气缸

高压缩比发动机为何能用92号汽油抑制爆震

发布时间:2023/6/23 17:11:59   

高压缩比发动机可以兼容92号汽油并不稀奇,之所以会产生这种疑惑主要是很多车友的思维还停留在过去;高压缩比代表发动机运行时燃烧室面临更高的压力、更高的温度,这种恶劣的工况的确更容易导致爆震的产生,所以一直以来高压缩比发动机往往更适合使用95号汽油。

因为95号汽油中更高的辛烷值比例,可以很好地抑制住燃烧速度,避免过热、高压状况的出现,从而规避掉爆震(自燃);而利用高辛烷值比例抑制爆震可以理解为利用燃料来防止爆震,在过去这几乎是唯一可行的控制爆震手段;所以过去赛车所使用的燃料都是高比例的乙醇汽油(热值低,不代表没有汽油,现在赛用燃料也是醇基)。

因为自然吸气发动机想更有爆发力,高压缩比是关键,但过高的压缩比意味着难以控制的爆震,所以利用醇类的高辛烷值来抑制爆震;那时候就是利用化学手段来对爆震进行控制,但时代、科技都在发展,现如今各大车企对爆震的控制已经不再拘泥于燃料层面;现如今主机厂已经通过发动机燃烧室的结构设计、燃油喷射策略、材料、电控技术等方式来抑制爆震。

与过去相比较现如今的内燃机,对汽油的兼容能力要更强,高压缩比(或增压,增压机机械压缩比不高,等效压比大)匹配低标号燃油最大难点就是爆震问题,因为低辛烷值燃料本身抑制爆震的能力差;但导致爆震的根本原因在于高温、在于点燃与自燃火花的相互冲击,那么只要避免这两种状况的出现就能很好地避开爆震问题了。

爆震到底是怎么样的一种状态

很多朋友对爆震的理解是因为缸内高温,导致部分混合气被压燃(自燃),所以自燃就等同于爆震?实际上无论是自燃、还是点燃都没问题,柴油机都是压燃的为什么就不算爆震?爆震所指的是点燃、自燃两种状态同时出现,活塞附近出现自燃火花往上端进行传播,而顶部的火花塞点火后火花往下进行传播,两股火花发生碰撞后所产生的冲击就是爆震,所以自燃不等于爆震,但爆震一定是由于混合气自燃所导致的。

发动机结构设计层面对爆震的抑制

写到这各位应该明白爆震就是在发动机一次压缩冲程内自燃、点燃同时出现,用高辛烷燃料的确可以抑制自燃,那么在没有高辛烷燃料时该如何避免自燃?其实很简单,既然没办法避免自燃的产生,那么就加快点燃火花的传播速度,也就是说在活塞附近的混合气遇到高温、高压呈现自燃的趋势时,点燃过程已经结束了,这样是不是就避免了自燃的出现?

燃烧室形状从“扁宽”变为“细长”

往回数个2、0年,大多数发动机的气缸都属于大缸径、短行程(或等长),如此设计的好处在于行程短、曲柄力臂短,对曲轴造成的负荷相对小一些,所以更适合超高的峰值转速,因为行程短所以转速的攀升非常迅速(如地板油1秒破转),但扁宽的设计等同于增加了火花横向传播的距离,如果火花传播速度是定值,那么距离越长、消耗的时间就越长,那么点燃火花与自燃火花的赛跑就很难取胜。

而现如今主流的发动机都采用小缸径、大行程的设计(如上图对比),同样的排量缩小缸径、而拉长行程,拉长的曲柄力臂使得发动机低转速下扭矩更佳;而小缸径等同于缩短了点燃火花横向传播的距离,假如火花传播速度是定值,传播距离缩短、所消耗的时间就更短,这样一来点燃火花就会比自燃火花传播得更快;当然我们该考虑的仅仅是建立在点火后的自燃情况,如果火花塞还没点火就开始自燃,这样的机器要么是存在设计缺陷,要么就该大修了。

