISTLER 6045A，量程为25MPa；传感器顶面与燃烧室壁面齐平安装，以减小测量误差．电荷放大器采用KISTLER 5064C．使用星仪CWDZ11插入式PT100热电阻温度传感器测量内壁面温度，温度测量点与内壁面齐平．光学窗口采用耐高压石英玻璃，采用Photron SA-Z高速相机拍摄燃烧过程图像，分辨率为256像素×256像素，拍摄速度105帧/s，快门速度8.39ms.

试验中，采用瞬态压力传感器测定缸内压力信号，缸内温度随时间变化规律用热力学公式进行拟合．对于活塞压缩过程来说，根据绝热核心假设可以将从开始压缩至自燃时刻这一过程视为等熵压缩过程．这里自燃时刻是指压缩上止点后缸内压力快速上升的时刻．因此，缸内混合气在压缩过程中的热力学温度可以通过以下公式[18]计算：

(1)

式中：0和0分别为压缩前初始温度和压力；为比热比，是温度的函数；()为缸内压力；()为计算时刻的缸内温度．

图1 试验平台示意

Fig.1 Schematic of experimental platform

表1 快速压缩机试验平台参数

Tab.1 Parameters of RCM experimental platform

1.2 研究方法

因为发动机爆震现象是由于缸内局部未燃预混合气自燃诱发导致的剧烈压力振荡现象，所以为了将爆震燃烧细节进行“放大”，研究中采用预混压燃方式开展了类发动机不同燃烧边界条件下快速压缩机试验．试验中采用纯度大于99.0%的异辛烷和纯度99.9%的高纯空气，根据分压定律配制相应当量比的混合气，并在预混罐内静止搅拌2h以上，以保证预混完全．例如，在配制当量比为1.0的异辛烷-空气混合气时，异辛烷与空气的摩尔比为1∶59.5，采用准确度等级0.1级的ROSEMOUNT 3051压力变送器来测量各组分的绝对压力，按分压定律配制混合气，用PID温控加热带来控制预混罐内混合气的初始温度，控制精度为±1K，并用磁力搅拌器搅拌2h以上，以确保混合气预混均匀．燃烧室壁面温度通过PID温控加热带加以控制．缸内压力用NI USB 6366采集卡配合数据采集软件加以采集、显示和保存，采样率为100kHz．用压力信号触发采集，试验中压力信号触发阈值设置为1.0MPa，触发模式为参考触发．为了保证采集数据的准确性，电荷放大器与数据采集卡之间没有添加硬件滤波，防止将缸内压力本征振荡滤除．缸内压力振荡曲线由缸内压力曲线经过4～20kHz带通滤波进行快速傅里叶变换获得．

1.3 快速压缩机试验重复性验证

为了说明试验的可重复性，本文对相同爆震循环进行多次重复性试验．图2给出了初始温度initial＝333.0K、初始压力initial＝0.06MPa、壁面温度wall＝303.0K、异辛烷/空气当量比＝1.0、压缩比CR＝17.67条件下的缸内压力曲线．由图2可见，本试验工况发生了轻微爆震，最大压力峰值为4.1±0.1MPa，爆震起始时刻61.5±0.5ms，5次缸压曲线(包括压缩过程)基本吻合．图3给出了初始温度initial＝333.0K、初始压力initial＝0.08MPa、壁面温度wall＝303.0K、异辛烷/空气当量比＝1.0、压缩比为CR＝17.67的缸内压力曲线．同样地，超级爆震工况下不同测试循环的缸内压力曲线也基本吻合，包括爆震起始时刻和压力峰值．因此，尽管自燃现象具有一定的随机性，通过精确控制燃烧边界条件，可以使该快速压缩机具有很好的可重复性，可以满足不同工况下爆震试验的可重复性要求．

