第五章-內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒課件1

第五章內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成和燃燒

Chapter5

MixturePreparationanditsCombustioninICEGasmotionwithintheenginecylinderisoneofthemajorfactorsthatcontrolsthecombustionprocessinspark-ignitionengineandthefuel-airmixingandcombustionprocessesindieselengines.Italsohasasignificantimpactonheattransfer.Theinitialin-cylinderflowpatternissetupbytheintakeprocess.Itmaythenbesubstantiallymodifiedduringcompression.第一節(jié)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的氣體流動(dòng)5.1Chargemotionwithinthecylinder第五章內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成和燃燒

Chapter5Mi1內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)混合氣形成和燃燒過(guò)程有決定性影響，因而也影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒噪聲和有害廢氣的排放。組織良好的缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)提高汽油機(jī)的火焰?zhèn)鞑ニ俾?、降低燃燒循環(huán)變動(dòng)、適應(yīng)稀燃或?qū)尤加兄匾饔?。組織良好的缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)提高柴油機(jī)的燃油空氣混合速率，提高燃燒速率，促進(jìn)燃燒過(guò)程中空氣與未燃燃料的混合有重要作用。內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)混合氣形成和燃燒過(guò)程有決定性影響，因而也2一、進(jìn)氣渦流（IntakeSwirl）在進(jìn)氣過(guò)程中形成的繞氣缸軸線(xiàn)有組織的氣流運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)進(jìn)氣渦流。進(jìn)氣渦流的大小由進(jìn)氣道形狀和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。進(jìn)氣渦流在壓縮過(guò)程逐漸衰減。在壓縮終了時(shí)，有l(wèi)/4~1/3的初始動(dòng)量矩?fù)p失掉。在柴油機(jī)上，進(jìn)氣渦流主要用于增強(qiáng)噴油油束與空氣的混合，提高燃油空氣混合速率，這有助于柴油機(jī)的快速燃燒。在汽油機(jī)上，進(jìn)氣渦流主要用于增加火焰?zhèn)鞑ニ俾剩瑢?shí)現(xiàn)快速燃燒。一、進(jìn)氣渦流（IntakeSwirl）在進(jìn)氣過(guò)程中形成3IntakeSwirlSwirlisusuallydefinedasorganizedrotationofthechargeaboutthecylinderaxisSwirlisusedindieselenginestopromotemorerapidmixingbetweentheinductedairchargeandtheinjectedfuel.Swirlisalsousedtospeedupthecombustionprocessinspark-ignitionengines.IntakeSwirlSwirlisusuallyd4進(jìn)氣渦流的產(chǎn)生方法

SwirlGenerationduringInduction進(jìn)氣渦流的產(chǎn)生方法

SwirlGenerationdur51、切向氣道（Tangentport）呈漸縮狀氣道，進(jìn)氣流動(dòng)速度因流通截面積逐漸減小而增加。高速氣流被切向引導(dǎo)進(jìn)入氣缸后，氣流速度場(chǎng)不均，相當(dāng)于在均勻速度分布的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)沿切向氣道方向的速度場(chǎng)。切向氣流在缸套壁面的導(dǎo)向作用下，形成繞氣缸中心的進(jìn)氣渦流。切向氣道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般只能形成較低的進(jìn)氣渦流。進(jìn)氣渦流的形成機(jī)理(Inletswirlmechanism)1、切向氣道（Tangentport）呈漸縮狀氣道，進(jìn)氣流62、螺旋氣道（Helicalport）進(jìn)氣在流過(guò)氣道螺旋腔后擁有繞氣門(mén)中心線(xiàn)的角動(dòng)量矩。進(jìn)入氣缸的出口速度場(chǎng)相當(dāng)于在均勻徑向速度分布的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)切向速度場(chǎng)。進(jìn)入氣缸擴(kuò)散為繞氣缸中心的動(dòng)量矩。能形成不同強(qiáng)度的進(jìn)氣渦流。2、螺旋氣道（Helicalport）進(jìn)氣在流過(guò)氣道螺旋腔73、可調(diào)進(jìn)氣渦流(VARIABLEINLETSWIRL)螺旋氣道＋直氣道(切向氣道)直氣道內(nèi)安裝渦流控制閥(SCV)控制直氣道的進(jìn)氣量直氣道進(jìn)氣量的改變缸內(nèi)進(jìn)氣渦流強(qiáng)度，即可變進(jìn)氣渦流。發(fā)動(dòng)機(jī)在中低負(fù)荷工況下，減少直氣道的進(jìn)氣量，提高缸內(nèi)渦流強(qiáng)度，可以改善燃燒，提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。在高速高負(fù)荷時(shí)，渦流控制閥全開(kāi)，增加空氣的吸入量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的高速性能。1—直氣道2—螺旋氣道3—SCV4—排氣道43、可調(diào)進(jìn)氣渦流(VARIABLEINLETSWIRL8氣道的評(píng)定方法

