壓力波擾動(dòng)對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)爆震波形成的影響

續(xù) 晗，蘇曉杰，倪曉冬，翁春生，姚春德，高 健

(1.南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094；2.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

內(nèi)燃機(jī)作為廣泛使用的能源動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置，一方面消耗大量能源，另一方面向大氣排放大量廢氣.隨著節(jié)能減排的日益迫切，內(nèi)燃機(jī)面臨著進(jìn)一步的技術(shù)革新來(lái)提升熱效率、降低排放.在眾多技術(shù)革新中，內(nèi)燃機(jī)小型化的節(jié)能減排逐漸被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界認(rèn)可.內(nèi)燃機(jī)小型化通過(guò)提升壓縮比、增大進(jìn)氣增壓壓力、缸內(nèi)直噴等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)燃燒強(qiáng)化，使得升功率及熱效率進(jìn)一步提高，排放進(jìn)一步降低.但是隨著增壓壓力與壓縮比的不斷提高，缸內(nèi)熱狀態(tài)不斷加劇，致使一種新的異常燃燒現(xiàn)象——“超級(jí)爆震”出現(xiàn)[1].“超級(jí)爆震”發(fā)生后，其壓力震蕩幅值可超過(guò)30 MPa[2]，遠(yuǎn)高于常規(guī)爆震[3]，并極具破壞性，能在短時(shí)間內(nèi)將燃燒室組件破壞失效[4-5].因此可以認(rèn)為“超級(jí)爆震”是內(nèi)燃機(jī)小型化節(jié)能減排道路上的攔路虎，亟需揭示其形成機(jī)制，并從根源上抑制其形成.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)“超級(jí)爆震”開(kāi)展了廣泛研究.王志等[6-8]通過(guò)可視化快速壓縮機(jī)闡明了“早燃”和“超級(jí)爆震”的關(guān)系：“超級(jí)爆震”是由“早燃”引起的，但是“早燃”的發(fā)生并不總會(huì)引起“超級(jí)爆震”，而“超級(jí)爆震”最終是否產(chǎn)生主要決定于缸內(nèi)是否形成了爆震波.Yu 等[9]通過(guò)一維數(shù)值模擬計(jì)算證明了“超級(jí)爆震”是由爆震波形成所致.Bates 等[10]通過(guò)建立ξ/ε燃燒狀態(tài)圖，將不同的自燃模式劃分為不同燃燒區(qū)域，并將“超級(jí)爆震”歸為爆震波燃燒[10].本課題組前期在數(shù)值模擬中通過(guò)“能量注入法”來(lái)探索能量釋放與壓力波的不同耦合方式所導(dǎo)致的不同自燃模式，發(fā)現(xiàn)只有爆震波式的自燃模式才能形成“超級(jí)爆震”這樣高幅值的壓力震蕩[11].由此可見(jiàn)，“超級(jí)爆震”的本質(zhì)是爆震波的形成.要揭示“超級(jí)爆震”的形成機(jī)制并找到其抑制方法，就需進(jìn)一步研究?jī)?nèi)燃機(jī)缸內(nèi)爆震波的形成過(guò)程及其影響因素.

為了進(jìn)一步揭示爆震波在封閉有限空間內(nèi)的形成過(guò)程及其影響因素，本研究設(shè)計(jì)了一套爆震容彈裝置，通過(guò)在容彈中心人為引入一個(gè)爆燃波來(lái)研究缸內(nèi)爆燃轉(zhuǎn)爆震的過(guò)程.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)在容彈不同位置布置多個(gè)壓力傳感器來(lái)同步采集獲取缸內(nèi)爆震波形成前后的壓力波動(dòng)規(guī)律，從而探索缸內(nèi)壓力波擾動(dòng)對(duì)爆震波形成的影響.結(jié)合實(shí)驗(yàn)，本研究建立了一套數(shù)值模型來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)條件下的爆燃轉(zhuǎn)爆震過(guò)程.在該過(guò)程中，本研究通過(guò)人為干涉缸內(nèi)壓力波動(dòng)的方法來(lái)揭示缸內(nèi)壓力波擾動(dòng)對(duì)爆震波形成的影響機(jī)制.

