了得網工業技術_內燃機爆震及其對燃燒室組件破壞的機理

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《內燃機爆震及其對燃燒室組件破壞的機理=Mechanism of Components Damaged by Internal Combustion Engine Knocking》可供汽車和內燃機或相關動力裝置專業的學生或研究生作為參考書使用，也可供從事內燃機生產和研究的人員在工作中參考。9787030431226

內容簡介

本書從爆震現像出發，引入爆燃轉爆轟的理論，通過對爆震後氣缸內產生的劇烈的震蕩壓力波在封閉空間中的反射和彙聚，另外針對活塞材料被爆震破壞後的金相分析，對爆震產生後對活塞材料破壞的機理開展了研究。研究結果給出了爆震破壞活塞的模式，為徹底防止爆震發生提供了新的思路。本書可供汽車和內燃機或相關動力裝置專業的學生或研究生作為參考書，也可供從事內燃機生產和研究人員在工作中參考。

前言
常用名詞縮寫
第1章緒論
1.1內燃機爆震及其危害
1.2國內外發展現狀
1.3存在的問題和展望
參考文獻
第2章內燃機爆震現像
2.1普通爆震現像
2.1.I普通爆震介紹
2.1.2普通爆震機理
2.I.3汽油機燃燒室介紹
2.2普通爆震檢測方法
2.2.1機體振動法前言

