高增压汽油机爆震的可视化研究

(1. SAIC Motor Technical Center, Shanghai 201804, China；2. School of Mechanical Engineering, University of Leeds, Leeds LS29JT, UK)Abstract: Knocking was studied on a boosted single cylinder optical gasoline engine. The auto-ignition

and extreme-knock development processes have been captured in a wider view with the adjustment of engine

operating parameters and high-speed imaging technology. The combination of the recorded images and in­cylinder pressure data has provided the information for understanding the origins of the auto-ignition and the huge pressure oscillation magnitude of super-knock. The results show that the pressure oscillation and flame

image of the light knock caused by the auto-ignition of unburned end gas are remarkably different from those

of the extreme-knock caused by pre-ignition. The development modes of auto-ignition play an important role in the in-cylinder pressure oscillation magnitude, causing auto-ignition kernels to get close to but in direct

contact with the cylinder walls, therefore surface ignition can be ruled out. Auto-ignition kernels cangenerate flame propagation, which is restricted by the main flame and cylinder walls.摘要：基于一台单缸可视化汽油机研究了缸内的爆震现象。通过调节发动机运行参数及

运用高速摄影技术，在更大的观测视角内拍摄了缸内不同强度爆震的火焰发展过程。试验所 记录的图像信息结合缸内压力数据，为爆震形成的原因及强烈爆震中大幅度压力振荡波的产

生提供了分析依据。研究发现：末端气体自燃引起的轻微爆震与强烈爆震的压力振荡和火焰 图像明显不同；爆震自燃点的发展模式影响了缸内压力波的震动幅度，诱发强烈爆震的自燃点 接近缸壁区域，但并非壁面点火。自燃点可形成自燃反应锋面的扩散，其传播路径受到主火焰 与缸壁的限帝农

关键词：高增压汽油机；自燃；爆震；光学发动机Key words: highly boosted gasoline engine； auto-ignition； knock； optical engineDOI： 10. 13949/j. cnki. nrjgc. 2019. 04. 002中图分类号：TK42 &9

文献标识码：A0概述摩擦传热损失[1]-随着进气压力的提高，缸内燃烧

负荷逐步增强，导致非正常燃烧现象的出现⑵，这些

汽油机小型化是近年来降低乘用车二氧化碳排 非正常燃烧现象限制了发动机的小型强化。在近年 的高增压发动机开发过程中，研究者们相继观察到 了一种剧烈的爆震现象卩,其主要发生在发动机低

放的主要方法之一。通过减小发动机排量同时结合 涡轮增压技术达到与大排量发动机相当的转矩输

出，可以有效地提高燃油效率，同时降低泵气损失及收稿日期：2018-09-15

速、高负荷工况范围。与传统的爆震相比，超级爆震修回日期：2018-09-26作者简介：龚伟国\"959—),男，高级工程师，硕士，主要研究方向为汽油机节能技术，E-mail ：gongweiguo@saicmotor com。2019年第4期内燃机工程・9・会产生极高的缸内瞬态峰值压力，并伴随有强烈的 压力振荡，振荡幅度甚至可以 10 MPa。图1为发动机内测量所得典型非正常燃烧的缸压 。超爆震可以对气门和 塞等发动机 极大的损伤，其出现具有随机性，即出现

爆震后的连续循环可能 为正常的燃烧状态。

报道在增压发动机10 000次点 环试验中发现10〜

20

爆震。超级爆震往往 燃现象 产生，后者是描述缸内自燃 内燃机

塞点火的现象。 大量的试验发现 爆震 发动机 燃现象发生「6*， ［7］认为

爆震一定发生 L燃。然

外一 点认为，在点 刻提前的情况下，超级爆震也可能 燃出现「8］。围绕着不同种类的爆震

因的探讨是目前增压发动机开发的 热点之一。曲轴转角/(°)图1各类非正常燃烧缸压曲线对比点燃式汽油机非正常燃烧现象通常归因于缸内

非预期的自燃，其可以发生在 塞点火之前(早燃$

(近缸壁未燃气体自燃)，可以发生在

】面(例如缸壁+门$ 状态［10］。 燃通常可能但并非一定触发爆震，

随着缸内压力振荡会对发动机

损伤。

面的自燃主要 热的表面热点引起，具

续性，并可引起振幅连续扩大，通常可以通过强化

来 2。气相自燃则 缸内的热点快速放热

点燃 i的 盖 燃烧室，这些热点通常是缸内 1程中温度与燃料

布不均 的局部高温富燃料区域， 些 物热点造成。自燃的发生时刻可以通过燃料在特定压力、温度变 化过程中的点火延迟时间(auto-ignition delay time)

