爆震 （发动机的一种不正常燃烧所产生的外部反应）

简介

发动机爆震的产生条件为点火后火焰传播期大于自燃准备时间，即：点燃混合气到火焰传遍整个燃烧室所经历的时间，大于点燃混合气到剩余的未燃混合气自燃的时间。因此，发动机爆震的产生既取决于正常点火火焰传播的速度，也取决于最后部分未燃混合气的诱导期长短和燃料自燃点的高低。而一般来说，发动机出现爆震的主要原因有燃油辛烷值过低、发动机压缩比过大、点火提前角太大、空燃比过浓、发动机温度过高等，并往往会引起发动机过热、损害机件、增加燃烧室积碳、引起早燃等。

爆震的解决和预防一般包括定期清除排积碳、加厚气缸垫或换新气缸盖以降低压缩比、使用符合发动机压缩比的汽油、保持冷却系统工作正常、保证合适的点火提前角等措施；爆震常用的三种检测方法为：检测发动机燃烧室压力的变化、检测发动机缸体的振动频率、检测混合气燃烧噪声。其中，检测发动机缸体的振动频率有着测量精度高、传感器安装方便且输出电压较高的优点，因此现代汽车广泛采用该检测方法。

基本原理

发动机爆震的本质是终燃混合气的自燃。由汽车发动机燃烧理论可知，当气缸中的可燃混合气被电火花点燃之后，形成火焰传播，以10~30m/s的速度进行。火焰前方的未燃混合气因受已燃混合气的压缩和热辐射，压力和温度都相应升高，发生了化学反应，称为焰前反应。如果火焰及时传到，并把它引燃到烧完为止，这就是正常燃烧；但在某种不正常燃烧的条件下，离火花塞最远部分的混合气还未等到正常的火焰前锋到达，就已完成了化学准备过程而自行燃烧。这个因自燃而形成的火焰中心产生新的火焰传播，传播速度为1500~2000m/s，使未燃的混合气瞬间燃烧完毕。由于这种燃烧极为迅速，气体容积来不及膨胀，而温度和压力则急剧增加，因此，压力来不及传给气缸内其他部分气体，形成气缸内局部气体压力过高，因压力不平衡而产生压力波。这种压力波以超音速的速度向前推进，撞击燃烧室壁、活塞、气缸壁，而使之振动，发出尖锐的敲缸声，这种现象称为爆震燃烧，简称爆燃或爆震。

常见特征与现象

内部特征

1. 缸内压力曲线陡升，压力升高率可达约800kPa/1℃A；

2. 缸内压力作高频大幅度波动，频率可达5～10kHz;

3. 火焰传播速度剧增。正常燃烧时火焰传播速度为10～25m/s，轻微爆震时为250～300m/s，强烈爆震时为2000～3000m/s；

4. 放热率剧增。

外部现象

1. 发动机内发生不规则的金属敲击声；

2. 发动机震颤；

3. 发动机功率下降；

4. 冷却系温度过高；

5. 冷却液温度上升；

6. 润滑油温度上升；

7. 气缸盖温度上升；

8. 油耗增大；

9. 燃料燃烧不完全，废气中有黑烟。

产生原因

产生条件

未燃混合气的自燃需要一段准备时间，如果火焰迅速传遍整个燃烧室，便来不及发生爆震。反之，则发生爆震。从点燃混合气到火焰传遍整个燃烧室所经历的时间即火焰传播期，记作t_s，从点燃混合气到剩余的未燃混合气自燃的时间，即自燃准备时间（也称诱导期），记作t_k，则发生爆震的条件为t_s>t_k。

未燃混合气的自燃与烃类的氧化特性密切联系的，燃烧过程中混合气中的过氧化物或过氧化物自由基的浓度逐渐加大，由于高压高温的影响，混合气的温度上升达到燃料的自燃点时，燃料中的过氧化物急剧分解，分支链反应使反应趋于爆炸，于是发火燃烧，产生爆震。爆震的产生既取决于正常点火火焰传播的速度，也取决于最后部分未燃混合气的诱导期长短和自燃点高低。

具体原因

燃料的燃烧性质

燃油辛烷值过低：燃料的性质是产生爆震的内因，在发动机设计和构造已确定的条件下，燃料的抗爆性好坏对产生爆震有决定性的作用。燃料的抗爆性通常用辛烷值表示，汽油的牌号就是根据其辛烷值的高低来规定的，辛烷值越高，抗爆震性越强。压缩比高的发动机，燃烧室的压力较高，若是使用抗爆震性低的燃油，则容易发生爆震。

