內燃機爆震與缸內溫度之間的相互作用

內燃機缸內溫度與爆震之間是否存在相互作用的關系？早期人們研究內燃機爆震時，將目光集中在燃料成分和燃料添加劑的作用上，也有人將爆震的分析與燃燒室形狀結合起來。然而，今天內燃機網分析的這篇文章是將爆震與缸內未燃混合氣溫度與爆震結合起來。

主要內容

1、火花點燃發動機與爆震

2、爆震的一些知識

3、爆震抑制方法

4、爆震的研究

5、爆震與內燃機熱力學參數的關系

1、火花點火發動機與爆震

說起內燃機爆震，不得不先說一下火花點燃發動機。

為了實現高發動機效率的目標，火花點火發動機需要以相對高的壓縮比運行，并且通過火花正時得到最大制動扭矩（MBT）。然而，這種操作經常導致爆震的發生。

2、爆震的一些知識

眾所周知，Knock會導致發動機損壞，并降低發動機性能和效率。爆震通常被定義為在燃燒完成之前剩余的未燃燒氣體的自燃。

對于足夠的剩余未燃燒氣體，這種自燃可能導致快速放熱，高氣缸壓力和壓力波動。

反過來，這些壓力波動可能導致氣體運動強烈，從而減小邊界層厚度。邊界層厚度的這種減小可能導致局部高熱傳遞，使得發動機部件可能經受熱受損。

爆震壓力波動可能導致發動機部件振動，這可能導致結構損壞。發動機部件的振動可能導致可聽噪聲，通常被描述為爆震或砰砰聲。通常，需要避免影響發動機耐久性和操作效率的爆震。

3、爆震抑制方法

今天的大多數汽車發動機都配備了爆震傳感器，以便快速調節發動機參數以避免爆震。調節（例如延遲點火正時）發動機參數將降低發動機性能和效率。

4、爆震的研究

顯然，燃燒過程中未燃燒氣體（末端氣體）的熱力學狀態將與爆震的發生直接相關。氣缸壓力和未燃燒區域中的氣體溫度都將起重要作用。

一些最早的作品旨在了解燃料成分和燃料添加劑的作用。其他工作旨在了解爆震現象的基本原理，并開發詳細和簡化的化學動力學機制來解釋與爆震相關的化學反應。

最近，Kasseris和Heywood?報道了使用汽油 – 乙醇混合物的直噴式火花點火發動機的充氣冷卻對爆震極限的影響。2014年，Millo等人描述了將循環到循環變化與現象學爆震模型耦合的方法。Galloni等人報道了使用多維計算模型確定爆震發生與燃燒室幾何形狀之間關系的工作。雖然這些以前的作品提供了豐富的信息，但仍然缺乏對爆震現象的完整理解。這很大程度上歸因于爆震的復雜性。

眾所周知，相同設計的發動機可具有不同的爆震特性。甚至給定發動機的不同汽缸也可能導致不同的爆震特性。這些差異證明了爆震的復雜性。

5、爆震與內燃機熱力學參數的關系

那么，發動機的熱力學參數與爆震之間有什么關系呢？接下來，分析一下兩者的關系。

火花點火式內燃機的效率提升通常受到爆震的影響。爆震可能導致發動機損壞，性能降低和效率降低。

研究中將簡單的爆震模型與綜合發動機循環模擬結合起來，以確定發動機熱力學與爆震之間的相互作用。這項工作探討了發動機參數的影響，如壓縮比（4-12）， 轉數（rpm），入口壓力（50-100 kPa），廢氣再循環（0-25％），燃燒持續時間和爆震時的熱傳遞。在每種情況下，爆震的發生與氣缸壓力和未燃燒區域的氣體溫度都有關。例如，對于12的壓縮比，為了避免爆震，由于延遲燃燒，制動器熱效率從36.5％降低到34％。

研究方法

本研究的主要思想是量化發動機熱力學對爆震發生的作用。為了更好地區分這個角色，各個發動機參數保證單一變量。例如，燃燒持續時間保持恒定，而諸如壓縮比和發動機速度的參數是變化的。另外，即使未燃區的質量接近零，也認為發生了爆震。在實踐中，對于足夠低的未燃燒質量，可能不會檢測到爆震。一些作者提出，在燃燒質量分數為93％后，無法檢測到爆震。然而，考慮到即使未燃區的質量接近于零也發生爆震，會讓研究與先前的研究更加一致。最后，以下結果不一定旨在提供爆震預測，而是為了說明爆震傾向。對于預測能力，需要針對具有爆震實驗數據的特定發動機校準所概述的方法。

總結和結論

循環模擬與簡單的爆震模型相結合，以探索發動機的熱力學和爆震的相互作用。由于預期爆震是未燃燒混合物的熱力學狀態的相關函數，因此這些相互作用是顯著的。這項工作的一些成果：

在這項工作中發動機排量是5.7升，8缸。參數變化包括：壓縮比為4-12;?發動機轉速為500-2500 轉;?入口壓力為50-100??kPa;0-25％冷卻的EGR。

隨著溫度和壓力的降低，反應時間迅速增加。對于仿真中的邊界條件，壓縮比降低時壓力的降低似乎是造成大部分反應時間增加的原因。

提出了幾種方法來說明爆震的發生：

1. 將（未燃燒氣體的）復合反應時間與經過的時間進行比較。對于復合反應時間相對于燃燒結束時的經過時間太長的情況未指出爆震。
2. 爆震積分表示為曲柄角的函數。對于在燃燒結束前爆震積分未達到1.0的情況，未指示爆震。
3. 使用參數空間作為燃燒開始的函數來說明爆震和非爆震條件的區域。

• 正如所料，增加壓縮比，降低發動機轉速，增加入口壓力和降低EGR水平導致更多的爆震傾向。這些效應被量化并且與所述操作條件的發動機熱力學相關。
• 對于上述參數變化，為了避免爆震，需要延遲燃燒開始（相對于MBT定時）。由燃燒開始延遲引起的制動熱效率降低被量化。例如，對于12的壓縮比，為了避免爆震，由于燃燒的延遲，內燃機指示熱效率從36.5％降低到34％。
• 對于所檢查的條件，為了避免在?1000rpm下爆震，由于燃燒的延遲，制動熱效率從32％降低到31.2％。
• 除了抑制爆震之外，EGR的使用使指示熱效率略微增加，原因包括略微降低的傳熱和比熱的增加。
• 爆震強度（被認為與爆震發生時剩余的未燃燒燃料成比例）隨著壓縮比和EGR的降低而增加。對于所檢查的條件，爆震強度范圍為0至約60％。
• 所提出的方法證明了將熱力學理解與簡單的爆震模型相結合的效用。雖然不一定具有預測性，但這種方法提供的見解可能有助于指導發動機設計人員。

參考文獻：Caton J A. The interactions between IC engine thermodynamics and knock[J]. Energy Conversion & Management, 2017, 143:162-172.