进 ， 燃料自身的化学反应动力学过程。然而通 点

并不能解 燃过程，燃料无法在 塞点火时刻

的压力、温度条件下通过自身反应过程来实现快速自燃，因此研

极寻找

的解释。

)1］通过系的试验 ，提出了一 燃机理：附着在缸壁上的机油油膜被燃油喷

，并

在活塞环缝中，在被释放到燃烧室后，机油 的燃料滞燃期缩短并产生了早燃。文献)2］则提出了另一：

:燃烧室壁面

的 物通过燃烧循环加热后，在 下来的 环中 为热点引发 燃。 以

通过内窥镜摄影法［13］和数值模拟［14］进行了一定程

度的确认，但这些解释是否普遍存在还需要在更多 的缸内 喷增压发动机内进 验 。一方面，研究发现早燃并非一定形成爆震，

因此可以推断爆震的 燃后的热点发展过程密切的联系值 #。

通过对氢氧热点发展

的物的一维 区 #并通过试验数据计算，发现 爆震现象可能是由热点从缓燃区向爆轰区转变 的。然而通常发动机台架试验

缸内的压力，无法提供具体的缸内自燃点

的发展过程，

对缸内爆震形现象进机理的验证 #。通本文主要通 对一台 高 增 学测量技术对爆震压 学发动机内 非正常燃烧过程的高速摄影，观察 爆震与强烈爆震的发展过程，为以上爆震的机

爆震种的区分提

初步的试验 。1试验发动机一台气道喷射二冲程光学汽油发

动机［15］，试验台架如图2 。 学发动机顶部一 塞 的观察 ，并将 的顶部进

门移到了缸体的侧面，这种布局可以提供大化的可 ，有利 察通常发生在近缸壁区域的 燃。 的 学发动机具截面的进

排排气小孔，燃料 在进气内 进入燃烧室，点火燃烧 将通过缸 的排气小 入一个围绕缸壁外的容器，并通过排

排出。这一进排气结

大程度地消缸内的

，使燃烧发生在一个均匀流场的条件下。摄像系统包含了一台Photron Ultima APX-RS

CMOS高速相机，配有一个Nikon 50 mm镜头。试

验光学发动机的主要技术

主要试验 置1。试验中，光学发动机转速设置为750 r/min,采

95%异辛烷与5%正庚烷的RON95 PRF燃料，进气温度为323 K,进气压力

为0. 2MPa,进气质量流量为5. 2 g/s,混合气当量比・10・内燃机工程2019年第4期2光学发动机结表1试验发动机参数及主要试验参数设置项目参数冲程数2缸径/ mm80行程/ mm110压缩比10燃料RON95 PRF转速/(r・min#1)750进气温度/K323增压压力/ MPa0. 2当量比1图像捕捉频率/Hz10000控制为1。除特别说明外，本文中曲轴转角相位均以

压缩 点(TDC)为0g 转角，用负值点前，用正值表示上止点后。2试验结果及讨论2.1 度爆震的为了进一

解爆震现象的产生机理，本研究基于一台高增压光学单缸发动机，在更大的〕视 角内

缸内 非正常燃烧过程的 ，并结缸内压力 析比较

燃所引起的爆震 强烈爆震 。 发动机的点 正 定 在 点前2°,在该点

刻，绝大多

环都正常

:的爆震，产生强烈爆震的概率极小。3

4

是在

运行条件下采集到的 爆震强度的缸内压力 ，图中缸压

扌注的1、2、3、4为高速摄影观察点， 下文图5和图6中的第1帧、第2帧、第3帧、第4

|像相对应，具体的时刻 5和图6。图3中峰值缸压约为8MPa，在

点4之后缸压呈现 的振荡，采用2. 5〜12. 0 kHz滤波后的爆震振荡压力较 小，压力振荡幅值小于0. 5 MPa。这类小振幅爆震 通常

近缸壁未燃

在主燃 面到这自燃，主要由未燃 的温度和压力不均匀发。 外一种具有强烈压力振荡的爆震(图4)， 的缸内峰值燃烧压力接近14 MPa,最大压力振 度近7 MPa，与图3

