基于缸内压力升高率对发动机爆震的研究

李清博，马　娟

（郑州宇通客车股份有限公司，河南 郑州 450011）

基于缸内压力升高率对发动机爆震的研究

李清博，马娟

（郑州宇通客车股份有限公司，河南 郑州 450011）

文章分析了氢发动机爆震时火焰传播变化机理，研究了净压力升高率和爆震的关系，建立了一种基于净压力升高率判定爆震的有效方法，即根据净压力升高率峰值的个数进行判定，可为异常燃烧的诊断提供参考。

氢发动机；燃烧；爆震；净压力升高率

0　引言

氢作为发动机的代用燃料，具有点火能量低、燃烧速度快、淬火距离小、着火界限宽等优点[1]，但同时也使得氢燃料发动机容易发生早燃、回火、爆震等异常燃烧现象。本研究对爆震发生的条件及爆震时缸内压力升高率的变化进行分析，得出爆震与压力升高率的关系，寻找最优的解决爆震的方法。

1　净压力及其导数概述

燃烧过程可视为化学过程和物理过程的统一，对缸内压力的影响有燃料发热产生的压力，还有活塞运动时对气体挤压产生的压力。为了准确地研究爆震与压力的关系，本文采用仅考虑燃烧产生的压力即净压力的方式对爆震现象进行分析。

式中，p代表真实压力，V代表体积，igV代表点火时刻的气缸体积。

在每一曲轴转角的净压力公式为：

绝热指数（k）的精度对净压力的计算精度影响很大，查找文献采用k=1.3对氢燃料发动机净压力进行计算。为了避免k取值影响计算结果，直接采用下面的公式计算净压力：

式中，motorp为相同工况下的发动机纯压缩压力。

分析净压力的产生过程可以看作是缸内燃料燃烧减去缸内压缩产生的压力，可以单纯地认为是燃烧的距离，消除了分析燃烧过程中缸内传热损失对压力造成的影响，使得分析结果更具有参考价值。其一次导数就相当于燃烧的速度，即为净压力升高率[2]。

2　净压力升高率与爆震的关系

有的学者利用小波变换的方法对采集得到的压力信号进行时域分析，比较正常燃烧现象与爆震时的差异，寻找判断爆震发生的依据以及解决方法。本文采用的是对缸内净压力进行一次求导，寻找其与爆震的关系，该方法简捷有效，简化了小波变换理论的复杂性，但又不失其对爆震分析的准确性。

2.1正常燃烧情况下，净压力升高率与燃烧机理的研究

正常燃烧过程中，燃烧初期到完全燃烧阶段，燃烧速度即净压力升高率是从最小逐渐增加到峰值；完全燃烧后，一直持续到燃烧末期，整个阶段燃烧的速度是逐渐变小的过程，故正常燃烧过程中压力升高率有且仅有一个峰值点，且此处的燃烧速度最大。净压力升高率变化趋势如图1所示。另外，由发动机燃烧过程中压力随曲轴转角的变化趋势，不难得出在上止点附近缸内压力达到最大值，但此点处的导数值为零，即压力升高率在该点处值为零，继续增大曲轴转角，压力渐小，压力升高率为负值，且其绝对值增大。故正常燃烧情况下，压力升高率随着曲轴转角逐渐增大，增大到最大值后逐渐变小的过程，同样反应了其变化过程中有且仅有一个峰值点，从理论上推导出所得的净压力升高率变化趋势正确[2]。

图1　正常燃烧情况下净压力升高率随曲轴转角变化示意图

图2　爆震情况下净压力升高率随曲轴转角变化示意图

2.2爆震情况下，净压力升高率与燃烧机理的研究

当缸内燃烧过程中出现爆震，由爆震发生的机理可知，火焰前锋面未到达前，未燃混合气在高温高压环境中能够自燃，其自燃后，自己产生的火焰前锋面传播的过程中会与正常燃烧的前锋面相遇，燃烧速度叠加，而两者相向运动，由于原火焰前封面速度自身逐渐变小，与爆震产生的火焰前封面叠加后，其运动方向发生改变，绝对值增大，火焰会以自燃点为传播中心，以一个新的速度波向前运动[2]。叠加后，速度从小到大的过程会产生另一个极大点，即所谓的第二峰值点。爆燃是一个复杂的过程，相互火焰前锋面的叠加，致使燃烧速度曲线出现的峰值点不止两个，只要有火焰锋面的叠加，就会有峰值点的出现，反之，燃烧速度出现的峰值点大于或等于两个时，就表明火焰锋面产生了相互叠加的行为，这就是判定缸内爆震的标准[3]。反映到净压力升高率变化趋势上如图2所示。

分析发动机爆震所形成的机理，可知在缸内会产生至少两个压力峰值点，即出现三个极点（一个极小点，两个极大点）。这三个极点处，净压力的一次导数，即所谓的净压力升高率值都为零，反映到净压力升高率随曲轴转角变化图上，就会使该曲线与以曲轴转角为x轴的横坐标有三个交点，这与图2表述一致。

3　基于小波变换理论的验证

小波变换在高频具有很好的频率分辨能力，低频具有很好的时间分辨率，能同时保持信号的时域信息和频域信息，许多学者采用小波变换的方法对发动机缸内压力信号进行分析，得出压力升高率与异常燃烧的关系[4]。考虑到小波变换中间断倒数的阶要接近与小波函数的消失距，故采用dB2对净压力随曲轴转角变化趋势进行分析，其压力升高率小波分解后的图像如图3所示。

图3　对净压力升高率的小波分解

小波分析理论表明当压力信号有连续的振荡时，表明缸内出现压力快速变动，燃烧速度至少两次变化，这与上述基于净压力方法出现两个极点是相符合的，证明上述方法有效[5]。

4　结论

本文采用缸内净压力的方式对发动机异常燃烧现象进行分析，建立了判定爆震的方法，即当净压力升高率出现两个或以上的峰值，表明燃烧速度有两个及以上极点，缸内出现了第二次及以上的压力峰值，极大可能产生了爆震等异常燃烧现象。对此方法应用小波理论进行了可行性验证，结论相符。

（责任编辑 王磊）

[1] Toshio Shudo. Thermal Efficiency Improvement in a Hydrogen Combustion Engines [C]. Proceedings of the 15th World Hydrogen Energy Conference, Yokohama,2004.

[2] 杨振中，熊树生，李径定. 点火提前角对氢发动机性能的影响及智能控制技术[J].太阳能学报,2003(4).

[3] 李清博.基于AVL-FIRE的氢燃料内燃机燃烧特性研究[D].郑州:华北水利水电大学,2013.

[4] 刘福水,郝利君,Heitz Peter Berg,Liu.氢燃料内燃机技术现状与发展展望[J].汽车工程,2006(7).

[5] 杨振中,孙永生.最佳过量空气系数优化控制氢发动机性能的建模实现[J].内燃机工程,2006(3).

The Research of Knocking Based on the Cylinder Pressure Rise

LI Qing-bo，et al
(Zhengzhou Yutong Bus Co., Ltd, Zhengzhou 450011, China)

Having analyzed the change mechanism of flame propagation when knocking, investigate the relation of net pressure rise and knocking, establish a method that can judge knocking availability, provide reference to diagnose abnormal combustion. The method based on the number of wave crest in pressure rise curve, when the net pressure rise appear two or more wave crest, produce knocking.

Hydrogen engine; Combustion; Knocking; The net pressure rise

TK43

A

1008–2093(2016)04–0004–03

2016-06-16

李清博（1987―），男，河南开封人，助理工程师，硕士，主要从事客车底盘装配工艺研究。