长安早春旅怀阅读答案:解读汽车发动机（三）?爆震成因及预防

    在解读之前，我们先来了解一下，汽油发动机中，燃料是怎样的燃烧过程。
    汽油与空气的混合气进入气缸之后，活塞会将其压缩，气缸内温度和压力升高后，混合气密度和分子分子运动速度也随之提高，混合气会更容易、更快的燃烧，从而获得更好的动力性和经济性。气缸在下止点时的最大体积与气缸在上止点时最小体积之比，即为压缩比，通常情况下，相同排量的发动机，压缩比越高，其动力性和经济性越好（涡轮增压发动机的压缩比偏低，特性我们会在以后着重介绍）。

    在压缩之后，混合气在气缸内点燃，正常情况下，其火焰是由点火中心开始，以一个球面为前锋，带着高温高压气体向四周扩散，最终冲向活塞，并使之向下做功，火焰传播速度为30-80m/s，所以从点火到油气完全燃烧，要经过点火期（火花塞跳火）、滞燃期（火核形成并以锋面开始传播）、速燃期（大部分混合气燃烧，速燃期结束时缸内压力最大）、和后燃期（残余混合气燃烧，对汽油机来说意义不大）这几个阶段。而就是因为点火期和滞燃期，混合气没有很好的燃烧，才让发动机有了一个数值：点火提前角。

    骑过自行车的朋友都知道，在脚蹬通过最高点之后过一点点，我们再向下踩，这样骑车最有劲儿，而对于活塞和曲轴来说也是如此，通常认为在上止点后曲轴10°左右的相位时（工况不同，其数值也会有所变化），缸内出现最大压力值并推动活塞向下做工，此时性能最佳。但我们刚才讲到，混合气燃烧需要一个过程，如果在上止点时才点燃混合气就来不及了，所以我们要抢先点火，让点火期和滞燃期尽早开始，使速燃期结束之时，曲轴在10°相位附近，这就是所谓的点火提前角。点火提前角在合理范围值内，越提前，越能压榨出发动机的动力。假设混合气燃烧至速燃期结束，时间为0.001秒，那么在发动机转速为3000转时，曲轴在旋转18°的时间内，燃烧可达压力最大值。这时的点火提前角就应为8°。而随着转速的提升，点火提前角也随之提升。

配气相位图，请注意点火时刻出现在上止点之前

图片内其他信息为配气方面的知识，如欲了解请点击李毅同学的另一篇文章：
《呼吸之道解析可变气门正时/升程技术》

    通过这两条补充知识，我们了解到两点：压缩比越高，混合气压缩越充分，燃烧速度越快；点火提前角越提前，发动机做功越积极。所以现代发动机的往往将压缩比设置很高（10:1以上），点火提前角在高负荷时也调教的较为靠前。然而物极必反，当燃烧做功处于不恰当的时机，就会带来了一系列的麻烦，爆震。

爆震的种类

    实际上，我们经常说的爆震过于广义，爆震这个词被各种文献、媒体和修车师傅用滥，点火过早、表面点火、狭义的爆震、敲缸、叫杆等等，都称之为爆震。为了区别并便于解释，小编姑且擅自把正统意义上的狭义爆震在此篇称之为“爆燃”。而滥用了的“爆震”，继续代表广泛的定义。

    爆震，发动机一种不正常的工作状态，泛指发动机气缸由于非正常点火造成的突发的非长时间持续的震动，用户可明显的感觉到发动机声响异常和震动，并削弱发动机输出功率，升高温度，增加油耗，对发动机造成一定程度的损害；
    爆燃，燃料的一种燃烧形式，是燃料与助燃剂混合后以亚音速的爆炸式燃烧，在发动机里通常指燃油与空气混合后，在高温高压的环境下，以极大速率自行燃烧，特点是温度和压力升高速度极快，有一定破坏力。狭义上的爆震，定义等同于爆燃。

    爆震的特点是不需火花塞介入，混合气仍可被点燃或自行燃烧，表现形式大体分为两种：表面点火和爆燃。然而值得一提的是点火过早现象，虽然还算不上爆震，但很多时候，点火过早会作为原因，造成表面点火和爆燃。有了这样的区分，解读起来也方便许多了。