常用名詞縮寫

第1章緒論

1.1內燃機爆震及其危害

1.2國內外發展現狀

1.3存在的問題和展望

參考文獻

第2章內燃機爆震現像

2.1普通爆震現像

2.1.I普通爆震介紹

2.1.2普通爆震機理

2.I.3汽油機燃燒室介紹

2.2普通爆震檢測方法

2.2.1機體振動法

2.2.2燃燒噪聲法

2.2.3缸壓檢測法

2.2.4離子電流法

2.3超級爆震現像

2.4超級爆震成因

2.5本章總結

參考文獻

第3章爆燃及爆轟理論

3.1爆炸理論

3.2爆轟理論

3.3爆燃轉爆轟

3.3.1火焰陣面微分加速機理

3.3.2加熱和壓縮機理

3.3.3火焰陣面不穩定加速機理

3.3.4火焰陣面湍流加速機理

3.3.5內燃機燃燒室中的火焰加速

3.4兩相爆轟波的ZND模型及相關的問題

3.4.1兩相爆轟波的ZND模型

3.4.2化學反應動力學

3.5氣體—液體燃料液滴兩相繫統爆轟的研究

3.5.1兩相流體力學方程

3.5.2化學反應模型

3.6本章總結

參考文獻

第4章振蕩燃燒壓力波在封閉空間的傳播

4.1可壓縮流體中的波

4.1.1小擾動波

4.1.2馬赫波

4.1.3膨脹波

4.1.4激波

4.1.5爆轟波

4.2激波的反射

4.2.1激波的正反射

4.2.2斜激波的反射

4.3激波的聚焦

4.4本章總結

參考文獻

第5章衝擊波致燃燒室內超溫超壓形成機理

5.1熱點自燃引發爆轟機理

5.2內燃機數值模擬的理論基礎

5.2.1內燃機燃燒模型分類

5.2.2數值模擬基本控制方程

5.2.3 Fluent軟件介紹

5.3研究方法

5.4基於破膜法的衝擊波彙聚研究

5.4.1物理模型及數學模型

5.4.2邊界條件和初始條件

5.4.3錐頂型燃燒室數值模擬結果與實際破壞情況比較

5.4.4ω型燃燒室數值模擬結果與實際破壞情況比較

5.5基於總包反應的衝擊波彙聚研究

5.5.1模擬方法

5.5.2模型簡化

5.5.3爆轟波在燃燒室內的傳播特性

5.5.4過量空氣繫數對早燃的影響

5.5.5 EGR對早燃的影響

5.5.6不同燃燒室形狀對爆燃的影響

5.6本章總結

參考文獻

前言

常用名詞縮寫

第1章緒論

1.1內燃機爆震及其危害

1.2國內外發展現狀

1.3存在的問題和展望

參考文獻

第2章內燃機爆震現像

2.1普通爆震現像

2.1.I普通爆震介紹

2.1.2普通爆震機理

2.I.3汽油機燃燒室介紹

2.2普通爆震檢測方法

2.2.1機體振動法

2.2.2燃燒噪聲法

2.2.3缸壓檢測法

2.2.4離子電流法

2.3超級爆震現像

2.4超級爆震成因

2.5本章總結

參考文獻

第3章爆燃及爆轟理論

3.1爆炸理論

3.2爆轟理論

3.3爆燃轉爆轟

3.3.1火焰陣面微分加速機理

3.3.2加熱和壓縮機理

3.3.3火焰陣面不穩定加速機理

3.3.4火焰陣面湍流加速機理

3.3.5內燃機燃燒室中的火焰加速

3.4兩相爆轟波的ZND模型及相關的問題

3.4.1兩相爆轟波的ZND模型

3.4.2化學反應動力學

3.5氣體—液體燃料液滴兩相繫統爆轟的研究

3.5.1兩相流體力學方程

3.5.2化學反應模型

3.6本章總結

參考文獻

第4章振蕩燃燒壓力波在封閉空間的傳播

4.1可壓縮流體中的波

4.1.1小擾動波

4.1.2馬赫波

4.1.3膨脹波

4.1.4激波

4.1.5爆轟波

4.2激波的反射

4.2.1激波的正反射

4.2.2斜激波的反射

4.3激波的聚焦

4.4本章總結

參考文獻

第5章衝擊波致燃燒室內超溫超壓形成機理

5.1熱點自燃引發爆轟機理

5.2內燃機數值模擬的理論基礎

5.2.1內燃機燃燒模型分類

5.2.2數值模擬基本控制方程

5.2.3 Fluent軟件介紹

5.3研究方法

5.4基於破膜法的衝擊波彙聚研究

5.4.1物理模型及數學模型

5.4.2邊界條件和初始條件

5.4.3錐頂型燃燒室數值模擬結果與實際破壞情況比較

5.4.4ω型燃燒室數值模擬結果與實際破壞情況比較

5.5基於總包反應的衝擊波彙聚研究

5.5.1模擬方法

5.5.2模型簡化

5.5.3爆轟波在燃燒室內的傳播特性

5.5.4過量空氣繫數對早燃的影響

5.5.5 EGR對早燃的影響

5.5.6不同燃燒室形狀對爆燃的影響

5.6本章總結

參考文獻

第6章爆震波破壞活塞材料的失效結構分析

6.1內燃機爆震實驗裝置與方法

6.1.1內燃機爆震臺架實驗活塞所用材料

6.1.2爆震破壞活塞顯微組織結構觀察

6.2爆震活塞絕熱剪切的特征

6.2.1金屬絕熱剪切失效原理

6.2.2爆震波破壞活塞宏觀特征

6.2.3爆震波破壞活塞顯微組織及成分分析

6.2.4爆震波破壞活塞斷口掃描

6.2.5爆震波破壞活塞微觀構型

6.2.6爆震波破壞活塞微觀推演

