超级爆震引发的发动机故障1例

姜 军

故障现象 一辆东风风光580车，累计行驶里程约为3 700 km。车主反映，车辆在高速路上行驶800 km后，下高速不久发动机便自动熄火，无法起动。

故障诊断 维修人员前往施救后检查发现，各气缸内的火花塞侧电极均有不同程度变形和积炭现象，更换4个气缸的火花塞和点火线圈后试车，发动机能够起动，怠速有轻微抖动。进行路试发现，当行驶60 km左右时，发动机动力不足，加速时发动机抖动，且闯车严重。随后检查发现，火花塞损坏严重，侧电极和中心电极已搭接在一起（图1）；测量4个气缸气缸压力，均低于正常值，初步判断发动机燃烧室已损坏。拆检发动机，发现4个活塞顶部边缘均出现不同程度损坏（图2）；进一步检查发现，涡轮增压器和三元催化转化器损坏，排气管道内有损坏的部件碎片。

图1 损坏的火花塞

图2 4个活塞顶部边缘出现不同程度损坏

根据故障现象和检查结果分析，发动机燃烧室内很有可能出现超级爆震导致上述部件损坏。什么是超级爆震？它和爆震又有什么区别呢？查阅资料得知，火花塞放电点燃燃烧室内压缩的混合气后，形成火焰核并发展成能自动传播的火焰前沿（传播速度为30 m/s～70 m/s），末端混合气（指远离火焰核的未燃剩余混合气）受到压缩和热辐射，燃前化学反应加速。如果该反应过于迅速，则会使末端混合气在火焰前沿到达之前发生自燃，并且末端混合气内部出现一个或多个火焰核，火焰以100 m/s～300 m/s（轻微爆震）或800 m/s～1 000 m/s（强烈爆震）的速度传播，迅速将终燃混合气燃烧完毕，导致燃烧室内局部温度压力陡增。这种类似阶跃的压力变化，形成燃烧室内往复传播的冲击波（频率可高达7 kHz），猛烈撞击缸壁，发出高频振音（即敲缸声），这就是爆震。超级爆震就是严重的爆震现象，之所以叫“超级”，是因为超级爆震不同于常规汽油机爆震敲缸，超级爆震一般在火花塞点火之前混合气便发生自燃，燃烧室内最大气缸压力远高于正常气缸压力（达到正常燃烧最大气缸压力的2倍以上），并发生大幅压力振荡，所以发生超级爆震时会听到非常明显的敲缸声音，极易对发动机造成致命损坏，是目前增压直喷汽油机提高升功率和降低燃油消耗率遇到的主要障碍。从图3中可以看出正常燃烧、普通爆震与超级爆震的最大气缸压力区别。

更换故障车辆的损坏部件，进行道路测试，采集相关测试数据进一步分析。通过采集的数据及实车故障现象分析发现，发动机转速为1 700 r/min～2 000 r/min时，平均有效气缸压力（MEP）为1 400 kPa～2 000 kPa；最大增压压力为140 kPa～190 kPa时，发动机控制单元有检测超级爆震的计数，同时车辆有明显的异响和抖动，由此说明故障并没有因为更换部件而解决，同时可以确认超级爆震是导致该车发动机故障的原因。分析造成该车发动机出现超级爆震的可能原因有以下几点。

图3 正常燃烧、普通爆震和超级爆震的比较

（1）燃烧室内积炭过多。聚集在气缸内某些部位上的积炭或悬浮在气缸内的炭粒可能成为火焰核，在气缸内温度较高时，这些积炭会引燃混合气。

（2）燃油清洁度不够（使用劣质燃油）。燃油中所含有的一些物理杂质和化学杂质，会在发动机压缩过程中引起自燃；燃油辛烷值较低或使用的燃油质量未达到发动机燃油标准。

（3）燃烧室内机油泄漏量过多。机油的燃点在200 ℃左右，比汽油的燃点低很多，因此若气缸内有悬浮的机油液滴，也会引起混合气自燃。

（4）发动机部件（如火花塞、气门等）局部温度过高。如果气缸内有积炭会影响到气缸换热过程，从而造成某些部件温度较高，使周围混合气达到自燃温度。

通过对这几种可能性的分析，首先明确本次的故障现象属于个例，而且新更换的发动机依然有故障出现，基本排除发动机内部积炭、部件过热及发动机设计原因造成机油泄漏进燃烧室的可能。另外，根据车主反馈，近期在当地的一家民营加油站加过2次燃油，之后就出现了当前故障，由此推测劣质燃油是造成本次故障的原因。于是用故障车燃油、中石化燃油及民营加油站燃油进行了对比测试，为了保证测试结果的准确性和一致性，用没有出现过故障的测试车辆作为参考对比。

通过测试发现，故障车和测试车加注中石化燃油后，在之前确认的早燃工况下，试车1 h，任何工况都没有超级爆震发生。加注了故障车燃油后，故障车和测试车在之前确认的早燃工况下，都出现了较为频繁的超级爆震。最后到车主加油的民营加油站加注燃油，在故障车上测试了30 min，出现了1次超级爆震。测试车加注民营加油站的燃油，同样试车30 min，没有出现超级爆震。根据测试结果汇总（表1）分析，故障车和测试车的超级爆震表现基本一致；加注故障车的燃油后，故障车和测试车都会出现较频繁的超级爆震；加注中石化燃油后，都没有超级爆震出现。由此验证车主加注的劣质燃油是导致超级爆震的根本原因。

表1 测试结果汇总

故障排除 更换故障车辆的损坏部件，加注符合品质要求的燃油后进行路试，故障不再出现。2个星期后电话回访，车主反映没有相关故障出现，至此故障排除。