爆震的压力振 异。由于这种压力振荡在点 t刻

，为 爆震区分,本文将其定义为强烈爆震。5

25

15曲轴转角/(°)图3

爆震循环的缸内压力

：141X2e

d±10l w8w M

Eda

6w/4H 田

煤2紫«<

25

15曲轴转角/(°)图4强烈爆震循环的缸内压力 ：2.2不同强度爆震的图；较燃所引发的 爆震与强烈爆震的

高速摄影

5和图6。借助全缸 围内的高速摄影技术，可以清晰地观察 强度的爆震发生时缸内的 燃点间的运动过程。5为 3中压力

注的 点所对应的 。

5可以清晰地

第2帧4.1ms 2点

出现 燃点，其发生在火焰前锋面将要 缸壁前的较小未燃 区域内，在下一

燃点 ，同时第二 燃点出现在 下方, 面前，自燃点附近的2019年第4期内燃机工程・11・(a)第 1帧4. 0 ms

(b)第2帧4. 1 ms (c)第3帧4. 2 ms(d)第4帧4. 3 ms

(e)第5帧4. 4 ms图5轻微爆震高速摄影图像(a)第 1帧2. 7 ms

(b)第2帧2. 8 ms (c)第3帧2. 9 ms(d)第4帧3. 0 ms

(e)第5帧3. 1 ms图6强烈爆震高速摄影图像火焰传播速度比其他方向稍慢，最后主火焰吞并了 自燃火焰。在自燃点出现时刻(对应图3中的点2)