6.3爆震破壞活塞絕熱剪切數值模擬分析

6.3.1內燃機爆震活塞破壞形式

6.3.2燃燒室結構聚能理論的引入

6.3.3爆震波對活塞剪切應力的數值計算

6.3.4爆震波對活塞絕熱剪切溫升計算

6.4爆震活塞的失效機理

6.4.1對試樣結果的討論

6.4.2爆震波作用於活塞的衝擊方式

6.4.3活塞結構受剪切應力的失效方式

6.5本章總結

參考文獻

第7章內燃機爆震的控制技術

7.1汽油機的爆震及控制

7.1.1汽油機的爆震

7.1.2普通汽油機爆震的控制

7.1.3汽油機超級爆震的控制

7.2柴油機工作粗暴及控制

7.3 HCCl等新型燃燒方式爆震及控制

7.4本章總結

參考文獻 6章爆震波破壞活塞材料的失效結構分析

6.1內燃機爆震實驗裝置與方法

6.1.1內燃機爆震臺架實驗活塞所用材料

6.1.2爆震破壞活塞顯微組織結構觀察

6.2爆震活塞絕熱剪切的特征

6.2.1金屬絕熱剪切失效原理

6.2.2爆震波破壞活塞宏觀特征

6.2.3爆震波破壞活塞顯微組織及成分分析

6.2.4爆震波破壞活塞斷口掃描

6.2.5爆震波破壞活塞微觀構型

6.2.6爆震波破壞活塞微觀推演

6.3爆震破壞活塞絕熱剪切數值模擬分析

6.3.1內燃機爆震活塞破壞形式

6.3.2燃燒室結構聚能理論的引入

6.3.3爆震波對活塞剪切應力的數值計算

6.3.4爆震波對活塞絕熱剪切溫升計算

6.4爆震活塞的失效機理

6.4.1對試樣結果的討論

6.4.2爆震波作用於活塞的衝擊方式

6.4.3活塞結構受剪切應力的失效方式

6.5本章總結

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第7章內燃機爆震的控制技術

7.1汽油機的爆震及控制

7.1.1汽油機的爆震

7.1.2普通汽油機爆震的控制

7.1.3汽油機超級爆震的控制

7.2柴油機工作粗暴及控制

7.3 HCCl等新型燃燒方式爆震及控制

7.4本章總結

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第1章緒論
1.1內燃機爆震及其危害
爆震是內燃機的一種常見的異常燃燒現像。自內燃機誕生投入使用以來，爆震燃燒便一直受到關注。影響爆震發生的因素主要有兩大類：一是發動機運轉因素；二是發動機自身的結構因素。運轉因素包括發動機轉速、負荷、燃料性質、混合氣濃度、點火時刻、冷卻水溫、進氣溫度等，結構因素則主要是發動機壓縮比、燃燒室結構、燃燒繫統材料等。運轉因素中主要的是燃料的性質，如辛烷值，而結構因素中主要的是壓縮比。近年來，石油資源日漸緊張以及環境保護要求日益突出，特別是溫室氣體的排放控制，加快了各項新技術在內燃機上的應用，特別是汽油缸內直噴、增壓、均質混合氣壓燃、多種燃料應用等。根據熱力學原理，從結構因素說，壓縮比與發動機熱效率直接相關，壓縮比越高，發動機熱效率也隨之越大。因此，為了降低燃油消耗、節約能源、提高熱效率，增加壓縮比是首要選擇。但是，增加壓縮比遇到的障礙是發動機缸內的爆震。爆震是發動機內一種常見現像，一旦發生，可以記錄到缸內壓力伴有高頻率振蕩，機外可以聽到清脆的敲擊聲，所以爆震又稱為發動機敲缸。
目前對於爆震的認識，大體認為是混合氣火焰在傳遍燃燒室之前，一部分“端氣”自燃。這部分自燃端氣量雖不多，但是由於已被高度壓縮並具有較高的溫度，一旦燃燒，速度極快，以數倍於正常火焰的速度傳播。伴隨混合氣的快速燃燒會產生一些具有很高頻率的壓力振蕩波，即所謂爆震波。這種爆震波會對活塞及其組件產生強烈的作用，這種作用的直接結果便是活塞對缸體的高頻敲擊振動。工程上就是依據發動機機體產生的振動頻率來識別爆震的發生。盡管對發動機產生爆震的準確原因尚無定論，但是目前對端氣自燃的原因大體有兩種解釋已經得到共識，一種是活塞在上行壓縮時產生的壓力波與燃燒的壓力波復合，形成對後燃燒部分的所謂“端氣”的強烈壓縮；另一種認為是首先著火的混合氣燃燒後產生了壓力波，隨著後續的混合氣逐步參加燃燒形成了馬赫效應，不斷對未燃混合氣進行壓縮。兩種說法的終結果是一致的，即壓縮的結果導致端氣自燃。爆震一旦出現，應立即改變發動機當時的運行狀態，如果長時間不改變，就會造成活塞材料的損壞，如圖1-1所示。圖1-1活塞被爆震損壞的情況
圖1-1中分別是發動機運行不同燃料造成的活塞破壞。圖1-1（a）是汽油，圖1-1（b）是柴油引燃甲醇均質混合氣，圖1-1（c）是純甲醇。由圖可見，爆震發生時對活塞材料的損壞與燃料的種類無關，隻取決於發動機發生爆震的時間和爆震發生的強度。從圖1-1可見，爆震對活塞造成的損壞是很嚴重的。圖1-1(a）中的頭道活塞環上方至燃燒室邊沿的材料已經完全燒損（見箭頭所指處）。圖1-1（b）中的活塞頭部已經部分燒熔，圖1-1（c）中的活塞則直接將頂部燒穿（可以看到下面的連杆小頭）。活塞材料一般為共晶或過共晶硅鋁合金，熔點在660℃以上，表面的氧化層燒熔的溫度超過1200℃。第1章緒論

