12-中国北方发动机研究所-李玉峰-发动机燃烧过程与可靠性

涉到热辐射、热传导、材料特性、冷却润滑等，国际上研究不多，有关资料相当
缺乏。需要企业自己在发动机开发和应用过程中逐渐建立起燃气温度与热负荷的 经验关系。
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燃烧过程对热负荷的影响
燃气温度的衡量参数有： 最大平均燃气温度Tmax； (由循环平均的气缸压力计算得到) 最大平均燃气温度的变化率 (dT/d)max；（由循环平均的气缸压力计算 得到） 燃烧室内燃气温度的空间分布（通过缸内三维仿真计算得到） 在壁面附近燃气温度分布及变化梯度（通过缸内三维仿真计算得到） 上述这些参量对燃烧室受热件温度的影响规律非常复杂，迄今不清楚。
图示Pmax均值为113.6bar，标准方差=2.2bar，Pmax循环变动率为1.9%。
假如结构允许的爆压限值正好为 113.6bar ，目前的观点认为 Pmax 控制基本合适。但按照 Pmax正态分布规律，则有 50% 的循环 Pmax 超标；如果将 Pmax控制在 113.6-1 =111.4bar 以内 ，则有15.9%的循环Pmax超标；如果控制在 113.6-2 =109.2bar 以内，则仍有2.3%的循环爆压 超过限值；如果控制在 3以内仍有0.1%循环超标。（按照产品6-sigma质量控制目标，如一个 发动机型年产10万台，就有100台发动机可能因Pmax超标出现可靠性问题）。
和缸盖底板）最高温度、温度变化率、平均温度、温度变化周期等参数衡量。
材料和结构允许的热负荷有一定的限值，例如： 铝合金活塞的表面温度一般应控制在 350C左右（限值与合金材料和涂层材料等有关
），当超过400-450C会造成活塞烧蚀、变形、拉缸等可靠性问题；
第一道活塞环的温度一般应控制在210C左右（限值与活塞环结构和活塞设计有关）， 当超过240C时会造成机油积碳、活塞环卡死、拉缸等可靠性问题； 铝合金缸盖的底板（鼻梁区）的温度一般应控制在350C左右（限值与材料和结构有关 ），当超过此温度时会引起鼻梁区（尤其排气门阀座附近）开裂、喷油器头部热变形等 可靠性问题；
燃烧可靠性在产品开发中的重要性
在认识上：发动机产品可靠性问题不只是材料、结构、工艺和加工等结构可靠 性问题，燃烧设计和燃烧控制是非常重要的内容之一； 在研发上：从发动机燃烧系统设计和匹配阶段就开始控制产品的可靠性； 在发动机使用中：对燃烧过程诊断和控制，确保燃烧过程在热力边界限值范围 内。（例如汽油机爆震的检测和反馈控制） 在国外：发动机性能开发流程中每一个关键节点都要进行“Combustion
5 4 3 2 1 0 -360-300-240-180-120 -60 -1 -2 -3 -4 0 60 120 180 240 300 360
-5
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燃烧过程对机械负荷的影响
缸内压力震荡限值及其控制 汽油机（火花点火式）爆震严重，形成原因复杂。一般把气缸压力进行4-20kHz
带通滤波之后的震荡幅值称为爆震强度。通常控制爆震强度限值 1-2bar。
产品可靠性？—— 我国很少有人开展过研究。
由此引出提高可靠性的新思路：从“燃烧过程源头”上提高可靠性，建立燃 烧过程和可靠性的相互关系。——引入燃烧可靠性概念。
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燃烧可靠性概念
什么是燃烧可靠性？（本人暂取的新名词） 简单理解：通过燃烧过程设计来提高产品可靠性，即燃烧+可靠性。
初步定义：建立燃烧过程对可靠性的影响规律，合理确定燃烧热力边界，并
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燃烧过程对机械负荷的影响
科学地确定爆压Pmax限值要考虑下列方面： Pmax随工况而变化，一般最大扭矩点Pmax比最大功率点Pmax值高(见下表)。 燃烧一致性、循环变动和各缸燃烧变动的影响（见上页PPT） 试验测量误差、试验样机样本量； 发动机强化程度：高功率密度柴油机的Pmax限值应比结构允许值低得较多。 发动机用途：轻型车用柴油机、重型车用柴油机、船用/发电柴油机等用途对可
发动机燃烧过程与可靠性
李玉峰 博士
（中国北方发动机研究所工作过程室主任）
2015年5月22日 内燃机工业协会—中缸径柴油机及增压器分会会议
内容概要
燃烧可靠性概念 燃烧可靠性研究内容举例
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第一部分
燃烧可靠性概念
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我国发动机产品的可靠性
我国发动机在工程设计、技术应用、关键零部件、性能标定、流 程与方法、试验技术及设备、工艺和加工、生产管理、市场服务
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燃烧过程对机械负荷的影响
科学地确定爆压Pmax限值（以正常循环变动为例）
3 2.2% 2 1
119
117 115 113 111 109
2 1
13.6% 34.1%
34.1%
某柴油机正常燃烧的Pmax循环变动
107 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111
