第109部分气体发动机异常燃烧的测定和可视化Word格式文档下载.docx
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增加燃气机功率的主要障碍之一是自燃，它增加了气缸压力。
为了消除这种现象，需要深入分析和理解自燃的成因。
本文通过热力学研究总结了这个问题。
研究中发动机采用了滚流式气缸充气发。
气缸压力（bar）
异常燃烧
异常燃烧是指由自燃引起的燃烧现象。
它可以导致极高的气缸压力（图1）和温度（图19）。
自燃也可能发生在某个气缸没有被火花塞引燃时，这可以用来确定异常燃烧的发生，因为它总是发生在个别气缸。
燃烧
正常燃烧
正常的和异常燃烧
图1：
异常燃烧（自燃引起的燃烧）
曲轴转角（°
KW）
自燃（火花塞点火关闭）
图2：
仅有自燃的燃烧
描述一种确定和可视化气缸自燃反应的方法
捕获自燃现象，需要将各缸的火花塞点火逐个停止，气缸压力通过石英晶体压力传感器检测。
基于气缸压力曲线的每个循环的热释放可以通过热力学计算得到。
根据热力曲线的高低，可以识别出此次循环中（B8）最佳的和最坏的气缸（B2），在此周期（图3）。
比较5倍于气缸数的个工作循环，单次的燃烧，差异还不够明显（图4）。
图4：
1个周期的热释放
火花塞点火关闭后的自燃热释放，1个周期
曲轴转角
通过人工观察比较100个工作循环又不太可能（图5）。
图4:
5循环的热释放
火花塞点火关闭后的自燃热释放，5循环，B1至B8缸
火花塞点火关闭后的自燃热释放，100循环，B1至B8缸
图5:
100循环的热释放
100循环的热释放，只显示最大值
火花塞点火关闭后的自燃热释放，100循环，只显示最大值
只有将计算的最大值（图6），按照数值排布成容易理解的图表。
图像可以明显的快速识别最坏的自燃气缸（用蓝色曲线指示）和最好的气缸自燃强度较低的（用暗绿色曲线指示）。
这个过程可以由软件自动完成。
图7：
:
100循环的热释放，最大值分布
循环
火花塞点火关闭后的自燃热释放，100循环，最大值分布
调查自燃的起因：
为了排除由于火花塞引起的自燃因素，有几个气缸使用仿制品（没有预燃室、没有电器部件）替代火花塞（如图8）
图8:
仿制火花塞
在2500kw发动机功率工况下使用热电偶测得燃烧室的平均温度范围为260℃～340℃。
在这种情况下，装有仿制火花塞的气缸自燃时的平均燃烧室温度不足180℃，图9所示在光标处平均燃烧室温度从180℃上升到195℃（见橙色线波峰处）。
图9:
B2缸的自燃（装防止火花塞），功率为：
2500kw
如此底的自燃温度，我们可以排除自燃是源于气缸内炙热表面的推论。
我们的假设是自燃的起因是油滴引起的。
自燃的来源显然不是火花塞。
实验证明气缸在没有失火且灼热的火花塞的情况下依然发生了自燃。
下面的幻灯片显示4400千瓦的发动机装有仿制火花塞（图10）和装有普通火花塞（图11）的状况，其具有相似的特征。
图10：
装防止火花塞的自燃热释放
装防制火花塞的自燃热释放，100循环，最大值分布
图11：
装正常火花塞的自燃热释放:
装正常火花塞的自燃热释放，100循环，最大值分布
自燃的强度和时间与功率强度有关。
其原因是由于伴随着功率增加而来的爆发压力的提高，显然不是因为温度的升高。
进气温度恒定，压缩空气峰值温度也就恒定，因为压缩空气峰值温度仅取决与压缩比。
这就是说，自燃的主要原因是由于随负荷增加而增加的进气压力。
图12示出了额定功率的影响强度。
不同功率下的自燃热释放，最大值分布
图12：
不同功率下的自燃热释放:
调查自燃时间
在排除了火花塞引起自燃的可能之后，进一步的，对正常条件下（装有火花塞）的研究也已经完成。
目标是研究自燃的发生时间。
通过快速定时阻燃或关闭火花塞。
因此火花塞点燃和自燃就被区别开来。
仅改变功率，自燃时间随功率增加而提前。
（图13）
图13：
火花塞关闭点火时，不同功率下的自燃的起始点
图13不同功率时自燃的起始时间
在4400kw额定功率，火花塞点火和自燃的间隔角度提高到平均10°
。
自燃开始于火花塞点火之后（图14）。
火花塞点火和自燃的间隔（4000kw）
图14：
火花塞点火和自燃的起始点
为了覆盖两种点火，点火正时从上止点前25°
调整到15°
，图15所示点火几乎同时发生。
气缸压力，放热量和放热率如图16，17和18所示。
图15：
火花塞点火和自燃几乎同时发生
火花塞点火和自燃同时发生
图16：
火花塞点火和自燃同时发生时的缸压曲线
火花塞点火和自燃都发生，点火提前角15°
火花塞不点火只有自燃
图17：
火花塞点火和自燃的热释放
图18：
火花塞点火和自燃的热释放率
结果证实了这个理论：