活塞与火花塞的巧妙设计

仅仅通过缩小缸径的方式还是不够的,但毕竟是这些年来内燃机进化的趋势,马自达在小缸径的基础上,又在活塞的中心处设计了一个凹孔,活塞上行到接近上止点处时、混合气就被压入到凹孔内部,进一步的被压缩了空间,等同于火花横向传播半径又被缩小,那么点燃火花传播时间就更短了,如此来起到加快点燃火花传播的作用;当然这也仅仅是一种理念上的趋势,未来可能这种设计会越来越多。

如果说马自达盆型活塞设计是质朴的,那么湍流喷射点火就是最华丽的解决方案,目的同样在于提高点燃火花的传播速度;这套系统拥有两个火花塞,一个负责正常点火,而另一个火花塞与喷油嘴组成燃烧室,这个预燃烧室所完成的工作就是喷少量油、在与燃烧室内点燃,然后喷射到主燃烧室点燃压缩混合气,寻常的火花塞跳火毕竟是势单力薄,指望着这点火花在高温、高压的条件下完全点燃混合气而避免自燃的产生无疑是太难了。

而这套湍流喷射系统的预燃烧室完全是在喷火,如上图所示蓝色部分为主燃烧室待点燃的压缩混合气,红色为预燃烧室喷射出来的无数火花,火花塞跳火的能量是有限的,而与燃烧室喷射的火焰能量巨大,可以迅速向外扩散,混合气还没来得及自燃、已经被迅速点燃了,这种技术在F1、超跑领域上很常见;高增压机往往通过降低压缩比来抑制爆震,那如果是高增压、高压缩比发动机该如何解决爆震问题?这种预燃烧室的设计就是很理想的解决方案。

材质、排气系统的升级

本文已开始就提到了导致爆震的根本是燃烧室的高温,因为混合气的自燃是高温所引起的,那么只要避免高温、热堆积,就能很好地避免混合气自燃,从而抑制爆震;最近这些年来铝合金缸体逐渐普及也有这方面的考量,铝合金缸体的优势不仅仅是轻,更重要的是其优秀的导热能力,可以更好的将每次燃烧后的残余热量及时导出,避免残余热量不断堆积。

如上图所示,这就是4-2-1排气,1、4共用一路,2、共用一路;因为4缸机的点火顺序为1、、4、2缸,所以传统的4-1排气1、缸之间的排气会相互阻碍,降低发动机排气效率,导致不能快速把废热排出,而4-2-1排气就很好地解决了这个问题,1、4缸不存在排气干涉,2、缸也不存在排气干涉,这样4-2-1排气就解决了排气干涉问题,实际上这这种设计其实就是为了控制燃烧室温度,每一个循环都残留点热量,多次循环后所堆积的热量就不可估量了。

电控技术对爆震的抑制

除了上述之外,电控技术的不断发展也起到了对爆震强有力的抑制作用;比如爆震传感器的普及、自动微调的点火角、直喷系统丰富的喷油策略等等,这些技术也是抑制爆震的关键;举一个简单的例子,当爆震传感器检测到有爆震的趋势,系统会自动推迟点火降低缸压、温度,等同于降低燃烧室的等效压缩比(等效压缩比与机械压缩比是两个概念,等效压比是变化的),如果温度还是高直喷系统还可以连续喷几次油来降温,从而使得规避掉爆震。

总而言之通过高标号汽油、降低压缩比来抑制爆震最简单的方式,但98号汽油是每一位普通汽车用户都能承受得起的么?而环保、排放规则的越发严格,内燃机高压缩比化是一个必然趋势,尤其是高压缩比、高增压值的发动机,仅依靠燃料的辛烷值去抑制爆震是不现实的;AMGA45的M1发动机压缩比只有8.8都必须使用98号汽油,如果压缩比达到11呢?难道要用号汽油?所以过去那套只通过燃料本身、低压缩比控制爆震的手段已经过时了。

比较现实的就是95号汽油都9元以上了,所以大多数普通车友只能承受92号汽油,而发动机的压缩比只会越来越高,一边是高昂的油价而另一边是不断提高的压缩比,这时候该如何抉择?通过压缩比、燃料控制爆震的想法已经不可能实现,所以就只能另辟蹊径寻找其它的控制爆震手段;如上述的降温、缩短火花传播路径、电控策略等等,所以马自达高达1的压缩比(奥托循环下)依然可以烧92号汽油。



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