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0 前言

縮缸強(qiáng)化是火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)降低燃油耗和減少排放的重要理念。減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量以把運(yùn)行點(diǎn)從燃燒效率低的部分負(fù)荷工況區(qū)轉(zhuǎn)移到燃燒效率較高的工況區(qū)，從而降低燃油耗。由于減小了發(fā)動(dòng)機(jī)排量，全負(fù)荷時(shí)的最大功率相應(yīng)下降，所以要對(duì)其進(jìn)行增壓，但這又導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的單位負(fù)荷增加，從而出現(xiàn)了新的燃燒現(xiàn)象。尤其在全負(fù)荷低轉(zhuǎn)速時(shí)，這種燃燒現(xiàn)象在以往自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)中是不曾出現(xiàn)的。

其中最重要的燃燒現(xiàn)象就是早燃。由于早燃會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生很大的損壞，所以早燃現(xiàn)象被視為是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步縮缸強(qiáng)化最重要的限制性因素。在發(fā)生早燃的工作循環(huán)中，空-燃混合氣在火花塞跳火之前就已被點(diǎn)燃，從而產(chǎn)生比正常燃燒時(shí)高得多的壓力（圖1）。由于壓力水平的升高和自燃點(diǎn)通常發(fā)生在不利于燃燒的空間位置，燃燒過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)烈爆燃，從而嚴(yán)重?fù)p害發(fā)動(dòng)機(jī)。

因此，早燃已成為大量研究工作的主題，其目的在于確定產(chǎn)生早燃的原因，得出避免產(chǎn)生早燃的措施。本文介紹了有關(guān)高增壓直接噴射汽油機(jī)早燃現(xiàn)象的研究成果。

1 研究方法

為了評(píng)估可能引起早燃的原因，對(duì)1 臺(tái)試驗(yàn)用汽油機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，同時(shí)還做了數(shù)值仿真。評(píng)價(jià)了運(yùn)用2種方法所獲得的結(jié)果。

1.1 試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)

研究用的發(fā)動(dòng)機(jī)是1臺(tái)直列4 缸、缸內(nèi)直接噴射、火花點(diǎn)燃式增壓汽油機(jī)。所有的試驗(yàn)都是在1臺(tái)稍作修改的量產(chǎn)汽油機(jī)上進(jìn)行的。研究用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格如表1所示。

采用手動(dòng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元參數(shù)，使得進(jìn)氣壓力高于原型機(jī)的水平。此外，應(yīng)用1 根經(jīng)改進(jìn)的排氣凸輪軸，使發(fā)動(dòng)機(jī)能以更大扭矩運(yùn)行。這樣，發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷得以提高，可以產(chǎn)生重復(fù)次數(shù)足夠多的早燃現(xiàn)象。

介紹的各項(xiàng)研究都是在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 750 r/min、有效扭矩為360 N·m 的全負(fù)荷運(yùn)行工況下進(jìn)行的。在改變每個(gè)參數(shù)時(shí)，點(diǎn)火定時(shí)都被固定在接近于最惡劣的爆燃極限狀態(tài)下。在所有的情況下，整個(gè)過(guò)量空氣系數(shù)λ均調(diào)整至0.95。

表1 研究用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

1.1.2 測(cè)量方法

試驗(yàn)機(jī)安裝了多種壓力和溫度傳感器，用以監(jiān)視運(yùn)行參數(shù)，并裝有3個(gè)光學(xué)通道，以便能用內(nèi)窺鏡對(duì)燃燒狀態(tài)進(jìn)行可視化。

在每個(gè)氣缸內(nèi)都安裝了1 個(gè)壓力傳感器，以高的時(shí)間分辨率測(cè)定缸內(nèi)壓力變化。該壓力傳感器為Kistler公司生產(chǎn)的6061BU 型水冷壓電式壓力傳感器，它能承受因早燃產(chǎn)生的峰值壓力。

