爆震对活塞(甲醇点燃式发动机 )破坏的试验研究

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所属分类:实验测试

甲醇点燃式发动机爆震会对活塞造成破坏,同时,高甲醇替代比情况下存在的爆震现象也制约着甲醇的使用。甲醇作为发动机燃料时, 发生爆震的表现及破坏形式与传统汽油发动机有着很大相似之处,许多研究对爆震现象有了很多解释, 多数集中于燃烧控制方面。

甲醇发动机与爆震

甲醇作为一种受到普遍重视的代用燃料, 因为改装的简便, 在点燃式发动机上得到了广泛的应用。一般为了保证燃用甲醇改装发动机的经济性及动力性, 普遍通过用增加活塞行程的手段提高原机的压缩比。然而, 点燃式发动机压缩比提高的同时, 爆震发生的倾向也随之明显。爆震是限制发动机在设计和使用阶段提高效率的重大因素。这主要是因为爆震会导致发动机原件的损害。
爆震是发动机一种不正常的工作状态。当其发生时, 发动机气缸会突发持续震动以及异常声响, 削弱发动机输出功率、升高燃烧温度、增加燃料消耗, 并对机体造成一定程度的损害。爆震的特点是不需要火花塞介入, 混合气仍可被点燃或自行着火。爆震波以共振频率从一缸的燃烧室壁传播到另一缸。冲击压力持续时间很短, 但增加的幅度较高, 导致高频率敲击的声音。极重的爆震声音令人反感同时损伤发动机本体, 尤其在活塞表面产生了极大的破坏。爆震是内燃机研究中争论最多和最不完全理解的现象之一, 目前相当大的努力一直致力于了解复杂的爆震现象及其影响因素, 取得了许多进展, 为减少爆震发生提供了极大帮助。
爆震发生时最突出的问题是强烈爆震造成活塞极大的损坏。即使是交变负荷, 发动机的冷却系统依然正常工作的条件下, 爆震发生时也会使活塞失效, 甚至将顶部击穿。车用发动机活塞的材料以共晶或过共晶铝硅 (Al-Si) 合金为主, 添加铜, 镁, 镍等辅助元素制造, 具有良好的高温强度、耐磨性、耐热性和较低的热膨胀系数。爆震发生时活塞材料被烧穿, 表明爆震对活塞表面的作用有一个较为长久的过程。爆震产生后对活塞材料的破坏, 一般没有确定的位置, 而且发生的时间也很短。

试验设备与方法

试验发动机为一台直列4缸、4冲程、双顶置凸轮轴4气门、可变气门正时1.5 L自然吸气点燃式发动机。燃料控制系统是专门为使用甲醇燃料而开发, 燃料系统压力为0.35 MPa, 燃烧喷射系统采用Bosch电控喷油嘴。

Kistler6052缸压传感器安装位置距火花塞有较大距离, 其中会保留一部分滞燃混合气, 这部分混合气着火很迟, 因此容易检测爆震燃烧。采用这种布置方式, 可使材料试件安装孔附近的挤气间隙中产生自燃, 从而在活塞顶面范围内形成爆震损坏。利用数字控制的电子线圈点火, 其点火提前角精确到±1°曲轴转角。采用上述装置以及措施使发动机能在恒定可重复的条件下产生持续可观测爆震工作。
试验中选用Si质量分数为12%的牌号4047Al-Si合金活塞。为了消除杂质的影响并提高性能, 加入了强化相, 主要为RE变质剂, 赤磷变质剂, 磷盐变质剂等。

在运行台架试验时, 通过增大点火提前角0.5°~1.0°, 强制爆震发生, 经过油门全开条件下的交变负荷试验时, 分别在发动机运行到303 h和480 h后发生爆震, 结果第3缸和第1缸 (从曲轴前端) 活塞分别被损坏。试验的发动机为四冲程, 分为进气、压缩、做功和排气, 在转两圈即720°的时间内只经历一次燃烧过程。排气过程尽管是高温, 但是没有高压。爆震产生后对活塞材料的破坏, 既没有确定的位置, 而且发生的时间也较短。