1.1內燃機爆震及其危害

爆震是內燃機的一種常見的異常燃燒現像。自內燃機誕生投入使用以來，爆震燃燒便一直受到關注。影響爆震發生的因素主要有兩大類：一是發動機運轉因素；二是發動機自身的結構因素。運轉因素包括發動機轉速、負荷、燃料性質、混合氣濃度、點火時刻、冷卻水溫、進氣溫度等，結構因素則主要是發動機壓縮比、燃燒室結構、燃燒繫統材料等。運轉因素中主要的是燃料的性質，如辛烷值，而結構因素中主要的是壓縮比。近年來，石油資源日漸緊張以及環境保護要求日益突出，特別是溫室氣體的排放控制，加快了各項新技術在內燃機上的應用，特別是汽油缸內直噴、增壓、均質混合氣壓燃、多種燃料應用等。根據熱力學原理，從結構因素說，壓縮比與發動機熱效率直接相關，壓縮比越高，發動機熱效率也隨之越大。因此，為了降低燃油消耗、節約能源、提高熱效率，增加壓縮比是首要選擇。但是，增加壓縮比遇到的障礙是發動機缸內的爆震。爆震是發動機內一種常見現像，一旦發生，可以記錄到缸內壓力伴有高頻率振蕩，機外可以聽到清脆的敲擊聲，所以爆震又稱為發動機敲缸。

目前對於爆震的認識，大體認為是混合氣火焰在傳遍燃燒室之前，一部分“端氣”自燃。這部分自燃端氣量雖不多，但是由於已被高度壓縮並具有較高的溫度，一旦燃燒，速度極快，以數倍於正常火焰的速度傳播。伴隨混合氣的快速燃燒會產生一些具有很高頻率的壓力振蕩波，即所謂爆震波。這種爆震波會對活塞及其組件產生強烈的作用，這種作用的直接結果便是活塞對缸體的高頻敲擊振動。工程上就是依據發動機機體產生的振動頻率來識別爆震的發生。盡管對發動機產生爆震的準確原因尚無定論，但是目前對端氣自燃的原因大體有兩種解釋已經得到共識，一種是活塞在上行壓縮時產生的壓力波與燃燒的壓力波復合，形成對後燃燒部分的所謂“端氣”的強烈壓縮；另一種認為是首先著火的混合氣燃燒後產生了壓力波，隨著後續的混合氣逐步參加燃燒形成了馬赫效應，不斷對未燃混合氣進行壓縮。兩種說法的終結果是一致的，即壓縮的結果導致端氣自燃。爆震一旦出現，應立即改變發動機當時的運行狀態，如果長時間不改變，就會造成活塞材料的損壞，如圖1-1所示。圖1-1活塞被爆震損壞的情況