    点火过早，顾名思义，点火角过于提前，最大压力值也明显提前的出现在适合“发力”的曲轴10°相位之前，甚至0°之前，由于活塞没等找好位置，高压气体就往下做功，发动机功率自然就会有所损失，损失了的动能转化为内能使气缸的升温。而来不及转移的高温，和提早出现的高压，会造成“质变”的爆震——表面点火和爆燃。

    表面点火通常发生在火花塞跳火之前，当汽缸温度过高来不及冷却时，缸内积碳或火花塞处等明显突出的位置在压缩冲程时会出现明显热点，当温度超过混合气燃点时，早于火花塞点燃混合气，和点火过早相比，这等同于把点火角度再提前若干，当最大压力值出现在活塞运行至上止点以前，相当于这个气缸此时有着“反转”的倾向，可想而知，活塞和连杆以及曲轴在承受着多大的痛苦！

    而爆燃，通常出现在火花塞点火或表面点火以后，当火焰向下和向外扩展时，部分未点燃的混合气，在扩张的火焰带来的高温高压之下，来了个反抗——类似柴油机点燃形式的自燃，多个着火点同时燃烧，前文我们说过，汽油燃烧速度非常快，以这种方式燃烧那是非常威猛的，在爆燃时，混合气压力高，密度很大，因而火焰燃烧极快，速度可达1000m/s，迅速燃烧并膨胀产生的冲击波敲打着气缸和活塞，并和前方正常燃烧传播的火锋迎头撞在一起，这就是我们听到的敲缸声和感受到的震动。由火花塞点火引起的爆震相对较轻，而因表面点火引起的爆震则更为严重。据分析，严重爆燃时，发动机的损耗是正常运转时的三十倍之多！而且因为爆燃的燃烧速度非常快，也会将最大压力值略微提前。

    举个生动但不太恰当的例子，作为正常燃烧与爆燃的对比：
    我们都拍过篮球，当篮球“砰砰”的砸向地面时，我们可以把篮球看做点燃的混合气，把地面看成活塞，这就是一个常规的点火做功的过程，而爆燃时的情况比喻起来可能有些疯狂，这相当于地面有片大号火药纸，当我们把篮球拍向地面时会将其砸爆……其声响和破坏效果显而易见了。

    这几种非正常点火情况，经常交错在一起，也同样引起发动机的震动和声响，所以这几种情况经常被混淆。如果对其作出区分的话，点火过早时发动机抖动，转速下降，声音不明显突出，所以也称不上爆震，危害程度较小；表面点火时发动机振动，有明显敲缸声，声音沉闷，危害程度较大；爆燃时发动机振动强烈，敲缸声似尖锐的金属敲击声，非常有害！

压缩比越高，爆震越易于发生

爆震的成因：
压缩比、点火角、发动机温度、积碳、燃油标号

    压缩比越高。压缩冲程结束时的缸内温度就越高，越容易发生爆震。按理说，一款设计没有问题的高压缩比发动机，在正常情况下，不会轻易发生爆震，但如果使用不当，就会比较低压缩比的发动机更容易出现爆震的情况。

    点火角偏前。点火角偏前并不是过早点火，但有着过早点火的趋向，因而也容易造成爆震。

    发动机温度过高。发动机温度过高的原因有很多，冷却水或机油循环不好，长时间处于高负荷工况等等，都会导致表面点火或者爆震。而另外还有两个因素：混合气浓度过低和点火角度偏后，也会导致温度过高。这似乎又很难理解，为何貌似降低功率的动作却会有这样的反应呢？原因在于，这两个因素会导致气缸内混合气体不充分燃烧，燃烧时间过长，甚至在排气冲程时还在燃烧，因而升高了温度，吸气冲程时混合气进入汽缸后就会被高温的汽缸或者残留的火焰点燃，形成表面点火或爆震。

    积碳造成爆震是方面的。活塞和缸盖积碳过多，会导致散热不良，从而表面局部温度过高，或者在排气冲程结束后，积碳吸附的残油仍在燃烧，因而形成热点或着火点，导致表面点火；另外积碳过多也会让气缸容积变小，气缸的压缩比也因此升高，爆震也就更容易发生。

