汽油机爆震燃烧的成因及预防策略分析

冯朝阳 王湉湉 王驰恒

摘 要：从1886年至2020年汽车工业取得了蓬勃发展，对人们的生产生活产生了重要影响。经过上百年的发展，汽车的各项技术业已完备，但爆震燃烧问题一直尚未根除，即生活中的敲缸、叫杆。其对发动机缸体造成损坏，对车辆的动力性、排放性造成很大影响。文章深度阐述了爆震燃烧的形成过程，危害，检测诊断方法及不同因素对预防爆震的影响。

关键词：汽油机;爆震燃烧;压缩比;爆震传感器

中图分类号：U464.171  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）10-130-03

Analysis on the Cause of Detonation Combustion of Gasoline Engineand its Prevention Strategy

Feng Zhaoyang， Wang Tiantian， Wang Chiheng

（School of Automobile， Chang'an University， Shaanxi Xi'an 710064）

Abstract： From 1886 to 2020， the automobile industry has made a vigorous development， which has an important impact on people's Production and living. After hundreds of years of development， the car technology has been complete， but the detonation combustion problem has been difficult to solve， that is， in the life of the cylinder， called the rod. It causes damage to the engine block and has a great impact on the power and emission of the vehicle. In this paper， the formation process of detonation combustion， detection methods，hazards， and the influence of different factors on the prevention of detonation are described in depth.

Keywords： Gasoline engine; Detonation combustion; Compression ratio; Knock sensor

CLC NO.： U464.171  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）10-130-03

前言

汽油機爆震燃烧的定义（简称：爆震）是指在压缩行程终了时，火花塞点火之后，在火焰前锋面从火花塞处向活塞顶部推进时，当火焰还未燃至末端混合气之前，因受到缸内热辐射和压缩作用的影响，使得末端混合气温度、压力升高而导致自行燃烧的现象^[1]。在现代汽车设计中，常会受到排放等相关法规的制约。企业为了降低油耗，提高汽车动力性，通常会采用增大压缩比的方法，但压缩比的增大又会使得汽车爆震加剧。故此研究发动机的爆震现象对发动机的动力性、排放性、安全性及行车舒适性有十分重要的影响。

1 爆震产生的机理及影响

柴油发动机采用压燃的着火燃烧方式，与此不同，汽油发动机的点火由安装在缸盖上的火花塞点燃的。图1为汽油发动机工作循环图。在进气行程，伴随着曲轴旋转带动活塞下移，凸轮轴推动摇臂摆转，进而向下推开进气门。使得气缸内部容积变大，缸内压力、温度减小。汽油与空气形成的均质混合气在真空吸力的作用下进入气缸。在压缩行程结束时，火花塞点燃均质混合气使其燃烧放热，并推动活塞做功，实现热工转换。正常燃烧时，火焰是从火花塞头部依次点燃混合气直至末端混合气燃尽。一般火焰燃烧可以分为三个阶段：滞燃期、急燃期、后燃期。在滞燃期时，火花塞跳火形成火焰核心，但由于燃烧不剧烈缸内压力基本保持不变;在随之而来的急燃期中，火焰快速传播至烧遍整个燃烧室，缸内压力也急剧升高;在后燃期，燃料燃烧殆尽，而气缸壁和缝隙处的少量未燃气体分解，继续燃烧。

爆震便出现在以上所述的急燃期中，在火焰极速传播的过程中，末端混合气受火焰前封面的影响而自燃，形成新的火焰核心。局部火焰压力过高，与附近气压极不平衡，使得火焰前锋面以超音速传播开来，急剧而又猛烈的完成燃烧，这便是爆震产生的根源。爆震产生后，缸内燃烧速度极快，甚至可达1000m/s以上，比正常火焰传播速度高几十倍，造成巨大的温度和压力梯度，形成缸内压力冲击波，如图2所示。

轻微爆震时，可燃混合气末端气体自行燃烧的部分较少，燃烧速度快，发动机功率提升。但当发生剧烈爆震时，会对车辆产生巨大的危害。

①敲缸现象严重，发动机磨损加剧。剧烈的冲击波不断撞击气缸壁面，传出高频、清脆的金属敲击声。冲击波的撞击会加剧气缸、活塞、主轴承等零部件的磨损，同时破坏气体附面层，机件直接与高温燃气接触，使得气门等部件烧蚀，严重影响发动机寿命。

②发动机性能指标下降。当发生爆震时部分燃料的化学能并未转化为推动活塞运动的有用功，而是消耗在了压力冲击波与气缸壁、活塞等部件的碰撞中。同时较多的热量传给冷却系，使得原本用以做功的热量再进一步减小，发动机动力性降低，耗油量上升，燃油经济性下降。

③发动机燃烧室的积碳增加，汽车排气管冒黑烟，补燃增加，排出气体的温度升高。因爆震而急剧上升的缸内温度，使得燃烧产物发生了热分解，生成了游离态的碳。部分游离碳附着在进排气门和活塞上形成积碳，还有部分与废气一同排出，使得排气冒黑烟。

