内燃机爆震与缸内温度之间的相互作用

内燃机缸内温度与爆震之间是否存在相互作用的关系？早期人们研究内燃机爆震时，将目光集中在燃料成分和燃料添加剂的作用上，也有人将爆震的分析与燃烧室形状结合起来。然而，今天内燃机网分析的这篇文章是将爆震与缸内未燃混合气温度与爆震结合起来。

主要内容

1、火花点燃发动机与爆震

2、爆震的一些知识

3、爆震抑制方法

4、爆震的研究

5、爆震与内燃机热力学参数的关系

1、火花点火发动机与爆震

说起内燃机爆震，不得不先说一下火花点燃发动机。

为了实现高发动机效率的目标，火花点火发动机需要以相对高的压缩比运行，并且通过火花正时得到最大制动扭矩（MBT）。然而，这种操作经常导致爆震的发生。

2、爆震的一些知识

众所周知，Knock会导致发动机损坏，并降低发动机性能和效率。爆震通常被定义为在燃烧完成之前剩余的未燃烧气体的自燃。

对于足够的剩余未燃烧气体，这种自燃可能导致快速放热，高气缸压力和压力波动。

反过来，这些压力波动可能导致气体运动强烈，从而减小边界层厚度。边界层厚度的这种减小可能导致局部高热传递，使得发动机部件可能经受热受损。

爆震压力波动可能导致发动机部件振动，这可能导致结构损坏。发动机部件的振动可能导致可听噪声，通常被描述为爆震或砰砰声。通常，需要避免影响发动机耐久性和操作效率的爆震。

3、爆震抑制方法

今天的大多数汽车发动机都配备了爆震传感器，以便快速调节发动机参数以避免爆震。调节（例如延迟点火正时）发动机参数将降低发动机性能和效率。

4、爆震的研究

显然，燃烧过程中未燃烧气体（末端气体）的热力学状态将与爆震的发生直接相关。气缸压力和未燃烧区域中的气体温度都将起重要作用。

一些最早的作品旨在了解燃料成分和燃料添加剂的作用。其他工作旨在了解爆震现象的基本原理，并开发详细和简化的化学动力学机制来解释与爆震相关的化学反应。

最近，Kasseris和Heywood 报道了使用汽油 – 乙醇混合物的直喷式火花点火发动机的充气冷却对爆震极限的影响。2014年，Millo等人描述了将循环到循环变化与现象学爆震模型耦合的方法。Galloni等人报道了使用多维计算模型确定爆震发生与燃烧室几何形状之间关系的工作。虽然这些以前的作品提供了丰富的信息，但仍然缺乏对爆震现象的完整理解。这很大程度上归因于爆震的复杂性。

众所周知，相同设计的发动机可具有不同的爆震特性。甚至给定发动机的不同汽缸也可能导致不同的爆震特性。这些差异证明了爆震的复杂性。

5、爆震与内燃机热力学参数的关系

那么，发动机的热力学参数与爆震之间有什么关系呢？接下来，分析一下两者的关系。

火花点火式内燃机的效率提升通常受到爆震的影响。爆震可能导致发动机损坏，性能降低和效率降低。

研究中将简单的爆震模型与综合发动机循环模拟结合起来，以确定发动机热力学与爆震之间的相互作用。这项工作探讨了发动机参数的影响，如压缩比（4-12）， 转数（rpm），入口压力（50-100 kPa），废气再循环（0-25％），燃烧持续时间和爆震时的热传递。在每种情况下，爆震的发生与气缸压力和未燃烧区域的气体温度都有关。例如，对于12的压缩比，为了避免爆震，由于延迟燃烧，制动器热效率从36.5％降低到34％。

研究方法

本研究的主要思想是量化发动机热力学对爆震发生的作用。为了更好地区分这个角色，各个发动机参数保证单一变量。例如，燃烧持续时间保持恒定，而诸如压缩比和发动机速度的参数是变化的。另外，即使未燃区的质量接近零，也认为发生了爆震。在实践中，对于足够低的未燃烧质量，可能不会检测到爆震。一些作者提出，在燃烧质量分数为93％后，无法检测到爆震。然而，考虑到即使未燃区的质量接近于零也发生爆震，会让研究与先前的研究更加一致。最后，以下结果不一定旨在提供爆震预测，而是为了说明爆震倾向。对于预测能力，需要针对具有爆震实验数据的特定发动机校准所概述的方法。

总结和结论

循环模拟与简单的爆震模型相结合，以探索发动机的热力学和爆震的相互作用。由于预期爆震是未燃烧混合物的热力学状态的相关函数，因此这些相互作用是显着的。这项工作的一些成果：

在这项工作中发动机排量是5.7升，8缸。参数变化包括：压缩比为4-12; 发动机转速为500-2500 转; 入口压力为50-100  kPa;0-25％冷却的EGR。

随着温度和压力的降低，反应时间迅速增加。对于仿真中的边界条件，压缩比降低时压力的降低似乎是造成大部分反应时间增加的原因。

提出了几种方法来说明爆震的发生：

1. 将（未燃烧气体的）复合反应时间与经过的时间进行比较。对于复合反应时间相对于燃烧结束时的经过时间太长的情况未指出爆震。
2. 爆震积分表示为曲柄角的函数。对于在燃烧结束前爆震积分未达到1.0的情况，未指示爆震。
3. 使用参数空间作为燃烧开始的函数来说明爆震和非爆震条件的区域。

• 正如所料，增加压缩比，降低发动机转速，增加入口压力和降低EGR水平导致更多的爆震倾向。这些效应被量化并且与所述操作条件的发动机热力学相关。
• 对于上述参数变化，为了避免爆震，需要延迟燃烧开始（相对于MBT定时）。由燃烧开始延迟引起的制动热效率降低被量化。例如，对于12的压缩比，为了避免爆震，由于燃烧的延迟，内燃机指示热效率从36.5％降低到34％。
• 对于所检查的条件，为了避免在 1000rpm下爆震，由于燃烧的延迟，制动热效率从32％降低到31.2％。
• 除了抑制爆震之外，EGR的使用使指示热效率略微增加，原因包括略微降低的传热和比热的增加。
• 爆震强度（被认为与爆震发生时剩余的未燃烧燃料成比例）随着压缩比和EGR的降低而增加。对于所检查的条件，爆震强度范围为0至约60％。
• 所提出的方法证明了将热力学理解与简单的爆震模型相结合的效用。虽然不一定具有预测性，但这种方法提供的见解可能有助于指导发动机设计人员。

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