1 研究方法

1.1 爆震容彈實(shí)驗(yàn)

爆震容彈實(shí)驗(yàn)用于獲取封閉有限空間內(nèi)爆燃轉(zhuǎn)爆震過(guò)程中不同位置處的壓力波動(dòng)規(guī)律，從而探索缸內(nèi)壓力波擾動(dòng)對(duì)爆震波形成的影響.在本課題組前期工作中，已經(jīng)對(duì)該爆震容彈裝置做了詳細(xì)介紹，下面只對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，詳細(xì)信息請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[12-13].

爆震容彈系統(tǒng)由4 部分組成，分別是爆震容彈本體、進(jìn)排氣系統(tǒng)、高能點(diǎn)火系統(tǒng)以及信號(hào)同步采集系統(tǒng).爆震容彈本體如圖1 所示，其缸徑為83 mm，缸蓋錐角為140°，實(shí)驗(yàn)所采用的余隙為0 mm，以模擬活塞行進(jìn)到上止點(diǎn)位置.高能火花塞(GDH-12)安裝于燃燒室中心位置，以便從中心位置引燃一個(gè)爆燃波，從而模擬內(nèi)燃機(jī)中由早燃引起的爆燃轉(zhuǎn)爆震過(guò)程[8].通過(guò)在爆震容彈4 個(gè)不同位置平齊安裝4 個(gè)壓電式傳感器(PCB 119B11)和4 個(gè)電荷放大器(PCB 402A03)來(lái)監(jiān)測(cè)由爆燃火焰面所形成的壓力波行為以及隨后的爆震波起爆過(guò)程.該套壓電式傳感器的共振頻率大于400 kHz，上升時(shí)間小于2μs，其獲取的信號(hào)由DLM2000 示波器進(jìn)行同步采集并記錄，其采集頻率為625 MHz.如此高頻率的信號(hào)同步采集系統(tǒng)可以完整捕捉到封閉有限空間內(nèi)的壓力波動(dòng)行為及爆震波形成過(guò)程.

圖1 爆震容彈示意[13]Fig.1 Schematic of detonation bomb[13]

實(shí)驗(yàn)所用燃料為氫氣，一方面氫氣的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理已經(jīng)研究得相對(duì)透徹，且其所包含的基元反應(yīng)數(shù)量相對(duì)較少，嵌入數(shù)值模擬中，其計(jì)算量可以接受；另一方面，氫氣作為替代燃料也被廣泛應(yīng)用于新型發(fā)動(dòng)機(jī)中，然而氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷情況下同樣會(huì)遇到類似于“超級(jí)爆震”這樣烈性的爆震現(xiàn)象，阻礙其在全工況范圍內(nèi)的應(yīng)用.因此本研究采用H2/O2為可燃混合氣，其中氫氣為高純氫氣(＞99.999%)，氧氣也為高純氧氣(＞99.999%)，以避免雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性的影響.兩種氣體通過(guò)控制分壓的方法充入爆震容彈中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)量比的控制.本實(shí)驗(yàn)中所用H2/O2混合氣的當(dāng)量比為1，初始溫度為298 K，初始?jí)簭?qiáng)為0.3 MPa.

1.2 數(shù)值模型

數(shù)值模型基于爆震容彈實(shí)驗(yàn)建立，其邊界條件和初始條件同爆震容彈的實(shí)驗(yàn)條件保持一致.由于爆震容彈的幾何形狀是軸對(duì)稱的，且所研究的物理現(xiàn)象也是軸對(duì)稱的，因此數(shù)值模型采用軸對(duì)稱模型，如圖2 所示.