    汽油标号。我们通常说的93#、97#，指的是汽油的辛烷值，通常认为正庚烷的辛烷值为0，非常容易爆震，而异辛烷的辛烷值为100，比较不容易爆震，而93#汽油的相当于7%的正庚烷与93%的异辛烷混合燃料的爆震特性（通常我们称之为“抗爆性”），因此越高标号的汽油越矜持，越不容易被点燃，也就越不易发生爆震，越适宜高压缩比发动机使用。而越低标号的汽油越泼辣，越容易被点燃，用在压缩比并不高的非增压发动机上更适宜。

    因此高压缩比的发动机使用低标号汽油时，爆震就容易发生，即便不发生爆震，也会有一定的隐患，并且高压缩比发动机使用低标号汽油会有一个直观的现象：更费油。
    但较低压缩比的发动机使用不必要的高标号的汽油，不仅不会带来高性能，反而因为燃点过高，导致汽油燃烧不充分，形成积碳，降低功率，或者延迟着火时间，甚至会造成发动机温度升高，结果一样不好。而且同样有一个直观现象：没劲儿。

    值得一提的是，高标号汽油绝对不代表高清洁度！相反，国内高标号的汽油因为加了更多的抗爆剂，97#其实还不如93#更“纯”。

 
积碳积到这份上，也就别怪车了

避免爆震的方法

    通常，较新车型都装备有爆震传感器。爆震传感器可以感知发动机产生的爆震，并通过ECU修改点火提前角来减轻爆震。不过这种调节幅度有限，并且也只能在发动机合理工作范围之内进行调节。当发动机处于非正常工况下，一味延迟点火提前角，不仅会削弱动力，升高油耗，还会造成燃料燃烧不充分造成发动机温度升高、三元催化器损坏。如果想彻底消灭爆震，还应该做更多的工作。

    使用符合发动机压缩比的燃油：该加97#的不要贪便宜加93#，该加93#的也没必要吃所谓的“细粮”。

    避免“拖档”行驶：高档低速行驶方式容易造成发动机负荷增加，因而增加点火提前角，而因为处于较高档位，转速提升不明显，爆震便容易产生。

    消灭积碳：避免长期低速行驶和怠速，适当的去高速跑一跑，实在没有机会的话，可以提高换挡时的转速，自动挡可以定期挂S行驶。

    避免高温：定期检查冷却液水位，定期检查和更换机油，避免长时间激烈驾驶，夏日行车经常监控水温。

    时刻关注爱车的行驶情况，如果车辆在一段时间动力不足，油耗升高，并能感觉到震动，也许不是爆震引起的，但非常可能有爆震的倾向，应尽快去做体检。 

ps：无感爆震

    爆震不完全是百害无一利的，轻度的爆震还可以让发动机显得更“有劲儿”。有的看官会说“小编你别扯了，谁会愿意让发动机爆震啊”，然而事情就是这样。有时候我们会发现，在转数不太高时，深踩油门，发动机会发出一种很清脆的声音（个人认为很好听），动力也会有明显提升，这就是发动机轻微爆震的表现。
    同上述爆震原理一样，由火花塞点燃的火焰，用压力压燃了未受火焰波及处的混合气。在这个时候，自燃部分混合气以200m/s“低速”膨胀，这就让混合气燃烧时间缩短，更接近定容燃烧，如果发动机的调节能力较强，就会把燃烧时机和曲轴相位合理匹配，效率也就得以提高。打个比方，你在一个推车上，我推你一下，你可以前进，而你也可以同时推我，这样前进的速度更快。通常此种工况时，发动机并没有明显的震动，所以我们也将其称之为“无感爆震”。
    有些厂商为了追求高效，在发动机中高负荷时，刻意将点火时刻调整到爆震临界点附近，直至产生轻微爆震，以提高效率，而这种“合理”的爆震，也就属于正常情况，对发动机的磨损也不大。当然，在相同工况下，如果发动机情况不好，或燃油选择不恰当，爆震就会加重，这对发动机就有损害了。