圖1-1中分別是發動機運行不同燃料造成的活塞破壞。圖1-1（a）是汽油，圖1-1（b）是柴油引燃甲醇均質混合氣，圖1-1（c）是純甲醇。由圖可見，爆震發生時對活塞材料的損壞與燃料的種類無關，隻取決於發動機發生爆震的時間和爆震發生的強度。從圖1-1可見，爆震對活塞造成的損壞是很嚴重的。圖1-1(a）中的頭道活塞環上方至燃燒室邊沿的材料已經完全燒損（見箭頭所指處）。圖1-1（b）中的活塞頭部已經部分燒熔，圖1-1（c）中的活塞則直接將頂部燒穿（可以看到下面的連杆小頭）。活塞材料一般為共晶或過共晶硅鋁合金，熔點在660℃以上，表面的氧化層燒熔的溫度超過1200℃。

因此，要把活塞局部燒熔並損毀，持續溫度至少高於此。我們知道，內燃機燃燒時燃燒溫度雖然超過2000℃，但是持續時間很短，僅十幾度曲軸轉角。這種瞬間的高熱不足以擊毀活塞表面氧化層，否則活塞材料不可能用現今的共晶或過共晶硅鋁合金。那麼產生具有如此巨大破壞作用的能量來自何方？另外，圖中所示的發動機都是四衝程，每兩轉纔做一次功，進氣和換氣過程對活塞具有一定的冷卻效果，也就是說，活塞在工作中每兩轉要被新鮮混合氣冷卻一次。發動機的冷卻水泵直接與曲軸相連，發動機工作時水泵持續運轉，將冷卻液送至機體的氣缸套外部和缸蓋內部，把活塞傳過來的缸內熱量帶走。但是，發生爆震時顯然氣缸內的熱量沒有被及時傳出，而被滯留在缸內。等到開始下個循環，新鮮混合氣燃燒再次對活塞進行加熱。如此循環下去，直至把活塞燒熔、燒穿。因此，爆震造成活塞材料損壞的原因具有十分復雜、尚未知曉的一面。隨著國家節能減排的要求逐步推進，以增加壓縮比來提高發動機熱效率的方法越來越被人們接受，因此，研究爆震發生對活塞材料損壞的機理，找出避免損毀的方法是當今內燃機學科一個重要的需求。

1.2國內外發展現狀

對爆震的研究由來已久。早在1919年Ricardo就提出了爆震的自燃說，Lewis和von Elbe等的補充研究證明末端氣體的急劇燃燒是因為未燃混合氣在著火前有先期反應的存在而產生的自燃性點火。20世紀40年代，Miller等［1］用更高速紋影攝影觀察缸內火焰傳播，認為存在著以超聲速傳播的波面，確立了爆震說。自燃說後來獲得了廣泛的認同，但爆震說也不能被完全否定。目前對於爆震的研究，主要關注宏觀方面，即從發動機運行狀況出發，結合粗略的模擬，研究如何通過調整運行參數抑制爆震的發生，拓寬工況［2～6］。目前得到廣泛關注的新型燃燒方式——均質混合氣壓燃（homogenous charge compression ignition，簡寫為HCCI），由於存在爆震而限制了運行範圍，對拓寬HCCI發動機的運行工況更為重要［7～9］。同時，對爆震也有大量探測技術方面的研究［10，11］，以期借助這些技術能找到爆震的成因。在研究爆震的發生、壓力波的傳導及對機械部件損壞的作用機理方面，人們采用多種技術措施，其中包括可視化技術。德國的Spicher等［12］用光導纖維的可視化研究表明，輕度爆震是從壁面上開始的；Maly和Konig等則認為爆震始於活塞、缸套和道環之間的狹縫容積中產生的熱點［13，14］。