為了用內(nèi)窺鏡實(shí)現(xiàn)燃燒室內(nèi)火焰前鋒傳播的可視化，對(duì)其中1個(gè)氣缸使用了基于光電倍增器技術(shù)的高速攝影系統(tǒng)，其特點(diǎn)是具有很高的時(shí)間分辨率（0.1°CA），并在250～450 nm 的波段范圍內(nèi)具有最高的靈敏度，該波段對(duì)于分析點(diǎn)火現(xiàn)象非常重要。借助于用循環(huán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)法的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)，使攝影系統(tǒng)不僅能儲(chǔ)存預(yù)定觸發(fā)后的循環(huán)數(shù)據(jù)，而且還能儲(chǔ)存預(yù)定觸發(fā)前的循環(huán)數(shù)據(jù)，從而能夠記錄多次的早燃，盡管它們出現(xiàn)的概率很小，并且是隨機(jī)出現(xiàn)的。氣缸蓋上的光學(xué)探針布置見(jiàn)圖2。

1.2 數(shù)值仿真

除上述試驗(yàn)研究外，還進(jìn)行了數(shù)值仿真，數(shù)值仿真可分為2組。第1組利用CD-adapco公司開(kāi)發(fā)的商用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件STAR-CD 進(jìn)行三維CFD 仿真，求得燃燒室內(nèi)各種工作條件的信息，包括壓力、溫度分布和局部混合氣成分等；第2組則進(jìn)行詳盡的化學(xué)動(dòng)力學(xué)仿真，以獲得多方面的信息。

在利用CFD 計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量確定的條件下，以及進(jìn)行有關(guān)空-燃混合氣可燃性的研究期間，使用了2種不同程度的方法。利用均相反應(yīng)器模型對(duì)壓力、溫度、混合氣成分（即空燃比）和廢氣含量，及其熱力學(xué)參數(shù)對(duì)自燃性能的影響進(jìn)行了一般性的分析研究。借助于一維燃燒模型，對(duì)空間分布的不均勻性（熱點(diǎn)、液滴和微粒）進(jìn)行了研究。

仿真是在考慮到反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的情況下進(jìn)行的。在零維計(jì)算中，使用了由Andrae等提出的“甲苯參考燃料”機(jī)理，其中包含Curran等提出的參考燃料機(jī)理，后者描述了用甲苯的氧化反應(yīng)拓展了的異辛烷與正庚烷混合物的燃燒。甲苯參考燃料機(jī)理的優(yōu)勢(shì)在于為試驗(yàn)使用實(shí)際多組分燃料提供了更精確的模型。在一維計(jì)算中，使用了由Andrae和Head提出的簡(jiǎn)化機(jī)理，以減少計(jì)算量。

1.3 過(guò)程

為了研究早燃的原因，首先要系統(tǒng)地考慮到所有可能產(chǎn)生早燃的機(jī)理。為此，把可能產(chǎn)生的機(jī)理，按照其工作的物理原理，安排到1個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)中（圖3）。

首先，可區(qū)分均相現(xiàn)象和非均相現(xiàn)象。在均相的情況下，沒(méi)有任何變動(dòng)。非均相效應(yīng)可分為純氣相現(xiàn)象和多相現(xiàn)象2種。在純氣相現(xiàn)象中，可能在溫度和混合氣成分方面存在空間分布的不均勻性。多相機(jī)理又能把除了氣相以外所涉及的第2相再次細(xì)分為固相和液相。

2 結(jié)果

在評(píng)估過(guò)程中，一些關(guān)鍵性的試驗(yàn)在揭示可能導(dǎo)致產(chǎn)生早燃的機(jī)理方面特別具有選擇性。以下將簡(jiǎn)要介紹這些試驗(yàn)結(jié)果，以及數(shù)值仿真的結(jié)果。

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

從預(yù)定的基準(zhǔn)運(yùn)行點(diǎn)開(kāi)始，改變多項(xiàng)參數(shù)。為了獲得可比性的結(jié)果，在改變參數(shù)的過(guò)程中，如扭矩、空燃比和點(diǎn)火定時(shí)等重要運(yùn)行參數(shù)始終保持不變。

2.1.1 溫度的變動(dòng)