2 爆震的检测

在通过提高压缩比，增大点火提前角以获得汽车的较好的动力性、经济性的同时，必须考虑到爆震的检测与预防这一问题。检测发动机爆震的方法有3种：检测发动机燃烧室压力的变化、检测发动机缸体震动频率、检测混合气燃烧噪声。在日常的检测过程中主要依靠爆震传感器，如图3来完成。

以下简述在生活中因爆震而敲缸的实例与相应的检测诊断措施。在汽车运行过程中，相信很多驾驶员都经历过，当在常用挡由较低车速快速加速时，可以听到发动机传出有类似金属敲击的“嘎嘎嘎”的清脆的响声。此时，稍稍抬起加速踏板，响声便会减小或消失，复踩踏板时便又会出现了。倘若遇到上述情况时，不妨停车片刻，适当减小点火提前角后重新加速行驶。如果响声减弱且随着行驶速度的提高而逐渐消失，那么此时便可断定上述声响乃是由发动机敲缸而非其他异响。

一般加装爆震传感器便可自动完成爆震的检测，其作用是：可以使发动机工作在稳定在最佳点火提前角附近，以获得较优的燃料使用特性和发动机的动力性。如若发动机点火提前角过大，则此时活塞正处于压缩行程，即相当于为活塞提供了向下的反向推力，做负功;最高燃烧压力上升，压力升高率进一步提升，循坏热效率降低，工作粗暴，发动机机械负荷和热负荷增大。当点火提前角过大时，易出现爆震，发动机磨损加剧，性能下降。若发动机点火过晚时，则燃烧过程迟后，虽可降低爆震倾向，但较多的混合气在膨胀过程中燃烧，补燃增加，散热损失增加，循环热效率降低^[2]。

如图4的检测原理，当汽车发动机出现振动或敲缸时，爆震傳感器中的压电陶瓷产生一个电压峰值，其值随敲缸或震动程度的增强而升高。随之将此电压信号传输至ECU中，对接收到的爆震传感器传输的电压信号进行检测处理，如果判断爆震产生，则将通过推迟点火时刻，阻止发动机继续爆震。当ECU没有接收爆震传感器的信号时，则将点火时刻提前，保证输出发动机的最佳功率。以四缸发动机为例，爆震传感器常安装于1，2缸中的一个，3，4缸中的一个，或2缸与3缸之间。爆震传感器中的压电陶瓷因发动机抖动而产生了微弱的电信号，之后，电流信号经由被屏蔽线包裹的连接线传递并经过滤波、整流后，传送至ECU，从而使ECU可以调整点火提前角。

3 影响爆震的各种因素分析

①燃料辛烷值。汽油抗爆性的优劣是以其含异辛烷的体积分数来评定的，汽油所含辛烷值越高，抗爆能力越强。为延长发动机使用寿命，降低爆震，车主应在可承受范围内选取辛烷含量较高的燃油，并且应使用符合排放法规要求的正规厂家生产的汽油，以防有过多杂质。

②发动机的转速和负荷;一般在发动机低速大负荷时爆震倾向较高。此时火焰传播速度减小但发动机温度高，故爆震倾向增加，在此种情况下发生爆震时，提高发动机转速便可消除^[3]。当发动机转速较高时，气缸内气体流动速度加快，湍流火焰传播速度提高，爆震倾向降低。

③缸内末端混合气的温度和压力;因爆震为末端混合气的自燃而引起的，故如若使得末端混合气温度、压力提高，则爆震倾向加剧。当提高发动机压缩比时，缸内的温度压力升高，爆震倾向增加;当发动机积碳时，活塞上的积碳可加

热末端混合气，并且增大了发动机压缩比，爆震倾向加剧。

④气缸直径;气缸直径与火焰传播距离密切相关，气缸直径越大，火焰传播距离越长，爆震倾向加剧。

⑤电控点火系统的闭环控制;点火系的闭环控制，可使ECU能监测发动机内部的燃烧情况，根据不同状况调节点火提前角以降低汽油发动机爆震。

4 结论

爆震伴随着内燃机的出现而产生，制约着内燃机的经济性和动力性。汽车保有辆的不断提升，在电动汽车尚未大规模普及的背景下研究传统汽油车燃料的爆震燃烧具有重要意义。文章分析了爆震的产生、影响因素的基础上详述了爆震的检测方法，为车主在日常行车遇到爆震时提供了良好的解决办法。相信随着新能源的不断问世和汽车动力技术的不断革新，在汽车动力学领域会出现更多的解决车辆燃烧顽疾的有利措施。

参考文献

[1]金露平.关于汽油发动机爆震分析[J].内燃机与配件，2019（02）：113- 115.

[2] 胡乔朋.汽车爆震传感器及其测试系统研究[D].华中科技大学， 2013.

[3] 魏远飞，郭伟，侯邦明.某汽油发动机爆震问题分析与解决[J].汽车实用技术，2019（08）：130-132.