LPG发动机爆燃现象分析与研究

LPG发动机爆燃现象分析与研究

王子延

火箭军工程大学核工程学院任职培训学员大队26队

摘要：柴油发动机改装成单燃料发动机使用以来，公交车在运行中，经常出现动力不足、行走无力等现象。经检查发现，大多数车辆都是由于发动机不能正常燃烧，出现爆燃，从而导致发动机活塞烧顶，甚至捣缸等情况。发动机采用的电子控制供给系统，虽然改装费用略高，但能够精确控制发动机在各工况下的空燃比、点火提前角和混合气压力等参数。就电子控制系统相对机械控制系统而言，理论上能够更精确地调整影响发动机性能的各个参数，避免爆燃现象发生。爆燃对发动机的动力性、经济性、使用寿命等影响很大，应尽量避免。因此有必要对LPC发动机的爆燃现象进行详细分析。

关键词：LPG发动机；混合器；空燃比、点火提前角；混合气压力

C发动机是在原玉柴柴油机的基础上，经过必要的结构和参数的改造，配置点火系统与美国w00DWARD公司IJ℃燃料供给系统和控制系统组合而成的，并且采用了电控混合进气、稀薄燃烧、单缸独立高能点火和全工况闭环控制技术。C发动机采用的电子控制供给系统，虽然改装费用略高，但能够精确控制发动机在各工况下的空燃比、点火提前角和混合气压力等参数。就电子控制系统相对机械控制系统而言，理论上能够更精确地调整影响发动机性能的各个参数，避免爆燃现象发生。

1.关健零部件质量特性的影响

（l）混合器的流量特性。混合器的流量应能满足发动机的要求，并根据不同需要实现混合气空燃比的调节。对于稀混燃烧，空燃比应能随负荷的变化而变化，否则，发动机难以维持稳定燃烧，引起失火或爆燃，这就要求混合器产品的种类和质量能精确控制空燃比，而且重复性要好。

（2）混合气的均匀性。通过混合器提供的U℃

燃料及空气的混合气，其混合均匀性对发动机的燃油经济性、排放性及工作稳定性都有重要的影响，混合气不均匀会引起过量空气系数入值的变化，工作循环之间及气缸之间混合气不均匀与过量空气系数入值的变化，都会使发动机工作不稳定，甚至导致失火及爆燃现象。为了精确控制空燃比，现代汽车发动机常采用微处理机对其进行电子控制。

（3）增压器产品质量。增压式气体燃料发动机的一个重要技术问题是密封性要好要防止漏气以及节气门开度小时润滑油窜人压气机，并带人气缸中燃烧，引起爆燃。

2.发动机各部件的匹配合理性

（l）电控系统与发动机的匹配。发动机配置的是美国W00DWARD公司的电子控制系统，有多个故障案例表明，该发动机的冷却水温高、点火提前角偏大，而这些参数都是由设计好的闭环控制系统进行控制的。该控制系统是否适合国情，能否充分发挥其应起的作用，还有待于进一步考证。

（2）减压调节器和混和器与发动机的匹配。减压调节器的作用是通过减压和配剂，控制然气的进气量，以适应发动机在启动、怠速、大负荷等不同工况下的正常运行，其中配剂过程是由蒸发调节器和混合器共同配合完成的，所以，减压调节器和混和器的型号应匹配。混合气的质量和数量能否适应发动机不同运行工况的需要，在很大程度上还取决于混合器的流动特性，取决于混合器与发动机的良好匹配。

因此，减压调节器和混合器与发动机应能良好匹配，产生不同的真空度，自动调节减压调节器的供气量，并使燃气与空气均匀混和，满足发动机不同工况的使用要求。

3.发动机主要运转参数的影响

（1）排气温度。使用IJC比使用汽油和柴油的燃烧排气温度较高，因此活塞、活塞环、气缸盖、气门、火花塞等零部件的耐高温性能如果不足，则有可能产生高温热蠕变问题。

（2）点火提前角。点火提前角过大，使燃烧过程的最高压力和温度增加，易引起爆震，最终导致机体温度过高，易使活塞顶部和气门烧损。点火提前角过小，会使燃烧不稳定，发动机的功率减小。