可靠性评价 —燃烧过程对可靠性的影响 满足热力边界的燃烧过程对机械负荷、热负荷和可靠性的影响； 超越热力边界的燃烧过程对机械负荷、热负荷和可靠性的影响； 发动机可靠性试验方法、评价理论和考核规范； 燃烧适应性和一致性 —参数变化对热力边界和可靠性的影响 在稳定工况下，燃烧系统参数变化对燃烧特性、热力边界和可靠性的影响； 在瞬态工况下，燃烧系统参数变化对燃烧特性、热力边界和可靠性的影响； 因使用时间增长（不同老化程度）造成的参数变化对燃烧特性、热力边界的影响； 环境变化（温度和海拔）对燃烧特性、热力边界和可靠性的影响； 油品和燃料成分对燃烧特性、热力边界和可靠性的影响； 燃烧诊断和控制策略 —对燃烧可靠性进行调控 燃烧过程的诊断方法、特征参数提取和燃烧状态判断； 燃烧过程的调控方法和控制策略； 8
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燃烧过程对热负荷的影响
燃烧室受热件的温度测量比较困难，在燃烧过程开发中，一般不给出燃烧室受 热件的热负荷限值，而只是给出最大爆压限值。这并不意味着燃烧过程设计不考 虑热负荷的限制条件。 在燃烧过程开发中，通过实测的气缸压力计算出燃气的温度（只是预测值，燃 气温度测量也很困难），通过燃气的温度来间接评判和控制热负荷的大小。 然而，燃气温度及其变化规律对燃烧室受热件热负荷的影响规律十分复杂，牵
增压直喷汽油机（GTDI）出现了超级爆震(低速早燃)，Pmax比正常值高出几倍 ，甚至可在一个循环内造成发动机破坏。成为GTDI可靠性研发的主要内容之一。
150 20
普通爆震
100 50 0 -180 -120 -60 0 60 120 180
高通滤波
4-20kHz带通滤波
-180燃烧设计和匹配 —如何在热力边界约束下设计和匹配燃烧过程 按照燃烧过程特点，科学地确定机械负荷（压力）和热负荷限值； 燃烧系统设计和匹配要在全工况范围限定在热力边界内； 非正常燃烧过程及其对燃烧可靠性的影响；
非正常燃烧：如爆压高、压升率大、循环变动大、燃烧温度高、爆震、喷雾恶化、后燃严重等。
按照20MPa来控制呢？ 目前我们都按照多个循环平均的气缸压力 Pmax不要超过结构允许的最大 压力限值来进行控制的，不十分科学。 如果把燃烧循环变动、各缸燃烧变动、试验测量误差等考虑进去，在发动 机燃烧和性能开发过程中实际控制的 Pmax 要低于结构允许的 Pmax 。例如 ，燃烧循环变动对Pmax限值确定的影响如下所示。
在此热力边界约束下设计和匹配燃烧过程，提高发动机产品可靠性。 燃烧可靠性概念的内涵
(1) 如何合理确定热力边界条件，并尽可能把燃烧过程控制在热力边界内？— 燃 烧设计和匹配问题。 (2) 如果燃烧过程已经控制在允许的热力边界内，此时发动机可靠性和寿命多大 ？如果燃烧过程在不同程度上超过了允许的热力边界，对发动机可靠性和寿命分 别有多大的影响？— 可靠性评价问题。 (3) 燃烧系统、工况、环境、油品等众多参量变化会在多大程度上造成燃烧过程 超过允许的热力边界？从而对可靠性产生影响？— 燃烧适应性/一致性问题。 (4) 如果在发动机运行中燃烧过程超过了允许的热力边界，并对可靠性产生了显 著影响，如何在线诊断并调控其回到正常状态？—燃烧诊断和控制问题。
等产品研发和使用周期的一系列方面都与国外有差距，最后造成
：发动机可靠性与国外差距巨大。
可靠性差是我国发动机产品最大的问题。
注：本文提到的可靠性，均是指相同的发动机性能指标和成本控 制条件而言的。
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燃烧过程与可靠性
燃烧过程产生的高温、高压热力环境是造成发动机可靠性问题的根源。 燃烧过程造成的可靠性问题举例： 机械负荷（压力）过高将造成与强度和刚度相关的各种可靠性问题 ：连杆变形、螺栓断裂、活塞销断裂、曲轴变形、机体变形、轴瓦抱
10 0 0 -10 -20 60
爆震限值
120 180
突然有一个 超爆峰值
某GTDI汽 油机超级爆 震现象
超爆循环分 析
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燃烧过程对机械负荷的影响
缸内压力震荡限值及其控制 柴油机缸内压力震荡（敲缸）比汽油机小，产生的方式也比汽油机简单 ，就是当喷油规律为 、预混部分燃油过多、喷油过早时，缸内压力迅 速升高，并伴随压力震荡。 柴油机压力震荡与 (dp/d)max 密切相关，控制住 (dp/d)max 就可控制 住了压力震荡。
Robust”试验和同时几台样机的可靠性试验，实际上就是开展燃烧可靠性的研究
分析，这就是为什么国外发动机可靠性比国内好的重要因素之一。 在我国发动机产品开发流程中，很少专门进行燃烧可靠性的研究分析（整机可
靠性考核除外）。
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第二部分
燃烧可靠性研究内容举例
（部分内容、仅供参考）
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燃烧过程对机械负荷的影响
机械负荷是表示燃烧室受热件承受压力及其变化率的参量，常用三个指标衡量 最大爆发压力Pmax； 最大压力升高率(dp/d)max 缸内压力震荡（高频压力波动） 上述三个因素如何分别影响燃烧室受热件可靠性的机理和破坏方式等尚不清楚 。但是在发动机燃烧过程开发中必须控制这三个指标不要超过限值。 科学地确定最大爆压Pmax限值 问题：假如结构允许的最大爆压为 20MPa，是否燃烧过程设计和匹配要