在研究溫度和早燃頻率的相互關(guān)系時(shí)，冷卻液的溫度（在機(jī)體出口處測(cè)量）在75～95℃之間變動(dòng)（圖4），并繪出了早燃頻率與冷卻液溫度之間的關(guān)系。早燃頻率按照每10 000次發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的次數(shù)計(jì)算，圖4所顯示的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是建立在100 000次發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)循環(huán)基礎(chǔ)上的。

此結(jié)果值得一提的是，自燃頻率并不隨著冷卻液溫度的增加而提高，而是相反顯著降低了。此現(xiàn)象為評(píng)估各種早燃機(jī)理的產(chǎn)生提供了重要依據(jù)。

2.1.2 燃油的影響

另外，還研究了試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)用的燃油對(duì)早燃頻率的影響（圖5）。使用了RON 95、RON 98和RON 100的燃油，以及儲(chǔ)存了多年的RON 100的陳燃油。將陳燃油與RON 100的新燃油相比較，結(jié)果表明，雖然爆燃特性只有微小的差別，但前者的早燃頻率卻要高得多。這證明，辛烷值不足以對(duì)早燃頻率的影響下結(jié)論。

假定早燃頻率的增加歸因于燃油長(zhǎng)期儲(chǔ)存，仍然有2種不同的解釋：（1）由于燃油中的低沸點(diǎn)抗爆燃成分優(yōu)先蒸發(fā)，從而提高了燃油的易燃性；（2）由于燃油在儲(chǔ)存期間物理性能發(fā)生了改變。因?yàn)楸继匦灾苯优c易燃性相關(guān)，顯然不受燃油儲(chǔ)存期的影響，所以后一種解釋似乎更有可能。

儲(chǔ)存期對(duì)燃油蒸發(fā)特性的影響見(jiàn)圖6（a）。將儲(chǔ)存了幾年的燃油與新燃油的蒸發(fā)曲線作比較，從中可以看出，由于易蒸發(fā)成分的蒸發(fā)，蒸發(fā)曲線移到較高溫度處。圖6（b）給出了本研究所使用的所有燃油的蒸發(fā)曲線，RON 100的燃油數(shù)據(jù)具有相當(dāng)?shù)牟淮_定性。

2.1.3 光學(xué)法研究

通過(guò)對(duì)攝影機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)的處理，可以確定早燃點(diǎn)的空間分布（圖7）。圖7中每個(gè)黑點(diǎn)都是運(yùn)用光學(xué)法記錄的1次自燃起始點(diǎn)。為了便于定位，在此圖像的背景上繪制了可見(jiàn)的燃燒室輪廓。

如圖7所示，早燃點(diǎn)分布于沿氣缸蓋襯墊平面的寬廣范圍內(nèi)。分析表明，早燃點(diǎn)分布與發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況之間沒(méi)有顯著的相關(guān)性。

2.2 數(shù)值仿真的結(jié)果

2.2.1 滯燃期

首先，用均相反應(yīng)器模型研究空-燃混合氣的自燃特性。進(jìn)行綜合的參數(shù)研究時(shí)，在寬廣的溫度和空燃比范圍內(nèi)計(jì)算了滯燃期。在相應(yīng)的仿真中，使用體積分?jǐn)?shù)為67%的異辛烷、20%的甲苯和13%的正庚烷的甲苯參考燃料代用燃油。所有的計(jì)算都是在4 MPa恒定壓力下進(jìn)行的，此壓力接近試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在預(yù)定運(yùn)行工況下的壓縮終點(diǎn)壓力。

圖8（a）表示對(duì)化學(xué)計(jì)量比混合氣計(jì)算出的滯燃期與絕對(duì)溫度倒數(shù)的關(guān)系。圖8（b）表示在恒定溫度714 K條件下，不同過(guò)量空氣系數(shù)的滯燃期。為了表明參數(shù)研究的全部結(jié)果，繪制出了二維滯燃期脈譜（圖9）。此圖的橫截面為圖8（a），其縱截面為圖8（b）。

這一滯燃期脈譜表明，圖8定性顯示的相關(guān)性，在所研究的整個(gè)范圍內(nèi)都是有效的。可以預(yù)期，較濃的混合氣和較高的溫度具有較短的滯燃期。

