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發動機爆震有哪些原因

汽車 更新时间:2024-11-22 16:40:52

高壓縮比發動機可以兼容92号汽油并不稀奇,之所以會産生這種疑惑主要是很多車友的思維還停留在過去;高壓縮比代表發動機運行時燃燒室面臨更高的壓力、更高的溫度,這種惡劣的工況的确更容易導緻爆震的産生,所以一直以來高壓縮比發動機往往更适合使用95号汽油。

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因為95号汽油中更高的辛烷值比例,可以很好地抑制住燃燒速度,避免過熱、高壓狀況的出現,從而規避掉爆震(自燃);而利用高辛烷值比例抑制爆震可以理解為利用燃料來防止爆震,在過去這幾乎是唯一可行的控制爆震手段;所以過去賽車所使用的燃料都是高比例的乙醇汽油(熱值低,不代表沒有汽油,現在賽用燃料也是醇基)。

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因為自然吸氣發動機想更有爆發力,高壓縮比是關鍵,但過高的壓縮比意味着難以控制的爆震,所以利用醇類的高辛烷值來抑制爆震;那時候就是利用化學手段來對爆震進行控制,但時代、科技都在發展,現如今各大車企對爆震的控制已經不再拘泥于燃料層面;現如今主機廠已經通過發動機燃燒室的結構設計、燃油噴射策略、材料、電控技術等方式來抑制爆震。

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與過去相比較現如今的内燃機,對汽油的兼容能力要更強,高壓縮比(或增壓,增壓機機械壓縮比不高,等效壓比大)匹配低标号燃油最大難點就是爆震問題,因為低辛烷值燃料本身抑制爆震的能力差;但導緻爆震的根本原因在于高溫、在于點燃與自燃火花的相互沖擊,那麼隻要避免這兩種狀況的出現就能很好地避開爆震問題了。

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爆震到底是怎麼樣的一種狀态

很多朋友對爆震的理解是因為缸内高溫,導緻部分混合氣被壓燃(自燃),所以自燃就等同于爆震?實際上無論是自燃、還是點燃都沒問題,柴油機都是壓燃的為什麼就不算爆震?爆震所指的是點燃、自燃兩種狀态同時出現,活塞附近出現自燃火花往上端進行傳播,而頂部的火花塞點火後火花往下進行傳播,兩股火花發生碰撞後所産生的沖擊就是爆震,所以自燃不等于爆震,但爆震一定是由于混合氣自燃所導緻的。

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發動機結構設計層面對爆震的抑制

寫到這各位應該明白爆震就是在發動機一次壓縮沖程内自燃、點燃同時出現,用高辛烷燃料的确可以抑制自燃,那麼在沒有高辛烷燃料時該如何避免自燃?其實很簡單,既然沒辦法避免自燃的産生,那麼就加快點燃火花的傳播速度,也就是說在活塞附近的混合氣遇到高溫、高壓呈現自燃的趨勢時,點燃過程已經結束了,這樣是不是就避免了自燃的出現?

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燃燒室形狀從“扁寬”變為“細長”

往回數個2、30年,大多數發動機的氣缸都屬于大缸徑、短行程(或等長),如此設計的好處在于行程短、曲柄力臂短,對曲軸造成的負荷相對小一些,所以更适合超高的峰值轉速,因為行程短所以轉速的攀升非常迅速(如地闆油1秒破5000轉),但扁寬的設計等同于增加了火花橫向傳播的距離,如果火花傳播速度是定值,那麼距離越長、消耗的時間就越長,那麼點燃火花與自燃火花的賽跑就很難取勝。

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而現如今主流的發動機都采用小缸徑、大行程的設計(如上圖對比),同樣的排量縮小缸徑、而拉長行程,拉長的曲柄力臂使得發動機低轉速下扭矩更佳;而小缸徑等同于縮短了點燃火花橫向傳播的距離,假如火花傳播速度是定值,傳播距離縮短、所消耗的時間就更短,這樣一來點燃火花就會比自燃火花傳播得更快;當然我們該考慮的僅僅是建立在點火後的自燃情況,如果火花塞還沒點火就開始自燃,這樣的機器要麼是存在設計缺陷,要麼就該大修了。

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活塞與火花塞的巧妙設計

僅僅通過縮小缸徑的方式還是不夠的,但畢竟是這些年來内燃機進化的趨勢,馬自達在小缸徑的基礎上,又在活塞的中心處設計了一個凹孔,活塞上行到接近上止點處時、混合氣就被壓入到凹孔内部,進一步的被壓縮了空間,等同于火花橫向傳播半徑又被縮小,那麼點燃火花傳播時間就更短了,如此來起到加快點燃火花傳播的作用;當然這也僅僅是一種理念上的趨勢,未來可能這種設計會越來越多。