（3）过量空气系数、进气温度和压缩比。三者对发动机的影啊，在lfC燃烧特性图中己表示得很明确，只有这三者最佳组合，才能充分发挥发动机的性能。

（4）进气压力和发动机转速。进气压力高、发动机转速低时易发生爆燃。市内公交车停车、启动频繁，电控系统对上述两因素不能有效控制时，就很容易发生爆燃。

4.发动机结构的影响

（l）燃烧室结构。在改制过程中，活塞顶部燃烧室形状显得尤为重要，因燃烧室形状对燃烧室内的气流运动、燃烧过程影响特别大，试验研究表明，采用挤流面积较大、开口直径较小的盆形燃烧室有助于缩短主燃期和降低排气温度，同时，即使点火提前也不容易产生爆燃。

关于燃烧室结构的设计改进，国外已做了试验研究，结果表明，平顶形、圆柱形、方形及星云形等燃烧室能较好地适应气体燃料燃烧，其中星云形燃烧室就是为气体燃料发动机设计的，与传统的浅盆形燃烧室相比，星云形燃烧室能够使用稀混和气，过量空气系数较大，比油耗、未燃烃HC比排放及循环波动率也较低。

但广州市由柴油发动机改装成点燃式JC发动机时，目前采用原气缸盖，只是在原来安装喷油器的位置上稍作改动，装上火花塞和点火线圈。为了降低压缩比，在活塞顶部将燃烧室容积加大。这样的改动，不符合气体燃料发动机的燃烧室结构设计，一方面使得活塞顶部的机械强度、抗疲劳性等降低，在发动机的变负荷作用下，很容易将活塞损坏；另一方面柴油机的缸径相对汽油机缸径较大，不太适合点燃式发动机对缸径的要求，改造后，延长了火焰传播速度和时间，增加了爆燃的可能性。

（2）活塞承受热应力的能力。活塞是受高温燃气直接加热的零件之一，资料表明，活塞边缘处的瞬态温度波动最大，波动范围在22℃左右，活塞顶瞬态热应力幅值相当大，活塞顶面受到高频交变热应力、热冲击力，很容易使活塞顶部及边缘处剥蚀、破损。IJPG的燃烧热值比柴油高，进一步增加了活塞的受损机率。由此可见，活塞承受热应力的能力不足。

（3）火花塞的位置。火花塞在燃烧室中的位置对燃烧过程的进展有重要影响，由柴油机改装的L代；发动机，只在原喷油器孔的位置安装了火花塞，这种改装对于IJC发动机来说未必最佳。

5、控制娜瀚的主要途径

影响爆燃的因素很多，发动机工作过程中，引起爆燃的因素可能是单一的，也可能是多种因素引起的，控制爆燃，就要从影响发生爆燃的因素人手，从主到次，逐一解决。建议对目前改装的玉柴IJC发动机作以下的改进：

5.1.改善燃烧室的结构

第一，在不改进活塞材料的情况下，将活塞顶部改为平顶，缩短连杆长度，燃烧室设计在气缸盖上。这样既降低了压缩比，又能提高活塞的机械强度和抗疲劳性，改善混合气的燃烧速率，降低爆燃发生的几率。

第二，如活塞材料改进为高耐热性的合金材料，应采用适合气体燃料的星云形燃烧室，并使火花塞尽可能靠近活塞中心。这样可加强气流涡流、紊流运动，保证稀混和气快速燃烧。

5.2.重新设计火花塞的位里

在条件允许的情况下，应结合气缸盖的重新设计，将火花塞安排到最佳位置，改善燃烧室的燃烧状况，避免爆燃和不稳定燃烧现象。

5.3.加强气门组件的防漏油措施

柴油机改为IJ飞；发动机后，气门及气门座等部件受高温的影响很大，有必要选择适合的材质，提高气门组件的抗热性和防漏油性能。本田公司开发了专门用于气门座和气门面的新材料，气门座的材料中添加了耐高温和具有高润滑性的材料，气门面的材料中添加了硬质颗粒，增加了气门面的硬度。本田公司的成果对选择气门组件的材质有一定的借鉴意义。

参考文献：

【l]左智慈.燃气发动机爆震及爆震控制.能源技术，Vol.26No.1Feb.2（X）5.

【21王建华，丛立业.国内燃气发动机现状.山东内嫩机，2（X抖年第4期（总第82期）.