2.2.2 液滴著火

發(fā)生早燃的原因之一可能是來(lái)自潤(rùn)滑油的高沸點(diǎn)和易著火成分的影響。由于這些成分的蒸發(fā)，有可能在液滴周圍存在滯燃期比周圍氣體有所縮短的區(qū)域。

液滴對(duì)自燃性能的影響可以借助于一維燃燒模型仿真進(jìn)行定性研究。假定自燃具有限制的時(shí)段，以計(jì)算著火極限。這個(gè)時(shí)段是在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，在燃燒室內(nèi)達(dá)到一定的熱力學(xué)條件，到正常燃燒開(kāi)始前的時(shí)間段估值定為5 ms，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 750 r/min時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)角為52°CA。為了進(jìn)行仿真，在假定周圍壓力保持為4 MPa不變的條件下，分析了在初始為均相的、化學(xué)計(jì)量比的異辛烷和空氣混合氣中的正庚烷液滴。液滴和氣體溫度的變化產(chǎn)生了圖10所示的結(jié)果。

在低氣體溫度時(shí)，在研究的時(shí)段內(nèi)探測(cè)不到自燃發(fā)生。反之，在氣體溫度很高（＞780 K）時(shí)，在氣相內(nèi)發(fā)生了均相自燃，而且與液滴溫度無(wú)關(guān)。因?yàn)樵谠摐囟葪l件下，氣相內(nèi)的化學(xué)動(dòng)力超出了液滴周圍的物理傳輸現(xiàn)象。在這2種極端情況之間，存在1個(gè)第3區(qū)，其中的自燃特性由液滴的存在所決定。

然而，所用的單一成分燃油不足以充分代表真實(shí)的燃油狀況。所以，在采用該結(jié)果作為定量結(jié)論時(shí)，僅適用于有限的范圍。

2.2.3 CFD 計(jì)算結(jié)果

為了獲得燃燒室內(nèi)有關(guān)熱力學(xué)條件和混合氣組成方面的信息，在考慮到進(jìn)氣行程期間的換氣和燃油噴射情況下，進(jìn)行了CFD 計(jì)算。圖11 表示在噴射結(jié)束時(shí)的液滴分布狀況。

在對(duì)隨后的壓縮行程進(jìn)行仿真之后，就能夠進(jìn)行空間的不均勻性對(duì)局部壓力、溫度和空燃比等這些與自燃有關(guān)變量的分析。為了確定在相關(guān)情況下，燃燒室內(nèi)的自燃特性在上止點(diǎn)前10°CA，開(kāi)始逐步仿真。這段時(shí)間可被認(rèn)為對(duì)早燃具有決定性思義。圖12是在這段時(shí)間內(nèi)算出的數(shù)據(jù)。圖12中的每個(gè)點(diǎn)都代表具有相應(yīng)溫度和空燃比的CFD 計(jì)算網(wǎng)格上的1個(gè)單元。整個(gè)參數(shù)范圍的全貌見(jiàn)圖12（a）。

顯然，很濃的混合氣和很熱的區(qū)域都是存在的，但這2個(gè)因素永不重合。這種效果可歸因于蒸發(fā)的燃油液滴吸收周圍氣體的熱量，并使其冷卻。局部的燃油蒸發(fā)得越多，混合氣就越濃，同時(shí)溫度也越低。

上述相互關(guān)系對(duì)滯燃期的影響見(jiàn)圖12（b），它顯示了與相應(yīng)的滯燃期相關(guān)聯(lián)的圖12（a）的詳情。由此得出，無(wú)論是很熱的燃燒室區(qū)域，還是很濃的混合氣區(qū)域，都沒(méi)有給出如化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)仿真所期望的很短的滯燃期。最易于自燃的中間狀態(tài)混合氣的滯燃期大約為5 ms（即大約在52°CA 處）。

2.3 現(xiàn)象學(xué)