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如果說馬自達盆型活塞設計是質樸的,那麼湍流噴射點火就是最華麗的解決方案,目的同樣在于提高點燃火花的傳播速度;這套系統擁有兩個火花塞,一個負責正常點火,而另一個火花塞與噴油嘴組成燃燒室,這個預燃燒室所完成的工作就是噴少量油、在與燃燒室内點燃,然後噴射到主燃燒室點燃壓縮混合氣,尋常的火花塞跳火畢竟是勢單力薄,指望着這點火花在高溫、高壓的條件下完全點燃混合氣而避免自燃的産生無疑是太難了。

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而這套湍流噴射系統的預燃燒室完全是在噴火,如上圖所示藍色部分為主燃燒室等待點燃的被壓縮混合氣,紅色為預燃燒室噴射出來的無數火花,火花塞跳火的能量是有限的,而與燃燒室噴射的火焰能量巨大,可以迅速向外擴散,混合氣還沒來得及自燃、已經被迅速點燃了,這種技術在F1、超跑領域上很常見;高增壓機往往通過降低壓縮比來抑制爆震,那如果是高增壓、高壓縮比發動機該如何解決爆震問題?這種預燃燒室的設計就是很理想的解決方案。

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材質、排氣系統的升級

本文一開始就提到了導緻爆震的根本是燃燒室的高溫,因為混合氣的自燃是高溫所引起的,那麼隻要避免高溫、熱堆積,就能很好的避免混合氣自燃,從而抑制爆震;最近這些年來鋁合金缸體逐漸普及也有這方面的考量,鋁合金缸體的優勢不僅僅是輕,更重要的是其優秀的導熱能力,可以更好的将每次燃燒後的殘餘熱量及時導出,避免殘餘熱量不斷堆積。

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如上圖所示,這就是4-2-1排氣,1、4共用一路,2、3共用一路;因為4缸機的點火順序為1、3、4、2缸,所以傳統的4-1排氣1、3缸之間的排氣會相互阻礙,降低發動機排氣效率,導緻不能快速把廢熱排出,而4-2-1排氣就很好的解決了這個問題,1、4缸不存在排氣幹涉,2、3缸也不存在排氣幹涉,這樣4-2-1排氣就解決了排氣幹涉問題,實際上這這種設計其實就是為了控制燃燒室溫度,每一個循環都殘留點熱量,多次循環後所堆積的熱量就不可估量了。

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電控技術對爆震的抑制

除了上述方式之外,電控技術的不斷發展也起到了對爆震強有力的抑制作用;比如爆震傳感器的普及、自動微調的點火角、直噴系統豐富的噴油策略等等,這些技術也是抑制爆震的關鍵;舉一個簡單的例子,當爆震傳感器檢測到有爆震的趨勢,系統會自動推遲點火降低缸壓、溫度,等同于降低燃燒室的等效壓縮比(等效壓縮比與機械壓縮比是兩個概念,等效壓比是變化的),如果溫度還是高直噴系統還可以連續噴幾次油來降溫,從而使得規避掉爆震。

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總而言之通過高标号汽油、降低壓縮比來抑制爆震最簡單、最容易實現的方式,但98号汽油是每一位普通汽車用戶都能承受得起的麼?而環保、排放規則的越發嚴格,内燃機高壓縮比化是一個必然趨勢,尤其是高壓縮比、高增壓值的發動機,僅依靠燃料的辛烷值去抑制爆震是不現實的;AMG A45的M133發動機壓縮比隻有8.8都必須使用98号汽油,如果壓縮比達到11呢?難道要用105号汽油?所以過去那套隻通過燃料本身、低壓縮比控制爆震的手段已經過時了。

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比較現實的就是95号汽油都9元以上了,所以大多數普通車友隻能承受92号汽油,而發動機的壓縮比隻會越來越高,一邊是高昂的油價而另一邊是不斷提高的壓縮比,這時候該如何抉擇?通過壓縮比、燃料控制爆震的想法已經不可能實現,所以就隻能另辟蹊徑尋找其它的控制爆震手段;如上述的降溫、縮短火花傳播路徑、電控策略等等,所以馬自達高達13的壓縮比(奧托循環)依然可以燒92号汽油。

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