圖2 爆震容彈數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of detonation bomb

由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程用時(shí)極短，從火花塞點(diǎn)火到爆震波形成大概用時(shí)150μs，這個(gè)過(guò)程中熱量來(lái)不及向壁面?zhèn)鬟f，因此壁面邊界條件采用絕熱條件.值得注意的是，在壓力波的震蕩作用下，壁面邊界層會(huì)被破壞，從而壁面?zhèn)鳠釙?huì)增強(qiáng)，因此本文所用的絕熱條件只是一個(gè)假設(shè)，在該短時(shí)間內(nèi)，有多少熱量向壁面?zhèn)鳠徇€值得進(jìn)一步研究.但是該壁面?zhèn)鳠岵⒉挥绊懕疚膶?duì)壓力波擾動(dòng)致使爆震波形成的定性研究，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，仍然采用絕熱邊界條件.為了和實(shí)驗(yàn)做對(duì)比驗(yàn)證，數(shù)值模型中置入了4 根“線監(jiān)測(cè)”，如圖2 所示，其位置與實(shí)驗(yàn)中4 個(gè)傳感器的位置相同(如圖1所示).“線監(jiān)測(cè)”所獲取的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)為整根線上所有節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)的平均值，這種獲取方式與實(shí)際實(shí)驗(yàn)中壓力傳感器獲取壓強(qiáng)的方式相似：壓力傳感器上所獲取的壓強(qiáng)值也是傳感器受壓面上的平均值.由于119B11 傳感器的傳感面為直徑6 mm 的圓形面，因此“監(jiān)測(cè)線”的線長(zhǎng)取該傳感面內(nèi)切正方形的邊長(zhǎng)，為4.24 mm.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由高能火花塞在容彈中心位置引燃一個(gè)爆燃波.該爆燃波由一個(gè)前導(dǎo)激波和一個(gè)化學(xué)反應(yīng)面組成.由于前導(dǎo)激波的傳播速度大于化學(xué)反應(yīng)面的燃燒速度，因此燃燒火焰面在傳到末端之前，該前導(dǎo)激波會(huì)在燃燒室內(nèi)進(jìn)行多次反射震蕩.與該實(shí)驗(yàn)過(guò)程相同，數(shù)值模型的初始條件如圖2 所示.在燃燒室的中心有一個(gè)半徑3.5 mm 的已燃區(qū)域，該區(qū)域溫度和壓力都比周圍高，具體初始條件如表1 所示.數(shù)值模擬開(kāi)始后，已燃區(qū)域的高溫促使燃燒火焰面向外發(fā)展；另一方面，由于已燃區(qū)域的壓力比周圍高，因此會(huì)形成一個(gè)壓力波向外傳播.這樣就形成了實(shí)驗(yàn)中的爆燃波.隨著火焰面逐漸向四周傳播，前導(dǎo)激波在缸內(nèi)進(jìn)行了多次反射震蕩，并對(duì)末端混合氣進(jìn)行了多次壓縮，直至末端出現(xiàn)自燃甚至是爆震波現(xiàn)象.該過(guò)程同內(nèi)燃機(jī)“超級(jí)爆震”中“早燃”引起“爆燃”，再由“爆燃”引起“爆震波”過(guò)程基本相同[14].

表1 數(shù)值模擬初始條件設(shè)置(物質(zhì)組分的數(shù)值為質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Setting of initial conditions of numerical simulation(the values of mixture components are their mass fractions)

由于該模擬對(duì)象是壓力波或是爆震波這種具有強(qiáng)間斷的流場(chǎng)，因此采用基于密度方法的可壓流體進(jìn)行瞬態(tài)模擬.這種具有強(qiáng)間斷的流場(chǎng)的慣性力遠(yuǎn)大于黏性力，因此模擬采用無(wú)黏的歐拉方法.為了更好地分辨強(qiáng)間斷面，采用AUSM(Advection Upstream Splitting Method)的矢通量格式[15].空間離散采用混合了中心差分及二階迎風(fēng)差分的MUSCL(Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws)格式[16].該數(shù)值模擬采用Marcus O Conaire 等開(kāi)發(fā)的H2/O2詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理.該機(jī)理包含21 個(gè)基元反應(yīng)和9 種物質(zhì)，并且在較寬的溫度、壓力及當(dāng)量比范圍內(nèi)得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[17].本課題組前期研究已對(duì)該數(shù)值模型已經(jīng)進(jìn)行了多次驗(yàn)證，因此用其來(lái)模擬壓力波擾動(dòng)促使爆震波形成過(guò)程具有較好的基礎(chǔ)[4-5,12-13,18].