发动机设计构造

压缩比过大：发动机的压缩比过大，压缩行程终了时气缸内混合气的温度和压力就会增高，加速了未燃混合气中过氧化物的生成和聚积，使自燃准备时间缩短，造成爆震产生。

点火提前角太大：发动机的点火提前角过大，燃烧时气缸内的最大压力增加，使压缩行程中的未燃烧的油气自燃，从而造成爆震。

气缸尺寸过大：发动机气缸尺寸过大，火焰传播的距离加长，另外由于气缸容积与传热面积的比值增加，使热能散失较慢，焰前反应的温度增加，促使爆震发生。

燃烧室形状宽阔：燃烧室形状越宽阔，火焰传播的距离越长，气体涡流减弱，使爆震更容易发生。另外燃烧室内最后部分未燃混合气的位置离排气门越近，则该部位在燃烧过程中温度较高，爆震的倾向增大。

火花塞位置偏远：火花塞的位置对爆震的产生也有影响，但不及未燃残余混合气所处温度条件的影响显著。火花塞位置使火焰传播至最后部分未燃气体的距离过短会产生爆震。

发动机操作条件

空燃比过浓：常用过量空气系数和空燃比来表示混合气浓度，空燃比即每千克燃料燃烧时实际供给空气量（单位：kg）。在一般条件下，当混合气偏浓时，燃烧气体的温度最高，压力最大（此时发动机有最大的功率），使未燃混合气的诱导期缩短，引起爆震。

进气温度过高：随着进入气缸空气温度的升高，混合气温度和发动机工作循环的温度也升高，加速了燃料焰前反应的速度，因而产生爆震。

进气压力过大：当进气压力提高时，加速混合气的焰前反应，引发爆震。

转速过小：发动机转速过小时，燃烧室内气流的紊流强度降低，火焰传播速度减缓，从而引起爆震。

冷却水温过高：冷却水的温度可以改变发动机的热状态。冷却水温越高，气缸的平均温度也越高，产生爆震的倾向也越大。

积炭严重：聚集在活塞顶和燃烧室壁上的积炭能增强爆震的倾向，积炭增加爆震的主要原因是因为积炭的导热能力很低，它粘附在燃烧室壁上起绝缘层的作用，使气缸内热量不易散失，产生了一定的高温热点，影响气缸温度而加剧爆震。此外，积炭的体积效用也使压缩比增大而引起爆震。

危害

爆震产生的压力波冲击气缸壁、活塞顶及缸盖底平面，强迫机件震动而产生敲击，并使冷却系过热、发动机功率下降、燃烧室表面积炭及产生表面点火。表面点火又促使爆震发生，造成发动机动力性、经济性严重下降，工作粗暴并损坏机件。

引起发动机过热：正常情况下，在燃烧室壁、活塞顶及气缸壁等固体的表面附着一层气膜（一种稳定的气体层流边界层），其导热性较差，使高温气体向气缸壁传递的热量减少，因此燃烧气体温度达2000℃-2500℃时，燃烧室及气缸壁等表面的温度只有200℃-300℃。但当爆震燃烧时，由于强烈的压力波冲击，使气膜受到破坏，高温气体向这些零件的传热量大大增加，造成发动机过热，传给冷却系的热损失增加，润滑油温度升高，运动件的润滑变坏，同时机件所受的载荷增加，从而加速磨损，使用寿命缩短。

形成积碳等燃烧产物：高温下燃烧产物分解强烈爆震时燃烧室内局部温度很高，可达4000T以上。在这种情况下，燃烧产物将分解为CO、H₂O，NO及游离炭等。游离炭在气缸内很难內燃烧，因而爆震燃烧时排出黑烟。CO、H₂O等在膨胀中重新燃烧而使发动机的补燃量增大，同时由于爆震时的散热损失增加，发动机的热效率下降。

积碳会导致：冬季冷起动困难，甚至造成发动机不起动；加速无力；热车怠速抖动；机油消耗量增大等等现象。过多积碳还会加剧爆震产生的可能并引起活塞、活塞环、火化塞和气门等零件的损坏或不能正常工作。

形成燃烧室沉积物，引起表面点火。排放恶化，功率下降，油耗增加。发生爆震时，由于温度急剧升高，在高温的作用下，将使燃烧产物发生热分解，不仅分解出一氧化碳，还析出游离碳，使排气管中出现黑烟和火星。

引起早燃：在一定条件下，强烈的爆震燃烧会在燃烧室内产生许多炽热点。这些炽热点可能在电火花点火之前点燃可燃混合气引起早燃现象。此时混合气激烈燃烧，气缸内的压力升高。试验验证，此时压力升高率为正常燃烧的5倍，最高燃烧压力为正常燃烧的150%，气缸的压力又触发爆震加剧，爆震又反过来助长早燃，这两种现象互相促进，其结果是造成更大的压力升高率，发出尖锐的高频震音，导致危害性最大的激爆现象产生。