缸内压力快速上升,但并没有引起缸内压力振荡，压 力振荡的起始点在图3中的点4时刻 ，即当火和自燃点的发展覆盖缸内绝大 区域后，产生小幅度的压力振荡。通

, 较小幅度压力振荡的爆震主要由主

面 近壁面燃

燃产生， 发生在 的期, 足够的自燃点

,

的传放热在近壁面可以 局部高压、高温区，为自燃的 提 利 。6是观察到的强烈爆震的缸内燃烧图像，与 图4中缸内压力

注的 点相对应。

〕6中可以看出强烈爆震

爆震的

发展过程截然 ，在点 的2.7 ms第1 中可以观察到第一 燃点，其靠近缸壁但并非壁面自燃，此的

处于初级发展阶段，图4中的点1处缸内压力没有明显的上升。随后更多的自燃点在第一

燃点附近出现并迅速 ， 的自燃点 并， 在第 4

刻 一 主影面 的 区，并挤压主 。在这一过程中压力上升较为缓慢，在第4

刻，可以 ：地

一 燃点位于6点

，随后的图片可以 在这一区域快速地产生 的自燃点，并随即引燃 缸内 可 区域， 缸内 压力 迅速 升，产生了第一个压力峰值。随着缸内压力波在缸内的

往复运动，造成缸内压力 的振荡变化。强烈的放热现象

和，无法 的发展程，但巨大的压力波动与剧烈的放热现象可能预

着爆轰现象的出现。2.3热点发展模式分区计算进一步处理强烈爆震的图像，可以分析缸内是 否可能存在爆轰现象。通

6中自燃［投影面积的等效 ，可以 出自燃锋面发展速度约为50m/s,因此可以排 爆轰现象。利 :献)0］提出的热点发展

区

法可以推算燃点在随后的 程中是否能够转变为爆轰现象,具体的

量 !和\"，其定义为：! = +/，a (1)\"=(厂0/+)/ #e

(2)式中，厂0为引起自燃热点的半径；#e为5%最大放热

率对 ,a为燃的 面的 速度；+为缸内热力学状态下的声速，可以用公式\")计算。+ =槡$・R・Ta

(3)式中，气体常数R = 286 J/(kg・K)；绝热指数$ =

1・4；Ta为缸内自燃时刻温度，通 燃烧模型计算，可以 约为700 K,对应状态下的声速约为

500 m/s。心的值可以通

对

的测量得到，约为50 m/so #e的计算值为0. 8%s。通 对热点 出 现的 第 一

中 的 影面 进

， 得热点的等效 约为5 mm，同文献［10］的

：中 的-0值一致。通 ，可以将图6 的强烈爆震循环用！、\"参数标示在如图7所示的热点

发展

区 ，位置为图7中 的点(10. 0,8. 3),其处于爆燃向爆轰区域转变的边界区

域。图7中所示的曲线！u和！分别为可能发生爆轰 的！上限和下限，B区为超音速爆燃区域，P区为亚 音速爆燃区域。因此在该爆震燃烧的热点发展过程 中可能转变为一种爆

，激发缸内的压力波强烈振荡。・12・内燃机工程2019年第4期图7热点发展模式分区图需要说明的是，文献)0*中建立的热点发展模

式分区图是 在氢氧化合物的一 值 基础的；而本试验中 的碳氢化合物燃烧可能改 变 区范围，同时发动机内的自燃发展过程是三 的，其同样可能

区图边界的改变。然而)0*中 的热点发展 区 仍然是一种较为方便的 揭 燃 发展的工具，为

解释爆震现象提 一 型。强烈爆震往往随着较早的 物自燃, 下缸内留有大量

的未燃 ，为自燃点发展提供能量，这是 强烈 爆震的前提 一。3(1) 比较轻微爆震与强烈爆震的图像：前者发生在燃烧的末期， 燃引起，造成的压力波动较小％

较早的自燃引起，产生强烈的压力振荡。(2) 在光学发动机内的强烈爆震过程中，自燃

点接近缸壁区域，但并非发生在缸壁上的壁面点火o燃点可以 一

的形式，该过程既是燃 面的 ，同时又

多的自燃点，其路径受到主 缸壁的限制。量强烈爆震过程中第一自燃点反应

锋面的速度，发现该速度低

速，可以排除缸内的第一自燃点 爆轰现象。通过热点发展

区法推算，强烈爆震循环位于爆燃向爆轰区域

转变的边界区域。参考文献：:1* FRASER N，BLAXILL H，LUMSDEN G，et al. Challenges

for increased efficiency through gasoline engine downsizing).*SAE International Journal of Engines，2009,2(1) : 991-1008.)2* DAHNZC#SPRCHER U.Rregularcombustionin superchargedspark ignition engines: pre-ignition and other phenomena [J.* International Journal of Engine Research， 2010， 11 ( 6 )：485-498.：3*李元平，平银生，尹琪•缸内直喷增压汽油机早燃及超级爆震试 验研究)*•内燃机工程,2012,33(5) ：63-66.LIYP#PING YS#YIN Q.Experimentalstudyonpre-ignition and mega knock in turbocharged DI gasoline engine)J* JChineseInternalCombustionEngineEngineering#2012 33(5)：63-66J [4* INOUE T，INOUE Y，ISHIKAWA M. Abnormal combustionin a highly boosted SI engine： The occurrence of super knock[C/OL*. SAE Paper，2012，2012-01-1141. ( 2012-04-16 ). https：//doi. org/10. 4271/2012-01-1141.)5* DAHNZC#HAN K#SPICHER U#etalJInvestigationson

preignition in highly supercharged SI engines )J * J SAE

InternationalJournalofEngines#2010 3(1)：214-224J*) WANG Z，LIU H， SONG T， et al. Investigation on pre-ignition andsuper-knockinhighlyboostedgasolinedirectinjectionengines

.*[C/OL SAE Paper, 2014,2014-01-1212. (2014-04-01). https：// doiorg/10.4271/2014-01-1212[7*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*)•汽车安全与节能学报,2015,6(1):17-29.WANG Z， LONG Y， WANG J X. Research progress of pre­

ignition and super-knock in boost gasoline engine]J*. Journal of Automotive Safety and Energy，2015,6(1):17-29.[8* LING Z Y，BURLUKA A. Self-ignition and knock in normally

aspirated and strongly charged SI engine[C*//Lund，Sweden：

EuropeanCombu9tion Meeting2013 #2013.*[9 HEYWOOD J B. Internal combustion engine fundamentals [M*. New York：Mcgraw-Hill，1988[10* KALGHATGI G T#BRADLEY DJPre-ignition and superknock in

turbo-charged spark-ignition engines [J*JInternationalJournalof

Engine Research，2012,13(4) ：399-414.:11* ZAHDEH A，ROTHENBERGER P，NGUYEN W，et al.Fundamentalapproachtoinvestigatepre-ignitioninboostedSI

engines]〕*. SAE International Journal of Engines，2011,4(1)： 246-273.[12* OKADA Y，MIYASHITA S，IZUMI Y，et al. Study of low-

speedpre-ignitionin boosted spark ignition engine [J * .SAE International Journal of Engines，2014,7(2) : 584-594.[3* ZACCARDI J，ESCUDIE D. Overview of the main mechanisms

triggeringlow-speedpre-ignitioninspark-ignitionengines[J* JInternational Journal of Engine Research 2015 16 (2 )：

152-165.[4*王方，王志，齐运亮，等.机油诱发增压汽油机早燃的多维模

[J*.汽车工程,2018(1):16.WANG F WANG Z QI Y L et al. Multi-dimensional

simulation on pre-ignition in supercharged gasoline engine inducedbyoildroplet[J* .AutomotiveEngineering 20!8(!)：

!-6.[15* LING Z Y，BURLUKA A，AZIMOV U. Knock properties of

oxygenatedblendsinstronglychargedandvariablecompression ratio engines[C/OL*. SAE Paper，2014，2014-01-2608. (2014- 10-13) htps：//doiorg/10.4271/2014-01-2608J