2 結(jié)果及討論

2.1 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證

爆震容彈不同位置處壓強(qiáng)曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)值結(jié)果如圖3 所示，其相應(yīng)位置可分別參見(jiàn)圖1 和圖2.由圖3 可以看出，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面.首先，不論是實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是數(shù)值結(jié)果，在活塞邊緣處都出現(xiàn)了極高的壓強(qiáng)峰值.實(shí)驗(yàn)結(jié)果的壓強(qiáng)峰值為25.1 MPa，數(shù)值結(jié)果的壓強(qiáng)峰值為28.9 MPa，兩個(gè)結(jié)果都表明爆震波在末端形成.其次，數(shù)值模擬中4 個(gè)位置處的壓強(qiáng)震蕩幅值及特征與實(shí)驗(yàn)結(jié)果中4 個(gè)位置處的震蕩幅值及特征基本吻合.通過(guò)上述對(duì)比驗(yàn)證說(shuō)明，采用該數(shù)值模擬可以合理解釋爆震容彈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

下面簡(jiǎn)要分析容彈中爆震波的形成過(guò)程.如圖3(a)所示，當(dāng)高能火花塞點(diǎn)火后，會(huì)在活塞中心產(chǎn)生一個(gè)爆燃波，爆燃波的前導(dǎo)激波作用在活塞中心上形成了3.7 MPa 的壓強(qiáng)峰值.隨后該前導(dǎo)激波由活塞中心向邊緣傳播開(kāi)去，如圖3(a)中紅色虛線所示，依次經(jīng)過(guò)活塞一半處、活塞邊緣處，并依次在相應(yīng)位置產(chǎn)生了一道壓強(qiáng)峰值.隨后，該前導(dǎo)激波在傳播到邊緣處后，遇壁面向中心反射，以此在燃燒室內(nèi)不斷震蕩.因此，在爆燃火焰面還未傳播到邊緣時(shí)，該前導(dǎo)激波已在燃燒室不同位置處引起了多個(gè)壓強(qiáng)震蕩峰值，并對(duì)末端混合氣進(jìn)行多次壓縮.最終，該前導(dǎo)激波在對(duì)末端混合氣的某次壓縮過(guò)程中引起了末端混合氣的強(qiáng)烈自燃，從而誘發(fā)爆震波形成，產(chǎn)生了超過(guò)20 MPa 的壓強(qiáng)峰值.

圖3 爆震容彈不同位置處壓強(qiáng)曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)值結(jié)果Fig.3 Curves of pressure at different positions of detonation bomb obtained from experiments and simulations separately

在上述震蕩過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)壓力波的一個(gè)震蕩特點(diǎn)，那就是壓力波在震蕩過(guò)程中，其強(qiáng)度在逐漸增強(qiáng)，直至最后引起爆震波的形成.如圖4 所示是缸蓋處壓強(qiáng)震蕩曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.由圖可以看出，初始的爆燃前導(dǎo)激波強(qiáng)度并不高，其在缸內(nèi)來(lái)回反射震蕩過(guò)程中形成了一些小的壓力波峰，幅值大概在0.5 MPa.隨著該前導(dǎo)激波的來(lái)回震蕩，其不斷與火焰面發(fā)生相互作用，致使該前導(dǎo)激波強(qiáng)度得到不斷增強(qiáng).最終，壓力波增強(qiáng)到2 MPa 后，對(duì)末端混合氣的再次壓縮過(guò)程中，促使了末端混合氣的強(qiáng)烈自燃，導(dǎo)致爆震波的最終形成.該爆震波的前導(dǎo)激波要遠(yuǎn)強(qiáng)于初始爆燃波的前導(dǎo)激波，帶來(lái)了后期大幅值的壓力震蕩.該大幅值的壓力震蕩會(huì)在短時(shí)間內(nèi)將燃燒室組件破壞失效，因此亟需避免.缸內(nèi)壓力波震蕩增強(qiáng)的機(jī)理可以參見(jiàn)本課題前期研究[19]，此文不再贅述，僅探討擾動(dòng)增強(qiáng)的壓力波對(duì)超級(jí)爆震形成的影響.