图2 轻微爆震工况下的重复性试验

图3 超级爆震工况下的重复性试验

2 试验结果与讨论

2.1 初始温度和压力对爆震的影响

图4给出了化学当量比条件下，不同初始温度和压力条件下的缸内压力曲线．如图4(a)所示，相同初始压力条件下，随着初始温度的提高，自燃时刻提前，爆震强度总体上呈现增强趋势．当initial＝313.0K时，缸内压力较为平滑，没有出现缸内压力振荡现象，表现为正常燃烧过程；当initial＝323.0K时，缸内压力出现了明显振荡现象，振幅KIA＞3.0MPa；随着初始温度提高至initial＝343.0K，缸内峰值压力提高至17.0MPa，压力振幅KIA＝6.0MPa．自燃时刻和爆震强度呈明显的正相关性．这与文献[20]中的结论(爆震强度与可燃混合气温度不具有单调性，当温度升高至某一程度时爆震强度反而下降)不同，主要原因是本研究温度范围较为有限，如initial＝313.0～343.0K所对应的压缩上止点温度在792.0～842.1K之间．与初始温度相比，不同初始压力条件下的自燃时刻和爆震特性表现出相似的变化规律，自燃时刻与爆震特性也呈正相关性，如图4(b)所示．但也发现，随着初始压力的提高，自燃时刻更加提前，峰值压力和爆震强度提升更加显著，例如initial＝0.14MPa条件下的峰值压力为27.0MPa，爆震强度KIA＞10.0MPa．根据文献[10]关于爆震强度定义，上述爆震现象可视为超级爆震(后文将结合可视化结果和自燃模式图对其进行进一步验证说明)．由此可见，在当前试验条件下，爆震强度随着初始温度、压力提高而增强，且初始压力对超级爆震现象的作用更加显著．

图4 初始温度和压力对爆震的影响

2.2 当量比对爆震的影响

图5给出了异辛烷-空气混合气相同热力学状态、不同当量比条件下的缸内压力曲线．如图5(a)所示，在较高初始压力initial＝0.14MPa条件下，当当量比＝0.6时，自燃时刻相对较晚，没有出现缸内压力振荡，表现为正常燃烧．当0.8时，自燃时刻明显提前，缸内压力曲线开始出现轻微压力振荡现象，此时压力峰值升高到13.0MPa．当1.0时，缸内压力出现强烈振荡，压力峰值高达26.0MPa，表现为超级爆震现象．而当1.2，可燃混合气变浓，此时自燃时刻有所延迟，但压力振荡强度并未出现明显的变化，仍然为超级爆震现象．在较低初始压力initial＝0.10MPa条件下，爆震特性随当量比的变化呈现相同的规律，但自燃时刻有所推迟，爆震强度总体减弱，最高峰值压力降低至22.0MPa，如图5(b)所示．由此可见，当≤1.0时，爆震强度随着当量比的提高而增加(特别是≥0.8)，最高压力振幅KIA≥10.0MPa；但随着当量比在较浓区增加时，爆震强度开始降低，如图5(c)所示．这说明爆震现象(尤其是超级爆震)对可燃混合气当量比非常敏感，强烈爆震倾向于发生在化学当量比以及稍浓混合气区域，此时可燃混合气的化学反应活性较强，滞燃期和放热期相对较短，有利于压力波和自燃反应放热之间的强烈 耦合[17, 21, 23]．

2.3 有效能量密度对爆震的影响

上述研究表明，初始热力学条件(温度、压力)和当量比对爆震都具有重要影响．考虑到温度、压力和当量比本质上可以反映混合气的有效能量密度，因此这里引入有效能量密度参数来统一量化不同影响参数对爆震强度的影响权重．由发动机爆震试验相关研究[7, 17-18]可知，可以根据爆震时缸内压力振荡幅值大小将爆震强度分为3个等级：0＜KIA＜0.2MPa为弱爆震，0.2MPa≤KIA＜2.0MPa为强烈爆震； KIA≥2.0MPa且峰值压力大于正常燃烧的50%为超级爆震(后面将结合可视化图像对其进行进一步说明).图6给出了混合气自燃时刻不同热力学状态下爆震强度随有效能量密度的变化规律，其中AI和AI分别为异辛烷-空气预混合气自燃时刻的温度和压力，AI为自燃时刻的有效能量密度．