发动机经过长时间大负荷工作循环之后, 明显发生了失效, 判断其中一缸发生了活塞损坏, 无法做功。经过拆机检验, 将失效的活塞进行切样处理。金相观察试验在经过腐蚀后在光学显微镜下观察, 扫描试验通过一台Hitachi HY-1s4800型扫描电镜观察, 使用了X射线衍射仪分析了不同部位的合金成分变化。

试验结果及讨论

爆震压力循环

发动机台架标定过程中, 于低速 (1 300 r/min) 大负荷区域出现了爆震燃烧现象。爆震时发动机每隔几分钟会发生几次严重爆震, 发生时明显听到尖锐的金属敲击声。爆震在发动机各缸均会随机出现。发生爆震的燃烧循环表现为最大爆压非常高, 达到正常燃烧最大爆压的2倍以上, 此异常燃烧现象类似于超级爆震。将点火提前角设定在0°曲轴转角 (燃烧上止点) , 可以看出, 发生超级爆震时, 在火花塞点火之前缸内已发生了早燃, 使缸内压力迅速大幅度升高, 缸压升高到一定程度后 (10 MPa) 缸内压力出现高频巨幅震荡, 压力波振荡频率约10 k Hz。严重爆震发生后, 活塞就被突然击穿失效。

活塞损坏微观检测机机理

在前述试验条件下, 发动机运行多次爆震循环后产生实效, 其中原机第1缸 (从曲轴前端) 活塞产生无法修复损坏, 对应的缸压分析如图5所示。

对损坏的活塞进行金相分析, 发现失效活塞的表面金相与原装活塞有了极大改变。图a为原活塞表面的金相图。该活塞材料成分为铸造过共晶Al-Si合金, 经过时效强化。可见其中的硅铝合金分布非常均匀, 硅元素作为β相沉积在铝基底中, 使原活塞的表面的力学性能达到合格状态。

图b、c分别为爆震破坏后的活塞中心及裙边金相图。因为活塞中心被爆震压力波熔穿, 在图b中, 经过甲醇非正常燃烧产生的爆震热力冲击, 活塞表面的同种元素积聚, 破坏原有金相, 不再均匀分布, 无法达到原有结构的性能。图b中的球状亮点为氧化硅硬质点。图c显示活塞裙的α相/β相聚集分布现象更为明显。这是由于爆震的热冲击波侵蚀导致活塞结构变形, 发动机拉缸的同时也发生烧蚀, 活塞裙的材料结构失效, 性能彻底恶化。

爆震对活塞(甲醇点燃式发动机 )破坏的试验研究

(a) 原活塞表面的金相图

爆震对活塞(甲醇点燃式发动机 )破坏的试验研究

活塞的金相图

 

甲醇爆震后活塞的形貌及相组成

爆震破坏后的活塞表面形貌

下图给出了受到爆震破坏后的活塞表面形貌。图a为活塞中心点的表面形貌, 可以看出, 因为受到爆震冲击波的最直接破坏, 活塞中心表面形成了大量氧化物, 硅元素被快速氧化为Si O2, Si O2在燃烧室内高温作用下熔化, 由自身张力作用成为球形发光体。这种材料极易发生破碎, 是使原有结构失能的微观基础。图b为活塞中心与裙边1/2位置的表面形貌, 虽然没有活塞中心的氧化剧烈, 但不可避免仍有大量的Si O2球状物生产, 而冲击波破坏的效果非常明显, 大量的微空洞导致了合金结构的解离。而图c所示活塞裙边仍有大量的合金结构, 氧化破坏退而居于物理破坏之后成为次要的活塞失能因素。