查明早燃現(xiàn)象要考慮到以下2點(diǎn)：（1）自燃后燃燒的進(jìn)展，（2）早燃發(fā)生的特征。

利用由高速攝影機(jī)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行燃燒研究。在所有的早燃循環(huán)中，這些記錄都很相似。從圖13可以清楚地看出，早燃是以小而明確的著火核心形式出現(xiàn)的。與火花點(diǎn)燃以后觀察到的火焰?zhèn)鞑ハ啾?，源自這些早燃核心的火焰以相對(duì)較低的速度傳播。在循環(huán)中，由于較早的放熱和大多不利的著火位置（圖7），燃燒經(jīng)常演變成強(qiáng)烈的爆燃，后者可作為1個(gè)高強(qiáng)度、快速傳播的光信號(hào)被識(shí)別。隨后就是強(qiáng)烈的壓力脈沖，顯示壓力波穿過(guò)燃燒室而產(chǎn)生的沖擊。

早燃的特點(diǎn)除了發(fā)生的次數(shù)相對(duì)較少之外（長(zhǎng)期的平均數(shù)是在每10 000次循環(huán)中，每缸大約有4次早燃），就是斷斷續(xù)續(xù)地發(fā)生，而且早燃與正常燃燒循環(huán)有規(guī)律地交替。在此研究中，在1 922次測(cè)得的早燃中，有1 449次（也就是74.5%）發(fā)生在2～7次的早燃序列中。作為實(shí)例，圖14 示出了11 個(gè)相繼的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中的缸內(nèi)壓力曲線序列。

顯然，早燃循環(huán)（峰值壓力高于10 MPa的循環(huán)）與正常燃燒循環(huán)非常規(guī)律性地交替發(fā)生。

就避免早燃而言，必須指出，目前尚無(wú)法對(duì)其進(jìn)行可靠地預(yù)測(cè)。即使有1臺(tái)已測(cè)定了大量參數(shù)的試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)，也無(wú)法獲得早期表征早燃的任何數(shù)據(jù)。產(chǎn)生早燃的第1個(gè)跡象，就是由于自燃引起的壓力升高。

3 討論

為了評(píng)判圖3所示的產(chǎn)生早燃的各種機(jī)理，將其中每項(xiàng)機(jī)理均與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間收集的試驗(yàn)結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果相關(guān)聯(lián)，以找出其一致性和矛盾性。下面將詳細(xì)討論早燃決策樹(shù)中的2個(gè)重要因素：（1）由燃燒室內(nèi)熱表面誘發(fā)的著火，（2）氣缸套甩出的潤(rùn)滑油液滴引起的自燃。

3.1 熱表面

燃燒室內(nèi)火花塞或排氣門(mén)等熱表面誘發(fā)的著火是重要的早燃機(jī)理之一，它被懷疑是引起早燃的原因。類似現(xiàn)象已眾所周知，但熱表面點(diǎn)火的發(fā)展與早燃不同。表面點(diǎn)火是在火花塞跳火前，混合氣在燃燒室內(nèi)的熱區(qū)已經(jīng)被點(diǎn)燃。過(guò)早放熱導(dǎo)致壓力和溫度的峰值比正常燃燒時(shí)的高許多，結(jié)果使得燃燒室被進(jìn)一步加熱，可能引起在下一次循環(huán)中更早地發(fā)生自燃。因此，表面點(diǎn)火的作用是自我保持，甚至是自我放大自燃效果，導(dǎo)致自燃發(fā)生的時(shí)間進(jìn)一步提前，直至發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。

與此相反，早燃是間歇發(fā)生的，并且早燃循環(huán)與正常燃燒循環(huán)相互交替（圖14）。而且，上述序列并不連續(xù)。表面點(diǎn)火具有的連續(xù)特性從未被觀察到。

冷卻液溫度變動(dòng)對(duì)早燃頻率影響的試驗(yàn)結(jié)果（圖4）也有助于評(píng)判表面溫度是否會(huì)引發(fā)早燃。如果早燃是由熱表面引起的，提高冷卻液的溫度，表面溫度就會(huì)上升，從而導(dǎo)致周圍的氣體滯燃期縮短（圖8（a）），因而可能有更多的早燃次數(shù)發(fā)生。但是，實(shí)際觀察到的情況卻相反，較高的冷卻液溫度反而會(huì)使早燃的發(fā)生率較低。