图5 当量比对爆震的影响

自燃时刻有效能量密度计算式为

(2)

式中：f表示缸内混合气中实际能够参与完全燃烧的异辛烷组分的物质的量；LHV表示完全燃烧的异辛烷低热值，kJ/mol；c表示压缩上止点的燃烧室体积．由于混合气过浓时，所有燃料完全燃烧所需消耗的氧化剂含量不足，所以此时并不是所有燃料都能够完全燃烧．考虑到上述混合气过浓工况，因此本文所指的能量密度均为有效能量密度．

如图6(a)所示，有效能量密度与自燃时刻压力呈明显的正线性相关性，同时爆震强度与有效能量密度也密切相关．当有效能量密度小于31.26MJ/m3时，所有的缸内压力振幅低于0.2MPa，表现为弱爆震(或者正常燃烧)；当有效能量密度大于56.76MJ/m3时，缸内压力振幅超过2.0MPa，表现为超级爆震；当有效能量密度处于31.26～56.76MJ/m3之间时，则存在一个弱爆震、强烈爆震和超级爆震共存过渡区域．尽管有效能量密度越高，爆震强度趋于增强，但有效能量密度与自燃时刻温度之间不存在明显的线性相关性，如图6(b)所示．结合图2～图5结果可知，有效能量密度能够很好地反映不同爆震强度发生的倾向，初始压力和当量比对爆震强度的作用更加显著．

图6 爆震强度随有效能量密度的变化

研究结果表明，爆震的强度本质上取决于自燃模式[4,11,14,16,20]．为了进一步说明有效能量密度、爆震强度和自燃模式之间的关系，图7给出了4种典型的不同爆震强度下的高速摄影图像．如图所示，在较低有效能量密度(AI≈26.0MJ/m3)下，缸内混合气几乎同时自燃着火，不存在自燃反应波传播现象，表现为一种准均质压燃过程；而在中等有效能量密度(AI≈35.0MJ/m3)下，缸内混合气壁面附近出现微弱自燃反应波传播，传播速度接近500m/s(低于当地声速650m/s)，表现为亚声速缓燃模式，并引发弱爆震；在中等有效能量密度下(AI≈43.0MJ/m3)，缸内混合气初期自燃反应波在沿壁面传播过程中逐渐增强(化学发光亮度增加，传播速度从亚声速向超声速转移)，表现为一种爆燃转爆轰(deflagration to detonation transition)过程，伴随强烈爆震现象；而在较高有效能量密度(AI≈59.0MJ/m3)下，初期自燃反应波直接诱发爆轰燃烧模式，传播速度高达1836m/s，接近Chapman-Jouguet爆轰速度1875m/s．由此可见，自燃模式取决于自燃发生时混合气有效能量密度，不同自燃模式诱发不同爆震强度．

图7 不同爆震强度的高速摄影燃烧图像

Gu等[15]认为自燃模式与热点内部温度梯度密切相关，中等温度梯度条件下自燃反应波能够与压力波强烈耦合，使得自燃模式向爆轰模式发展，进而导致数十兆帕的局部压力突变．为了进一步量化爆震强度和自燃模式之间的关联，这里引入Bradley爆震半岛理论中两个无量纲数和[16]，

(3)

(4)