SwirlMeasurement氣道的質(zhì)量指標(biāo)流動(dòng)阻力（流量系數(shù)）渦流強(qiáng)度（渦流數(shù)，渦流比）穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺(tái)(steadyflowtest-bed)一般采用葉片風(fēng)速儀測(cè)量模擬氣缸內(nèi)渦流轉(zhuǎn)速或用角動(dòng)量矩直接測(cè)出渦流的角動(dòng)量，氣體流量用流量計(jì)測(cè)定。測(cè)量方法一般采用定壓差法，在不同的氣門(mén)升程下測(cè)量葉片的轉(zhuǎn)速和氣體流量。氣道的評(píng)定方法SwirlMeasurement氣道的質(zhì)9二、擠流（Squish）在壓縮過(guò)程后期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋彼此靠近時(shí)所產(chǎn)生的徑向或橫向氣流運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擠壓流動(dòng)，又稱(chēng)擠流。擠流強(qiáng)度主要由擠氣面積和擠氣間隙的大小決定。

Squishisthenamegiventotheradiallyinwardortransversegasmotionthatoccurstowardtheendofthecompressionstokewhenaportionofthepistonfaceandcylinderheadapproacheachotherclosely.

二、擠流（Squish）在壓縮過(guò)程后期，活塞表面的某一部分和10第五章-內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒課件111二、擠流

（Squish）逆擠流：當(dāng)活塞下行時(shí)，燃燒室中的氣體向外流到環(huán)形空間，產(chǎn)生膨脹流動(dòng)。縮口形燃燒室就是充分利用了較強(qiáng)的擠流和逆擠流。壓縮渦流：在壓縮過(guò)程中形成的有組織的旋轉(zhuǎn)空氣運(yùn)動(dòng)。在渦流室柴油機(jī)的壓縮過(guò)程中，氣缸內(nèi)的空氣通過(guò)通道被壓入渦流室中，形成有組織的旋流運(yùn)動(dòng)，可促進(jìn)燃料與空氣的混合，渦流大小由渦流室形狀、通道尺寸、位置和角度決定。二、擠流（Squish）逆擠流：當(dāng)活塞下行時(shí)，燃燒室中的12三、滾流(Tumble)在進(jìn)氣過(guò)程中形成的，繞垂直于氣缸軸線(xiàn)的有組織的空氣旋流，稱(chēng)為滾流或橫軸渦流。三、滾流(Tumble)在進(jìn)氣過(guò)程中形成的，繞垂直于氣缸軸線(xiàn)13三、滾流(Tumble)滾流較適宜于在四氣門(mén)汽油機(jī)上使用，滾流在壓縮過(guò)程中其動(dòng)量衰減較少，當(dāng)活塞接近于上止點(diǎn)時(shí)，大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強(qiáng)度和湍流動(dòng)能增加，大大提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。Atumbleisalarge-scalerotationalairmotionaroundanaxisperpendiculartothecylinderaxis.Introducesuchrotationalflowintothecombustionhelpsincreasethecombustionrateandextendtheflammabilitylimits.Thusenginethermalefficiencyisincreased.

三、滾流(Tumble)滾流較適宜于在四氣門(mén)汽油機(jī)上使用，滾14四、湍流（Turbulence）在氣缸中形成的無(wú)規(guī)則氣流運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為湍流。湍流在汽油機(jī)上主要用于提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋诓裼蜋C(jī)上組織適當(dāng)?shù)耐牧骺筛纳迫加团c空氣的混合。Forpre-mixedcombustiontheeffectofturbulenceistobreakup,orwrinkletheflamefront.Therecanbepocketsofburntgasintheunburntgasandviceversa.Thiscreasestheflamefrontareaandspeedsupcombustion.四、湍流（Turbulence）在氣缸中形成的無(wú)規(guī)則氣流運(yùn)動(dòng)15四、湍流（Turbulence）四、湍流（Turbulence）16第二節(jié)

點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒

5.2CombustionintheSIengines預(yù)混燃燒與擴(kuò)散燃燒（Pre-mixedFlameandDiffusionFlame）如果混合過(guò)程比燃燒反應(yīng)要快得多或者在火焰到達(dá)之前燃料與空氣已充分混合，該可燃混合氣燃燒稱(chēng)之為預(yù)混燃燒。如汽油機(jī)和氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒。柴油機(jī)大部分燃料一邊與空氣混合、一邊燃燒，由于混合過(guò)程比反應(yīng)速率慢，因此，燃燒速率取決于混合速率。即混合過(guò)程（擴(kuò)散過(guò)程）控制了燃燒速率，這就是所謂的擴(kuò)散燃燒。第二節(jié)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒

5.2Combusti17一、點(diǎn)火過(guò)程

(SparkIgnition)擊穿階段電弧階段輝光放電階段火花塞放電時(shí)兩極電壓達(dá)10~15kV，擊穿電極間的混合氣，造成電極間電流的通過(guò)。一般電火花能量多在30~50mJ，局部溫度3000K，使電極附近混合氣立即點(diǎn)燃，形成火焰中心。一、點(diǎn)火過(guò)程(SparkIgnition)擊穿階段18二、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)中的正常燃燒

(NormalCombustioninSIengines)（一）點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程火焰核心形成跳火倒拖壓力示功圖θθ1θ2θ3ⅠⅡⅢ122’34壓力曲線(xiàn)分離二、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)中的正常燃燒

(NormalCombust19滯燃期1-2第I階段，著火階段?；鸹ㄈ鹬列纬苫鹧嬷行?壓力脫離倒拖線(xiàn))。急燃期2-3第II階段，火焰?zhèn)鞑ルA段。火焰由火焰中心燒遍整個(gè)燃燒室的階段。(至缸內(nèi)最高壓力或溫度處)后燃期3-4第III階段，剩余未燃?xì)怏w的燃燒。1）汽油機(jī)燃燒的3個(gè)階段：滯燃期第I階段，著火階段?；鸹ㄈ鹬列纬苫鹧嬷行募比计诘贗20燃料分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能。開(kāi)始點(diǎn)火時(shí)氣缸內(nèi)氣體壓力溫度。與壓縮比有關(guān)，壓縮比高，滯燃期短。過(guò)量空氣系數(shù)a＝0.8~0.9時(shí)，滯燃期最短。殘余廢氣量增加，滯燃期增加。氣缸內(nèi)混合氣運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，則滯燃期稍有增加。由于氣流運(yùn)動(dòng)，火焰中心也可能在電極間隙附近。火花能量大，滯燃期縮短。2）滯燃期(ignitiondelayperiod)影響因素燃料本身物化性能殘余廢氣系數(shù)缸內(nèi)混合氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)過(guò)量空氣系數(shù)火花點(diǎn)火能量滯燃期的影響因素點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)混合氣壓力、溫度燃料分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能。2）滯燃期(ignitiond21第五章-內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒課件1223）急燃期用壓力升高率（dp/d，therateofpressurerise）代表發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴的程度、振動(dòng)和噪聲水平。火焰?zhèn)鞑ニ俾矢叩目扇蓟旌蠚饩偈箟毫ι呗试黾?。急燃期終點(diǎn)一般為最高壓力點(diǎn)或最高溫度點(diǎn)，其位置可以用點(diǎn)火提前角來(lái)調(diào)整。為了保證汽油機(jī)工作柔和、動(dòng)力性能良好，一般應(yīng)使著火在上止點(diǎn)前12~150(CA)，最高燃燒壓力點(diǎn)在上止點(diǎn)后12~150(CA)到達(dá)，壓力升高率0.175-0.25MPa/(CA)]。點(diǎn)火過(guò)早，壓縮負(fù)功增加，壓力升高率增加，Pmax過(guò)大膨脹比小，高溫期傳熱表面積增加最高燃燒壓力點(diǎn)過(guò)早過(guò)遲3）急燃期用壓力升高率（dp/d，therateof23湍流火焰前鋒后面沒(méi)有完全燃燒掉的燃料。狹縫容積、壁面油膜和積碳層釋放的燃料。離溫?zé)峤獾膹?fù)合反應(yīng)放熱?；钊蛳轮裹c(diǎn)加速移動(dòng)，氣缸中壓力快速下降?；鹧嬉褌鞅槿紵?，燃料基本耗盡。4）后燃期湍流火焰前鋒后面沒(méi)有完全燃燒掉的燃料?；钊蛳轮裹c(diǎn)加速移動(dòng)24（二）燃燒速率（單位時(shí)間燃燒混合氣的量）

1）火焰速度UT2）火焰前鋒面積AT3）可燃混合氣密度T

在汽油機(jī)中，組織適當(dāng)強(qiáng)度的湍流有助于提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，?duì)燃燒過(guò)程有利，但太強(qiáng)的湍流不僅不利于提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，反而?huì)使傳播中的火焰猝熄。（二）燃燒速率（單位時(shí)間燃燒混合氣的量）