最后還應(yīng)該提及光學(xué)測(cè)量的發(fā)現(xiàn)。如果早燃是由燃燒室內(nèi)熱表面引起的，自燃源就應(yīng)該集中于關(guān)鍵部件附近。但圖7表明，記錄下來(lái)的燃燒起點(diǎn)卻分布在整個(gè)燃燒室的寬廣范圍內(nèi)。甚至在上述早燃的序列中，也無(wú)法確認(rèn)各早燃源之間有任何明顯的關(guān)聯(lián)。

縱觀這些試驗(yàn)和仿真結(jié)果，實(shí)際上，已足以將這種把早燃?xì)w因于燃燒室內(nèi)熱表面的機(jī)理排除掉。

3.2 潤(rùn)滑油滴著火

所提及的油滴引起早燃的機(jī)理，是基于以下假設(shè)：在噴油器側(cè)向布置時(shí)，噴出的油霧潤(rùn)濕了噴油器對(duì)面的氣缸壁，稀釋了該處的潤(rùn)滑油膜（圖11）。因此，破壞了潤(rùn)滑油的黏度和表面張力系數(shù)等潤(rùn)滑油性能，導(dǎo)致有較高的概率甩出可能促進(jìn)早燃的油滴（圖10）。

潤(rùn)滑油稀釋度的增高，黏度和表面張力就會(huì)降低。其結(jié)果是，一方面液體潤(rùn)滑油油膜厚度減薄，這種情況本來(lái)對(duì)早燃并不發(fā)生直接的影響，因?yàn)闈?rùn)滑油粘附在氣缸壁上是不著火的。但是，另一方面，由于活塞快到上止點(diǎn)時(shí)減速運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力作用，降低表面張力會(huì)增加油滴從活塞頂岸甩出去的概率（圖15）。

為了評(píng)估上述機(jī)理，首先可使用冷卻液溫度變動(dòng)的結(jié)果。預(yù)計(jì)，降低冷卻液溫度會(huì)使氣缸套上的潤(rùn)滑油油膜溫度相應(yīng)降低。因此，潤(rùn)滑油的稀釋度將增加。作為與多組分潤(rùn)滑油相互作用的多組分燃油的冷凝、稀釋和蒸發(fā)，這一復(fù)雜現(xiàn)象的第1個(gè)簡(jiǎn)化指標(biāo)，潤(rùn)滑油油膜溫度可以與燃油的蒸發(fā)曲線相比較。降低潤(rùn)滑油溫度，未蒸發(fā)的燃油部分就會(huì)增加（圖6），導(dǎo)致潤(rùn)滑油的稀釋度增加，從而增大早燃發(fā)生的頻率。如圖4所示，在用試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)做溫度變動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，這種相互關(guān)系的確被觀察到了。

如果保持潤(rùn)滑油溫度不變，對(duì)具有不同蒸發(fā)曲線的燃油進(jìn)行比較，預(yù)計(jì)會(huì)有類似的結(jié)果。在此情況下，在給定的溫度下，具有較高蒸發(fā)曲線燃油的液態(tài)部分增多。觀察結(jié)果得出，較高的潤(rùn)滑油稀釋度導(dǎo)致出現(xiàn)較高的早燃率。對(duì)于選定的運(yùn)行工況點(diǎn)，估計(jì)潤(rùn)滑油的溫度在110～130°C 之間。如圖5 和圖6所示，早燃率是與這些燃油在此溫度范圍內(nèi)的液體分?jǐn)?shù)相對(duì)應(yīng)的。因此，可以這樣表述，試驗(yàn)確定的用具有較高蒸發(fā)曲線的燃油會(huì)增加早燃頻率，也符合上述提出的機(jī)理。

數(shù)值仿真也顯示，在某些條件下，液滴的存在能夠促進(jìn)早燃（圖10）。鑒于上述結(jié)果，從氣缸套甩出的潤(rùn)滑油液滴的機(jī)理被認(rèn)定是產(chǎn)生早燃的一種可能性。