式中：表示声速；i表示着火滞燃期；表示混合气温度；表示空间距离；0表示初始热点半径；e表示激发时间(5%放热率到最大放热率之间的时间间隔)．

根据Kalghatgi等[16]研究，这里假设温度梯度和热点半径分别为-1.0K/mm和5.0mm(前期工作[23]对其敏感性和误差进行了验证)，然后将本研究中超级爆震工况绘入-爆震半岛图．如图8所示，本研究中超级爆震循环基本集中在发展中的爆轰区域(developing detonation)及上边界附近，进一步说明高有效能量密度条件下的超级爆震处于发展中的爆轰模式，这与前文分析结果相对吻合．对于上述结果合理的解释如下：因为局部自燃会引发局部压力突变，压力波向前传播提高焰前未燃混合气温度、压力等热力学状态，致使其着火滞燃期缩短；有效能量密度越高，压力波越强，使得焰前未燃混合气滞燃期越短，从而促进了自燃反应放热和压力波之间的耦合作用，使得燃烧模式转变为发展中的爆轰模式，并最终引发超级爆震[20]．

图8 爆震工况与自燃模式关系

2.4 壁面温度对爆震强度的影响

前文讨论了燃烧室内部混合气自身性质(如有效能量密度)对爆震的影响，但同时注意到，爆震时自燃位置往往发生在近壁面附近，因此有必要研究其他燃烧边界条件如壁面温度对爆震强度的影响．

图9给出了相同初始条件下(initial＝343.0K，initial＝0.10MPa，＝1.0，CR＝10.6)，不同壁面温度所对应的缸内压力曲线．如图所示，壁面温度对爆震燃烧特性具有显著影响，随着壁面温度的升高，自燃时刻显著提前，缸内压力逐渐出现轻微振荡和剧烈振荡，正常燃烧逐渐向爆震燃烧转移；最高压力峰值接近11.5MPa，压力振幅KIA＝3.9MPa．可能的原因是由于壁面温度的升高，缸内混合气散热损失减小，上止点之后缸内温度和压力有所提升，混合气反应活性增强，滞燃期缩短，从而影响自燃时刻和自燃反应波的发展．注意到大分子燃料普遍具有低温化学反应特性，随着自燃时刻的提前出现了两阶段自燃现象．因此，壁面温度对爆震的影响可能还与燃料的热化学特性有关．

图9 不同壁面温度下缸内压力变化

图10 壁面温度对爆震强度的影响及高速摄影图像

3 结 论

(1) 在当前试验工况下，随着初始温度、压力的提高以及当量比趋近于1，爆震强度显著增强并出现了超级爆震．最高峰值压力超过25MPa，压力振幅超过10MPa．相对于初始温度，超级爆震对初始压力和当量比更为敏感．

(2) 爆震强度与混合气有效能量密度密切相关．当混合气有效能量密度低于某一阈值时，不发生爆震或者只发生弱爆震；当有效能量密度高于某一阈值时，总是出现超级爆震现象；中等有效能量密度条件可以诱发不同的爆震强度．爆震强度主要取决于自燃模式，超级爆震对应于发展中的爆轰燃烧模式．

(3) 壁面温度对爆震也具有重要影响．相同初始条件下，壁面温度越高，爆震强度越强，并有可能诱发超级爆震．主要原因归咎于燃烧室近壁面边界层温度梯度分布规律．这为有效抑制发动机爆震提供了重要理论指导．

［1］ 张志福，舒歌群，梁兴雨，等. 增压直喷汽油机超级爆震现象与初步试验[J]. 内燃机学报，2011，29(5)：422-426.

Zhang Zhifu，Shu Gequn，Liang Xingyu，et al. Super knock and preliminary investigation of its influences on turbocharged GDI engine[J]. Transactions of CSICE，2011，29(5)：422-426(in Chinese).

［2］ 李 英，滕 勤，张 健. 增压直喷汽油机超级爆震研究进展[J]. 内燃机与动力装置，2013，30(5)：51-57.

Li Ying，Teng Qin，Zhang Jian. Research progress of super knock in turbocharged GDI gasoline engine[J]. I. C. E & Powerplant，2013，30(5)：51-57(in Chinese).