爆震对活塞(甲醇点燃式发动机 )破坏的试验研究

爆震后活塞的表面形貌扫描

爆震破坏后产物的相组成

在Al-Si合金中, 加入Mg和Cu的强化效果是显著的, 能进一步提高合金的常温和高温力学性能, 这是由于Mg和Cu的加入在A1-Si合金形成Mg2Si、A12Cu及Al2Cu Mg等化合物, 利用这些新相在α固溶体中的溶解度随温度的变化而改变的规律来使合金得以强化。Cu的加入还能改善合金的切削性能并能提高表面光洁度。磷的加入起到异质核心作用。磷作为初晶硅常用的有效变质剂, 在合金液中容易与铝反应生成熔点较高的Al P (1 000℃) 化合物。磷除了起异质核心作用外, 还吸附在硅晶面上, 使其产生多重孪晶。

对试样结果的讨论

通过对燃用M100产生爆震损坏的发动机活塞进行了材料分析, 能够发现, 爆震发生时, 冲击波作用造成的氧化反应导致合金界面处的氧压降低。冲击波通过合金表面扩散到合金基体, 导致大量的氧化物生成。4047合金的Al的质量分数为80%, Si质量分数为11%~13%, Cu质量分数为2.5%~4.0%, 在高温氧化时表面形成富Al、Si的外氧化物和富Cu的内氧化物, 这种混合氧化膜的保护性较差, 无法阻挡氧的扩散。因此, 氧能够穿过外氧化膜到达基体, 形成氧化的产物。

爆震发生时火焰以球面推进, 移动速度增大, 火焰前锋像活塞一样作用于未燃区气体, 使得末端混合气的浓度、压力、温度物理化学参数不断增大, 处于最后燃烧位置上的那部分末端混合气在压缩终点温度T的基础上, 在火焰前锋到达之前不断受到压缩和热辐射, 加速了其焰前反应, 并放出部分热量, 使本身的温度不断提高, 以致在正常火焰未到达之前, 末端混合气内部最适宜着火部位已出现一个或数个火焰中心。随后未燃气自行着火, 火焰伴着很高的局部压力以超音速传播, 形成强烈的冲击波, 以100~300 m/s (轻微爆震) 直到1 000~4 000m/s (强烈爆震) 的速率传播火焰。

甲醇火焰传播速度快, 容易形成高速射流. 根据甲醇爆震的破坏效果, 使用Johnson-Cook本构方程进行描述.

爆轰波的位能很好地转化成动能, 从而达到能量聚集在发动机燃烧室中心线的效果。内燃机活塞中心破坏较其他部位严重可能是受到了聚能效应的影响, 燃烧能量经过穹顶的反射汇集导致破坏。燃料爆震的发生导致Al-Si合金材料向内压缩, 应力分布变得不均匀。活塞表面受到应力作用发生塑性变形时, 在颗粒与基体的当应力集中达到一定程度, 在两者的界面处会产生微孔洞, 萌生微小裂纹。晶界中微孔洞形核、聚集长大, 导致晶界结合力降低。另外, 由于晶界邻近区域存在无析出区和晶界析出相, 晶界被沉淀相和杂质所脆化, 导致晶界或者晶界邻近区域强度低。晶界强度低于晶内强度, 因此活塞表面在瞬间拉伸波作用下发生沿晶脆性断裂。

结论

  1. 爆震产生的爆震波经发动机燃烧室的密闭空间反射后, 将剧烈震荡的压力能积聚成集中的动能。该能量作用于活塞表面的压缩, 形成应力分布极不均匀, 从而导致材料由外之内的塑性变形, 直至损坏。
  2. 点燃式发动机燃烧室的穹顶型形状是造成形成爆震冲击波反射聚集可能的结构因素。
  3. 高频和高振幅的爆震波首先破坏了活塞表面的氧化层, 造成表面氧化层与基体材料剥离。然后, 持续的高温烧熔了内部的铝材料基体, 从而导致对活塞顶部产生烧蚀。
  4. 为避免纯甲醇点燃式发动机爆震现象发生, 提高压缩比后, 应将供油提前角减小1.0°~1.5°, 活塞表面设计变为平面形式。

参考:姚安仁,罗震,姚春德,续晗.甲醇点燃式发动机爆震破坏形式试验研究[J].机械工程学报,2013,49(04):122-127.

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