圖4 缸蓋處壓強(qiáng)曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Curve of pressure in cylinder head region obtained from experiments

除了本研究的爆震容彈實(shí)驗(yàn)觀察到了激波擾動(dòng)增強(qiáng)促使爆震波形成現(xiàn)象外，在研究“超級(jí)爆震”的實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中，也可以捕捉到該現(xiàn)象.例如，Zhou 等[20]所做的“超級(jí)爆震”臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中，也可從其測(cè)得的壓強(qiáng)震蕩曲線中觀察到“超級(jí)爆震”發(fā)生之前的激波擾動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)象，如圖5 所示.因此，可以猜測(cè)，壓力擾動(dòng)對(duì)缸內(nèi)末端爆震波形成以及“超級(jí)爆震”的形成具有一定的影響作用.為了進(jìn)一步探究缸內(nèi)壓力擾動(dòng)對(duì)爆震波形成的促進(jìn)作用，本研究在2.2節(jié)中采用了一組數(shù)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比論證.

圖5 內(nèi)燃機(jī)“超級(jí)爆震”臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中壓強(qiáng)震蕩曲線(從文獻(xiàn)[20]中重構(gòu))Fig.5 Curves of pressure oscillations in super knock event of internal combustion engine bench tests(reconstructed from Ref.[20])

2.2 壓力擾動(dòng)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖6 所示是在實(shí)際爆震容彈實(shí)驗(yàn)條件下(見(jiàn)表1)，模擬爆震容彈實(shí)驗(yàn)中爆震波起爆過(guò)程的壓力云圖和溫度云圖.可以看到267μs 時(shí)，缸內(nèi)的壓力波正在向末端未燃混合氣傳播(如圖6(d)所示).此時(shí)的壓力波已經(jīng)在缸內(nèi)來(lái)回震蕩多次，并在和火焰面的相互作用中得到了增強(qiáng)，使得該壓力波具有2 MPa 左右的峰值.如圖6(e)所示，268μs 時(shí)，壓力波趕上了爆燃火焰面，并進(jìn)一步向末端未燃混合氣傳播.一方面，由于該增強(qiáng)后的壓力波對(duì)末端混合氣進(jìn)行了再一次的強(qiáng)烈壓縮；另一方面，由于該壓力波和爆燃火焰面的相互作用，導(dǎo)致了爆燃火焰面的化學(xué)反應(yīng)速率急速增加，在268.5μs 時(shí)，形成了局部爆炸點(diǎn)(如圖6(f)).該局部爆炸點(diǎn)促使了爆燃火焰面和壓力波的耦合，從而促使爆震波的最終形成，該壓力擾動(dòng)也急劇增強(qiáng)，形成幅值為30 MPa 左右的激波.

圖6 壓力波擾動(dòng)下的爆震波起爆過(guò)程Fig.6 Detonation initiation process affected by pressure wave disturbance

為了進(jìn)一步探索爆震波形成是否是由增強(qiáng)壓力波擾動(dòng)引起的，本研究對(duì)該數(shù)值過(guò)程進(jìn)行了人為修改.在267μs 時(shí)刻，通過(guò)對(duì)全場(chǎng)壓強(qiáng)統(tǒng)一賦值為此時(shí)末端混合氣的壓強(qiáng)值，來(lái)消除爆震波形成前的壓力波動(dòng).由于 267μs 時(shí)末端未燃混合氣的壓強(qiáng)值為1.4 MPa，因此全場(chǎng)壓強(qiáng)值賦值也為1.4 MPa.另一方面，為了和原模擬形成可比性，在燃燒室中心位置同樣賦值了一個(gè)壓強(qiáng)幅值為0.2 MPa 的初始小壓力擾動(dòng)(賦值區(qū)域的壓強(qiáng)為1.6 MPa)，如圖7(d)所示.這樣就可以對(duì)比探究在壓力擾動(dòng)沒(méi)有得到增強(qiáng)的情況下，末端是否還會(huì)形成爆震波.