天津大學史紹熙教授曾在20世紀90年代利用光學發動機和高速攝影技術詳細地觀察到缸內火焰傳播及爆震發生時近缸壁處末端混合氣自燃的現像［15］。近，日本的Kawahara等［16］設計了一臺以氫氣為燃料的點燃式光學發動機，拍攝到了發生爆震時爆震波的存在。近年來隨著對反應動力學研究的重視，以及探求新型抗爆劑的需要，對爆震這種主要由化學控制的自燃現像的研究也開始涉足動力學領域［17］，對爆震的發生和抗爆劑作用的機理有了更細致的了解，重點研究羥基對爆震的誘導作用，從而使從數值上準確模擬自燃的發生成為可能。采用探測氣缸中存在的自由基等化學物質還可對爆震進行激光診斷［18］。在研究爆震壓力波的傳導、熱聲耦合方面，Syrimis等［19］在燃燒室中布置了多點壓力測試傳感器，發現：在自燃的開始期，燃燒室內存在巨大的局部壓力差異。並且指出，在大多數情況下爆震所誘發的壓力波動主要表現為燃燒室內的聲學特性，通過對靠近著火點的壓力傳感器和依次對其他傳感器的測試顯示了自燃的多點特征，同時指出了壓力波傳播的方向以及壓力波特性的變化。Bradley 等［20］研究了多種燃料對爆震波的影響；天津大學舒歌群研究了缸內發生爆震時的熱聲耦合效應，並進行了三維模擬，給出了存在爆震波的缸壓曲線［21］。

1.3存在的問題和展望

雖然對爆震現像開展了大量研究，但對於爆震對活塞等機件的損壞，研究比較少，且成因尚未明了。Betz等［22］的研究認為，爆震時活塞表面溫度未達臨界值，不會造成表面熔化，表面損壞是衝擊波造成的，而Errig［23］的研究結果則相反。另外還有研究表明，發生爆震時，火焰傳播速率、傳熱率都會以非常規方式發展，導致燃燒惡化，從而對發動機造成損壞［17，24］。總之，爆震對發動機的損害是多方面因素耦合的結果，為防止爆震帶來的危害，必須對損害機理進行全面繫統的研究。綜觀國內外對發動機爆震現像的研究工作可見，重點都是集中於爆震發生的影響因素及其發生時的現像識別和如何規避。但是，關於爆震為什麼以及怎樣造成活塞材料損壞，至今尚未有過深入的研究。本書將針對發動機發生爆震時活塞材料損壞的原因進行深入研究，闡明活塞材料在爆震條件下破壞的機理，提出活塞材料在爆震發生時規避破壞的方法，為滿足增加壓縮比以提高內燃機熱效率作出貢獻。

參考文獻

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［6］肖茂宇，石磊，楊萬裡，等.增壓直噴式汽油機性能與爆震的實驗與模擬研究［J］.內燃機工程，2010，31(6):22-26.

［7］ Lv X C， Chen W， Huang Z. A fundamental study on the ignition， combustion and emissions of HCCI engines fueled with primary reference fuels.SAE Paper，2005，2005-01-0155.

［8］ Shibata G， Oyama K. The effection of fuel properties on low and high temperature heat release and resulting performance of an HCCI engine，SAE Paper，2004，2004-01-0553.

［9］侯玉春，呂興纔，俎琳琳，等.進氣噴射不同辛烷值燃料的HCCI燃燒爆震實驗分析［J］.內燃機學報，2006， 24(5):414-420

［10］高青，金英愛，孫志軍.孫濟美內燃機爆震燃燒探測及其臨界爆震判析［J］.燃燒科學與技術，2002，8(4): 381-383.

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［13］ Konig G，Maly R R，Bradley D， et al．Role of exothermic centres on knock in

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