内燃机爆震对活塞材料破坏机理的研究

爆震是限制内燃机通过增加压缩比提高热效率的重要障碍。有关爆震发生的成因及其影响因素已经开展了众多的研究，但是，爆震发生时为什么能够产生能使活塞材料烧熔、烧穿以致彻底损毁的能量，其原因至今尚未得到充分、深入研究。本课题将从以下方面开展研究，1）爆震发生时的压力波特性及其相关影响因素，分析得出爆震发生时压力波频率和振幅等特征；2）温度与振动协同对活塞材料破坏的协同作用，探寻该协同作用与造成活塞表面耐高温氧化层破坏的机理；3）爆震发生的振动对活塞材料传热特性的影响研究，阐明爆震波的振动致使活塞传热失效的原因；4）研究爆震压力波在封闭、有限的燃烧室空间内的热声耦合及其传递特性，阐明热声耦合在此条件下对压力波的增强作用。通过上述研究，揭示活塞材料在爆震条件下破坏的机理，明确爆震发生对活塞材料破坏过程的影响因素。为内燃机进一步提高热效率及燃料经济性提供理论支持，也为改进活塞材料以避免爆震提供指导。

爆震是限制内燃机通过增加压缩比提高热效率的重要障碍。有关爆震发生的成因及其影响因素已经开展了众多的研究，但是，爆震发生时为什么能够产生能使活塞材料烧熔、烧穿以致彻底损毁的能量，其原因至今尚未得到充分、深入研究。本课题围绕以下方面开展研究，1）爆震发生时的压力波特性及其相关影响因素，分析得出爆震发生时压力波频率和振幅等特征；2）温度与振动协同对活塞材料破坏的协同作用，探寻该协同作用与造成活塞表面耐高温氧化层破坏的机理；3）爆震发生的振动对活塞材料传热特性的影响研究，阐明爆震波的振动致使活塞传热失效的原因；4）研究爆震压力波在封闭、有限的燃烧室空间内的热声耦合及其传递特性，阐明热声耦合在此条件下对压力波的增强作用。针对以上经过4年的研究，得到以下对爆震的巨大破坏力的几点新的认识：（1）提出了能量注入法。采用此方法详细研究在发动机缸内发生的爆震和类似的燃烧的异同，如均质压燃、传统的端气爆震以及超级爆震现象，得出无论是传统端气爆震还是超级爆震，均是由存在能量后续补充，从而形成爆轰波。（2）爆震破坏活塞属于热与力的联合作用。通过对被爆震损坏活塞材料详细的金相以及显微分析，发现在活塞的硅铝合金材料的内部出现球状硅的现象，表明材料在高温下已经熔融，因表面张力而形成小球。另外，根据活塞材料被击穿的情况，计算分析得出是剪切破坏造成，提出了集中力破坏活塞的模型；（3）证明了活塞材料被破坏的原因来自爆轰波的聚集作用。构建了的爆轰波的聚集模型。（4）引入了爆炸学理论，证明在密闭空间条件下内燃机发生爆轰的条件。另外，在研究中发现，发动机在发生爆震直至导致活塞破坏时，其冷却系统依旧正常工作，爆震的发生的时间尺度以毫秒计，几乎一瞬间完成，因此最初提出爆震破坏的发生可能是爆震引起的振动导致传热失效的想法不合理。为了进一步验证爆轰波会在封闭空间中聚集形成并对活塞等部件形成破坏力，本工作中还建立了一个定容弹，在该装置内完全按照内燃机的真实燃烧室尺寸设置，你开展进一步的深入研究。对于超级爆震发生的机理，本工作也已经形成了完整的思路，有望在今后的工作中通过实验结合计算揭示其规律，并提出相应的规避办法，从而解决这个困扰全球内燃机学科的难题。本项研究中，发表论文10篇，其中4篇为国际刊物。培养研究生7名，其中3名博士并有1名进入硕博连读，继续进行深化研究工作。