對(duì)比圖7(d)和圖6(d)的壓強(qiáng)云圖，可以看到更改后的數(shù)值計(jì)算中，消除了多次震蕩增強(qiáng)的壓力波，只留下了中心處的初始小擾動(dòng).計(jì)算開(kāi)始1μs 后，由于末端爆燃火焰面繼續(xù)快速放熱，在火焰面前鋒又形成了新的壓力擾動(dòng)[21]，如圖7(e)所示.該壓力擾動(dòng)向末端尖角處傳播，并在尖角處匯聚產(chǎn)生了較高的壓強(qiáng)峰值如圖7(f)所示.該尖角匯聚現(xiàn)象已在前期研究中進(jìn)行了深入分析[4-5,12-13,18]，由于此時(shí)的壓力擾動(dòng)還未得到進(jìn)一步的震蕩增強(qiáng)，因此該匯聚峰值也較小，不足以引起末端混合氣的自燃或者爆震波現(xiàn)象.隨后，該小擾動(dòng)和燃燒室中心的初始小擾動(dòng)在缸內(nèi)進(jìn)行了多次反射震蕩，在此過(guò)程中，爆燃火焰面也逐漸向末端發(fā)展.直至350μs，缸內(nèi)小擾動(dòng)震蕩增強(qiáng)到0.5 MPa 并在末端混合氣還未燒完前，最后一次追趕上爆燃火焰面并與之相互作用，如圖7(g)和7(j)所示.在該小擾動(dòng)波的作用下，末端混合氣被爆燃火焰面燃盡，如圖7(h)和7(k)所示.整個(gè)過(guò)程都沒(méi)有出現(xiàn)壓力波的急劇增強(qiáng)以及爆震波的形成，這足以說(shuō)明，如果小擾動(dòng)沒(méi)有足夠次數(shù)的反射震蕩增強(qiáng)，就不會(huì)誘發(fā)末端混合氣的爆震波現(xiàn)象.

圖7 無(wú)增強(qiáng)壓力波擾動(dòng)下的末端混合氣燃燒過(guò)程Fig.7 Combustion process of end gas without pressure wave disturbance

為了進(jìn)一步證明上述說(shuō)法，對(duì)無(wú)小擾動(dòng)增強(qiáng)的數(shù)值模型中不同位置處的壓強(qiáng)震蕩曲線進(jìn)行了記錄，如圖8 所示.將圖8 與圖3(b)進(jìn)行對(duì)比可知，如果缸內(nèi)沒(méi)有增強(qiáng)后的壓力擾動(dòng)，末端就不會(huì)形成爆震波，缸內(nèi)壓強(qiáng)震蕩幅值就會(huì)小很多，對(duì)應(yīng)于內(nèi)燃機(jī)而言，其爆震烈度可從“超級(jí)爆震”降為“普通爆震”，其破壞性也會(huì)減少很多，有助于發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)穩(wěn)定工作.

圖8 消掉增強(qiáng)壓力擾動(dòng)后的缸內(nèi)不同位置處壓強(qiáng)震蕩曲線Fig.8 Curves of pressure oscillations at different positions in the cylinder without pressure wave disturbance

3 結(jié)論

本研究通過(guò)爆震容彈實(shí)驗(yàn)得出了缸內(nèi)爆震波形成前后的壓力波動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)在爆震波形成前總會(huì)出現(xiàn)壓力擾動(dòng)的增強(qiáng)現(xiàn)象；通過(guò)基于爆震容彈實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比有無(wú)壓力擾動(dòng)增強(qiáng)情況下缸內(nèi)的燃燒情況，發(fā)現(xiàn)如果缸內(nèi)的壓力擾動(dòng)有充足次數(shù)的震蕩增強(qiáng)，致使壓力波增強(qiáng)到某一臨界值，則會(huì)促使爆震波的形成，從而產(chǎn)生大幅值的壓強(qiáng)震蕩；如果在爆震波發(fā)生時(shí)刻之前，將增強(qiáng)的壓力擾動(dòng)及時(shí)消掉，就不會(huì)形成爆震波現(xiàn)象，末端未燃混合氣會(huì)逐漸被爆燃火焰面通過(guò)傳熱傳質(zhì)的方式燃燒完全.此時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)震蕩幅值較有爆震波形成的情況下要小很多，其烈度從“超級(jí)爆震”降為“普通爆震”，其破壞性也會(huì)減少很多.

因此內(nèi)燃機(jī)在大負(fù)荷運(yùn)行中，如果缸內(nèi)熱負(fù)荷嚴(yán)峻，應(yīng)當(dāng)在爆震波形成前及時(shí)消除缸內(nèi)的增強(qiáng)壓力擾動(dòng)，這樣會(huì)降低爆震波形成的幾率，有助于降低內(nèi)燃機(jī)的爆震烈度，從而降低其破壞性，使內(nèi)燃機(jī)能持續(xù)穩(wěn)定工作.