［3］ Winklhofer E，Hirsch A，Kapus P，et al. TC GDIengines at very high power density-irregular combustion and thermal risk[C] // SAE Paper. Detroit，Michigan，USA，2009：2009-24-0056.

［4］ Kalghatgi G T，Bradley D，Andrae J，et al. The nature of 'superknock' and its origins in SI engines[C] // IMechE Conference on Internal Combustion Engines. Performance，Fuel Economy and Emissions. London，UK，2009：259-269.

［5］ Amann M，Alger T，Mehta D. The effect of EGR on low-speed pre-ignition in boosted SI engines[J]. SAE International Journal of Engines，2011，4(1)：235-245.

［6］ 高 健，续 晗，姚安仁，等. 锥顶型封闭空间内爆轰波汇聚实验研究[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版，2018，51(9)：912-918.

Gao Jian，Xu Han，Yao Anren，et al. Experiment on convergence of shock wave in cone-roof close space[J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2018，51(9)：912-918(in Chinese).

［7］ 陈 锐，张鹏飞，潘家营，等. 丙烷自燃特性及爆震机理的试验研究[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版，2018，51(12)：1217-1222.

Chen Rui，Zhang Pengfei，Pan Jiaying，et al. Experimental study of spontaneous combustion characteristics and knocking mechanism of propane[J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2018，51(12)：1217-1222(in Chinese).

［8］ 陈 锐，董 凯，宫 雨，等. 二次喷射对火花辅助压燃燃烧及爆震特性影响的试验研究[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版，2019，52(2)：157-165.

Chen Rui，Dong Kai，Gong Yu，et al. Experimental investigations on the effects of split injection strategy on combustion and knock characteristics in a SACI engine[J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2019，52(2)：157-165(in Chinese).

［9］ 李志锐，华剑雄，卫海桥，等. 直喷汽油机爆震试验与一维模拟研究[J]. 燃烧科学与技术，2018，24(3)：238-244.

Li Zhirui，Hua Jianxiong，Wei Haiqiao，et al. Experimental and 1-D simulation studies of gasoline direct ignition engine[J]. Journal of Combustion and Technology，2018，24(3)：238-244(in Chinese).

［10］ Wang Z，Liu H，Song T，et al. Relationship between super-knock and pre-ignition[J]. International Journal of Engine Research，2015，16(2)：166-180.

［11］ Wang Z，Liu H，Reitz R D. Knocking combustion in spark-ignition engines[J]. Progress in Energy and Combustion Science，2017，61：78-112.

［12］ Ceschini L，Morri A，Balducci E，et al. Experimental observations of engine piston damage induced by knocking combustion[J]. Materials and Design，2017，114：312-325.

［13］ 王 志，龙 岩，王建昕. 增压汽油机中早燃和超级爆震的研究进展[J]. 汽车安全与节能学报，2015，6(1)：17-29.

Wang Zhi，Long Yan，Wang Jianxin. Research progress of pre-ignition and super-knock in boost gasoline engine[J]. J Automotive Safety and Energy，2015，6(1)：17-29(in Chinese).

［14］ Bradley D，Morley C，Gu X J，et al. Amplified pressure waves during autoignition：Relevance to CAI engines[C]// SAE Technical Papers. Detroit，Michigan，USA，2002：2002-01-2868.

［15］ Gu X J，Emerson D R，Bradley D. Modes of reaction front propagation from hot spots[J]. Combustion and Flame，2003，133(1)：63-74.

［16］ Kalghatgi G T，Bradley D. Pre-ignition and 'super-knock' in turbo-charged spark-ignition engines[J]. International Journal of Engine Research，2012，13(4)：399-414.

［17］ Wang Z，Qi Y L，He X，et al. Analysis of pre-ignition to super-knock：Hotspot-induced deflagration to detonation[J]. Fuel，2015，144：222-227.