预防措施

就一台在用车发动机而言，该发动机的结构以及各项控制参数等因素已确定，防止爆震产生的具体措施主要有：

定期清除排气门、燃烧室和活塞顶部的积碳，消灭可能的终燃炽热点。

加厚气缸垫以降低压缩比。缸盖端面变形应立即换新，端面加工创平会增加压缩比，更容易引发爆震。

使用符合发动机压缩比的汽油。压缩比越大的发动机就应该选用抗爆性越好的汽油，才不致产生强烈爆震。

保持冷却系统工作正常，水温过高时要尽快排除障碍。空气中温度的增大或向发动机中喷水（水以液体状态从汽化器喉管处加入），都能减轻爆震。在实际使用中，汽车发动机喷水量一般不宜超过燃料重量的15%。喷水的抗爆作用是：水的蒸发吸热使混合气温度降低，着火前诱导期延长；喷水使气缸，活塞各零件的温度降低；水蒸气在混合气中起惰性气体作用，也能减轻爆震。

保证合适的点火提前角。配气相位和点火提前角应按车型生产厂家所提供技术数据调整，并且要保证发动机电控系统爆震传感器处于良好工作状态。

发动机在低速运转而需要大负荷时（爬坡或加速），应及时换入低档，切勿以高档引发爆震。

检测方法

三种检测方法为：检测发动机燃烧室压力的变化、检测发动机缸体的振动频率、检测混合气燃烧噪声。

检测发动机燃烧室压力的变化：测量精度较高，但传感器安装困难，且耐久性较差，一般用于测量仪器，实际应用的压力检测传感器均为间接检测式。

检测发动机缸体的振动频率：主要优点是测量精度高、传感器安装方便且输出电压较高，因此现代汽车广泛采用该检测方法。

检测混合气燃烧噪声：为非接触式检测方法，耐久性较好，但测量精度和灵敏度较低，实际应用较少。

爆震控制系统

系统组成

发动机爆震控制系统(Engine Deflagrate Control System，EDCS)是在点火控制系统的基础上，增设爆震传感器、带通滤波电路、信号放大电路、整形滤波电路、比较基准电压形成电路、积分电路和提前角控制电路等组成点火提前角闭环控制系统。爆震传感器用于检测发动机是否发生爆震，每台发动机一般安装1~2只。带通滤波器只允许发动机爆震信号（频率为6~9kHz的信号）或接近爆震的信号输入ECU进行处理，其他频率的信号则被衰减。信号放大器的作用是对输入ECU的信号进行放大，以便整形滤波电路进行处理。接近爆震的信号经过整形滤波和比较基准电路处理后，形成判定是否发生爆震的基准电压UB。爆震信号经过整形滤波和积分电路处理后，形成的积分信号用于判定爆震强度。

判别方法

发动机爆震一般仅在大负荷、中低转速（小于3000r/min）时产生，由于爆震传感器输出电压的振幅随发动机转速高低不同而有很大的变化，因此，判定发动机是否发生爆震不能根据爆震传感器输出电压的绝对值进行判别，常用的方法是将发动机无爆震时传感器输出的电压信号与产生爆震时输出的电压信号进行比较，从而做出判定结论。

控制过程

爆震控制系统是一个闭环控制系统。当发动机工作时，ECU首先根据各传感器信号，从预先试验测试并存储在ROM中的点火提前角三维数据MAP中查询得到点火提前角；然后根据CIS、CPS以及其他传感器信号控制点火时刻，控制结果由爆震传感器反馈到ECU输入端，再由ECU对点火提前角进行修正。爆震传感器信号输入ECU后，ECU便将积分值U_i与基准电压U_B进行比较。当积分值化高于基准电压时，ECU发出指令，推迟控制点火，每次推迟0.5°~1.0°曲轴转角，修正速度为0.7/s左右，直到爆震消除。爆震强度越大，点火时间推迟越多；爆震强度越小，点火时间推迟越少。当积分值低于基准电压时，说明爆震已经消除，ECU又递增一定量的提前角控制点火，直到再次产生爆震为止。

爆震传感器

爆震传感器是爆震控制系统的主要元件，其功能是将发动机爆震信号转换为电信号输入ECU，ECU根据爆震信号对点火提前角进行修正，从而使点火提前角保持最佳大小。直列式发动机的爆震传感器安装在气缸的一侧中心位置上，V型气缸爆震传感器安装在缸体V型中间位置上。

注释

局限于早期的汽油机

有时不止一个

轻微爆震时，发动机功率略有增加；强烈爆震时，发动机功率下降、转速下降，运转不稳定