3.3 結(jié)論

對(duì)上述2項(xiàng)機(jī)理進(jìn)行的詳細(xì)評(píng)估，也被用以對(duì)圖3決策樹(shù)中所指出的其他機(jī)理的評(píng)估。對(duì)所有的可能性與試驗(yàn)觀察和數(shù)值結(jié)果的兼容性進(jìn)行系統(tǒng)分析，以達(dá)到對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證的目的。

均相自燃可以排除作為所觀察現(xiàn)象的原因，因?yàn)楣鈱W(xué)記錄顯示，源自火焰核心的燃燒在燃燒室內(nèi)傳播很慢（圖13）。

在各非均相機(jī)理中，把早燃?xì)w因于溫度場(chǎng)和混合氣分布的不均勻性的純氣相效應(yīng)也可被排除。因?yàn)樵谌紵抑?，熱力學(xué)條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)生自燃的臨界條件。因?yàn)樗x定的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)使得總殘余廢氣分?jǐn)?shù)較?。ㄉ儆?%），因此，殘余廢氣的影響也不可能成為早燃的原因。

在所有這些機(jī)理中，只有微粒、沉積物和液滴的機(jī)理可能是產(chǎn)生早燃的原因。與固體沉積物和微粒相比較，由液滴誘發(fā)的著火可能性要比固體沉積物和微粒的大得多。由沉積物引起的早燃只能局部地集中出現(xiàn)在沉積物附近，而固態(tài)微粒需要經(jīng)歷換氣過(guò)程，并仍具有很高的表面溫度，才能促進(jìn)自燃。在被認(rèn)為導(dǎo)致產(chǎn)生早燃的潤(rùn)滑油液滴的可能來(lái)源中，氣缸套上的油膜則被確認(rèn)是最可能的。本項(xiàng)研究的完整結(jié)果見(jiàn)圖16。

但必須指出，把這些結(jié)果與采用其他發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行觀察和研究的結(jié)果相比較，對(duì)于某些機(jī)理的評(píng)估可能不太相同。經(jīng)過(guò)確認(rèn)，本次研究所使用的汽油機(jī)，其側(cè)置式噴油器噴出的油霧潤(rùn)濕氣缸壁已被認(rèn)為是引起早燃的主因。然而，采用進(jìn)氣道噴射的汽油機(jī)也同樣會(huì)發(fā)生早燃。因此，在這些發(fā)動(dòng)機(jī)中，必然還有其他機(jī)理起著主導(dǎo)作用。盡管如此，本次研究所提出的把早燃機(jī)理進(jìn)行分類，并采用關(guān)鍵性的試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估的方法，可能對(duì)于識(shí)別其他引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的早燃機(jī)理有所幫助。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究系統(tǒng)分析了高增壓火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)早燃的原因。首先，將所有的現(xiàn)象按其工作物理原理，安排到1個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)中，用以識(shí)別可能產(chǎn)生早燃的機(jī)理。

早燃概率的評(píng)估通過(guò)應(yīng)用在不同條件下的混合氣形成、自燃試驗(yàn)研究，以及數(shù)值仿真來(lái)完成。根據(jù)綜合試驗(yàn)和仿真的結(jié)果，大多數(shù)已被識(shí)別的機(jī)理可以被排除。一些其他的機(jī)理也被視為可能性不大。

把發(fā)生早燃?xì)w因于從氣缸套甩出的潤(rùn)滑油液滴這一機(jī)理，或許是最合理的解釋。影響這一機(jī)理的重要因素之一，被認(rèn)為是側(cè)置式噴油器的布置方式。燃油噴霧沖擊位于噴油器對(duì)面的氣缸壁，似乎對(duì)在試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)上觀察到的早燃起著關(guān)鍵作用。

作為限制性因素，必須指出，上述結(jié)果似乎不是普遍有效的。用不同發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究所得到的結(jié)果表明，必須對(duì)其他發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行某些機(jī)理的重新評(píng)估。本研究所提出的方法也可用于其他發(fā)動(dòng)機(jī)。改進(jìn)該方法使其具有普遍性是未來(lái)研究的課題。