［18］ Qi Y L，Wang Z，Wang J X，et al. Effects of thermodynamic conditions on the end gas combustion mode associated with engine knock[J]. Combustion and Flame，2015，162(11)：4119-4128.

［19］ Robert A，Richard S，Colin O，et al. LES study of deflagration to detonation mechanisms in a downsized spark ignition engine[J]. Combustion and Flame，2015，162(7)：2788-2807.

［20］ Pan J Y，Shu G Q，Zhao P，et al. Interactions of flame propagation，auto-ignition and pressure wave during knocking combustion[J]. Combustion and Flame，2016，164(3)：319-328.

［21］ 齐运亮，王 志，何 鑫，等. 基于快速压缩机的超级爆震研究[J]. 工程热物理学报，2016，37(8)：1789-1795.

Qi Yunliang，Wang Zhi，He Xin，et al. Research on super knock using a rapid compression machine[J]. Journal of Engineering Thermophysics，2016，37(8)：1789-1795(in Chinese).

［22］ Zeldovich Y B. Regime classification of an exothermic reaction with nonuniform initial conditions[J]. Combustion and Flame，1980，39(2)：211-214.

［23］ Pan J Y，Ma G B，Wei H Q，et al. Strong knocking characteristics under compression ignition conditions with high pressures[J]. Combustion Science and Technology，2018，190(10)：1786-1803.

Effects of Combustion Boundary Conditions of Iso-Octane Air Mixture on Auto-Ignition and Knock

Liu Changwen，Ma Guobin，Pan Jiaying，Wei Haiqiao，Hu Zhen

(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Engine knock is a major technical obstacle to achieving significant improvements in thermal efficiency in modern downsized internal combustion engines. As yet，we lack a thorough understanding of its mechanism. In this study，we investigated abnormal combustion phenomena involving knock and super-knock in downsized internal combustion engines under low speed and high load conditions. Specifically，we conducted experiments on the effects of the combustion boundary conditions of iso-octane air mixtures on auto-ignition and knock. In the experiments，we measured the transient pressure in the combustion chamber of a rapid compression machine and then analyzed high-speed photographic combustion images，based on the auto-ignition theory and our current understanding of the knock mechanism. In addition，we quantitatively studied the mutual influences of the effective energy density，auto-ignition mode，and knock intensity，and explored the operating mechanism involved in the effect of wall temperature on knock intensity. The results show that with increases in the initial temperature，the iso-octane’s auto-ignition timing gradually advances and knock intensity is gradually enhanced with super-knock occurring under these experimental conditions. The effect of initial temperature on the auto-ignition timing and knock are similar，with both being positively correlated with the initial pressure. As the tendency of the equivalence ratio moves to 1，the iso-octane knock intensity is significantly increased and super-knock occurs，and is conversely weakened when the equivalence ratio is slightly rich. However，knock intensity is generally more sensitive to the initial pressure and equivalence ratio than the initial temperature. Engine knock is closely associated with the effective energy density of the mixture，i.e.，as the effective energy density is increased，a transition occurs from normal combustion to conventional knock and super-knock. In addition，wall temperature has a significant influence on knock intensity，i.e.，under the same effective energy density conditions，a higher wall temperature leads to stronger knock intensity and can even induce super-knock.

rapid compression machine；super-knock；equivalence ratio；energy density；wall temperature

the National Natural Science Foundation of China(No.91641203，No.51706152)，the Natural Science Foundation of Tianjin，China(No.18JCQNJC07500，No.17JCZDJC31500).

TK401

A

0493-2137(2019)09-0941-08

2018-09-25；

2018-11-21.

刘昌文（1963—），男，博士，教授，liuchangwen@tju.edu.cn.

潘家营，jypan@tju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(91641203，51706152)；天津市自然科学基金资助项目(18JCQNJC07500，17JCZDJC31500).

10.11784/tdxbz201809077

(责任编辑：金顺爱)