与只发生自燃的气缸相比，自燃和火花塞点火同时存在时的燃烧时间更短。
平均缸内指示压力IMEP增加0.6bar。
IMEP（25°
CA
BTDC）=
20.9bar
IMEP（15°
20,2bar
IMEP（无火花塞）=19.6bar
可以得出结论，自燃和火花塞点火同时存在时，燃烧时间缩短，这导致效率提高，且发动机依然“正常运行”。
抑制气缸内极高温度和压力峰值的措施
为了避免自燃引起的较高的气缸温度和压力峰值，可采取一下措施：
·
快速减小个别气缸的点火正时；
关闭个别缸的点火；
减小点火提前角是最稳健的首选的操作，因为燃气每循环都会被燃烧，几乎没有未燃气体排出气缸。
只有在非常危险的情况下才推荐使用关闭点火的措施。
一种快速延迟点火定时的例子：
在4400千瓦的运行情况，气缸B2燃烧室平均温度由于自燃上升到420℃，通过快速延迟点火正时（10°
上止点前），可以看到图19中光标位置的橙色线所示的温度迅速降低到可承受值以内。
图19：
自燃引起的气缸温度的变化对火花塞点火延时的影响。
影响自燃的不同因素
空气燃料比
自点火的增加与减少了NOx的排放。
原因是自燃使增压压力提高，空燃比提高，因此缸内峰值压力也随之升高。
下图显示了自燃对空燃比的影响。
图20：
使用仿制火花塞，不同空燃比对自燃的影响
涡流：
有涡流进气道的发动机一般自燃的发生概率比滚流气道低。
总之涡流强度越低自燃就越严重。
（图21和22）影响可能是油滴由于离心力的作用聚集在缸垫附近。
高涡流时的自燃情况
热释放，按照数值大小列出了最大值
图21：
高涡流时的自燃
不同类型滑油和滑油质量的影响
期间对不同型号的滑油进行了研究。
图23和图24证明了发动机的自燃现象受滑油型号的影响。
滑油质量也是影响自燃的重要因素。
如图25和26所示，使用特殊的气缸替代传统气缸后自燃现象显著增加，特别是在高工况下。
使用特标准滑油的自燃
图23：
使用标准润滑油的自燃情况
使用特殊润滑油的自燃
图24：
使用特殊润滑油的自燃情况
装传统气缸套的自燃
装特殊气缸套的自燃
图25装传统气缸套的自燃（一个气缸）
图26：
装特殊气缸套的自燃（一个气缸）
使用光纤进行研究
为了进一步找出自燃的原因，研究中采用了光纤。
光纤安装在一个特制的导管中安装在仿制火花塞和气缸衬垫上部。
（图1至4）
光纤
照片1：
装有光纤的和火花塞的导管
火花塞
仿制火花塞
照片2：
装有仿制火花塞和光纤的导管
照片3：
装有光纤的气缸
照片4：
装有光纤的气缸和火花塞导管（最终装在气缸盖上
测得一个循环内不同位置的光信号，只有每个循环的第一个可见光是对评估自燃位置有价值的。
第一个可见信号指示了自燃的主要区域。
各个气缸第一个发生自燃的位置投影在气缸盖底部的相应位置（图27）。
“冷”区域
进气门
排气门
图27：
各个气缸第一次可见自燃的来源和数量（%）（火花塞关闭，4600kw）
图28：
装火花塞的气缸的自燃（火花塞关闭）
第一次可见光信号的位置和数量
与我们预期相反的是，最大的数值（34.9%）位置在“冷”进气门（“0”和“P”）而不是在排气门的“热”区域或火花塞附近。
现在很明显，不能通过降低热表面积降低自燃现象，重要的是滑油的质量和滑油在燃烧室内分布的位置。
这也就是说，如果有滑油存在，在任何位置的热度都将引发自燃。
燃烧室表面的温度已经足够“热”。
在不同负荷工况下，第一个可见信号的位置也及其相似（图28）。
各个气缸第一次可见自燃的位置和数量（%）（火花塞关闭）
装火花塞的气缸的自燃（仿制火花塞）
装有仿制火花塞的气缸自燃也大多发生在“冷”区域。
不同负荷可见信号发生的区域也相同（图29）。
图29：
各个气缸第一次可见自燃的位置和数量（%）（仿制火花塞）
结论：
这里介绍的分析自燃现象的方法是恰当的。
自燃的强度和时间随发动机输出和空燃比的提高而增长。
火花塞不影响自燃现象，通过优化火花塞改善自燃现象是没有必要的。
油滴是影响自燃的显著因素。
因此滑油型号和滑油质量是重要的因素。
燃烧室局部的高温不能解释自燃现象。
自燃发生在非常低的平均燃烧室温度情况下（低于180℃），高工况时也发生在“冷”的区域。
自燃使燃烧期缩短，起到了积极的作用。
异常燃烧时，使点火时刻靠近自燃时刻，可以使燃烧更稳定。
降低平均燃烧室燃烧温度和燃烧室峰值压力：
通过快速点火延时。
降低自燃：
通过使用特殊的润滑油或增强涡流。
术语：
ACCT平均燃烧室温度
BTDC上死点前
B1，B2气缸号。
B1，B2
CA曲轴转角
DQH热释放率
IMEP平均指示压力
PCP气缸峰值压力
QH热释放量
SI火花塞点火
λ空燃比
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