1）火焰速度UT25（三）著火界限或可燃范圍當(dāng)可燃混合氣過(guò)濃或過(guò)稀時(shí)，在電火花放電以后，并不能形成火焰中心及產(chǎn)生火焰?zhèn)鞑?。這兩個(gè)界限的混合氣濃度稱(chēng)為可燃范圍或著火界限。各種燃料著火界限的數(shù)值是不同的，所有影響可燃混合氣初期放熱速率和散熱速率的因素，都會(huì)影響著火界限。P.91（三）著火界限或可燃范圍當(dāng)可燃混合氣過(guò)濃或過(guò)稀時(shí)，在電火花放26（四）不同工況下燃燒過(guò)程的特點(diǎn)點(diǎn)火提前角不同時(shí)的燃燒過(guò)程。在汽油機(jī)上，保持節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、轉(zhuǎn)速以及混合氣濃度一定，記錄功率、燃油消耗率、排氣溫度隨點(diǎn)火提前角的變化，稱(chēng)為汽油機(jī)點(diǎn)火提前特性。（四）不同工況下燃燒過(guò)程的特點(diǎn)點(diǎn)火提前角不同時(shí)的燃燒過(guò)程。27（四）不同工況下燃燒過(guò)程的特點(diǎn)混合氣濃度不同時(shí)的燃燒過(guò)程

在汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度保持一定，點(diǎn)火提前角為最佳值時(shí)調(diào)節(jié)供油量，記錄功率、燃油消耗率、排氣溫度隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化曲線(xiàn)，稱(chēng)為汽油機(jī)在某一轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下的燃料調(diào)整特性（四）不同工況下燃燒過(guò)程的特點(diǎn)混合氣濃度不同時(shí)的燃燒過(guò)程28第五章-內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒課件129負(fù)荷不同時(shí)的燃燒過(guò)程

當(dāng)節(jié)氣門(mén)關(guān)小時(shí)，充量系數(shù)急劇下降，但留在氣缸內(nèi)的殘余廢氣量不變，使殘余廢氣系數(shù)增加，滯燃期增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾氏陆?，最高爆發(fā)壓力、最高燃燒溫度、壓力升高比均下降，冷卻水散熱損失相對(duì)增加，因而燃油消耗率增加。隨著負(fù)荷的減小，最佳點(diǎn)火提前角要提早。汽油機(jī)中用點(diǎn)火提前真空調(diào)節(jié)器來(lái)自動(dòng)調(diào)整。負(fù)荷不同時(shí)的燃燒過(guò)程30轉(zhuǎn)速不同時(shí)的燃燒過(guò)程當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，以秒計(jì)的滯燃期與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不大，但是按曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的滯燃期卻隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。因此，在汽油機(jī)上均設(shè)有點(diǎn)火提前角的離心自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，使在轉(zhuǎn)速增加時(shí)，增大點(diǎn)火提前角。點(diǎn)火時(shí)間的電子控制（影響點(diǎn)火提前角的多因素修正）轉(zhuǎn)速不同時(shí)的燃燒過(guò)程31（五）燃燒的循環(huán)變動(dòng)

(CyclicVariationsinCombustion)燃燒循環(huán)變動(dòng)表現(xiàn)為在發(fā)動(dòng)機(jī)以某一工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，這一循環(huán)和下一循環(huán)燃燒過(guò)程的進(jìn)行情況不斷變化，具體表現(xiàn)在壓力曲線(xiàn)、火焰?zhèn)鞑デ闆r及發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出均不相同。采用稀燃或低負(fù)荷、低速時(shí)，循環(huán)變動(dòng)會(huì)加劇。（五）燃燒的循環(huán)變動(dòng)

(CyclicVariations32第五章-內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒課件133（五）燃燒的循環(huán)變動(dòng)

(CyclicVariationsinCombustion)產(chǎn)生燃燒循環(huán)變動(dòng)的原因氣體運(yùn)動(dòng)狀況混合氣成分每循環(huán)氣缸內(nèi)的混合氣成分(特別是在點(diǎn)火瞬間火花塞附近)，由于空氣、燃料、EGR和殘余廢氣之間混合情況的變動(dòng)而造成燃燒的變動(dòng)。多點(diǎn)點(diǎn)火有利于減小壓力的循環(huán)變動(dòng)加大點(diǎn)火能量，優(yōu)化放電方式采用速燃技術(shù)，組織一定進(jìn)氣渦流，加強(qiáng)湍流擾動(dòng)采用燃油電控噴射技術(shù)各缸充量一致性（空氣、廢氣、燃料）采用化學(xué)計(jì)量或略濃空燃比降低燃燒循環(huán)變動(dòng)的措施（五）燃燒的循環(huán)變動(dòng)

(CyclicVariations34三、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的不正常燃燒

(AbnormalCombustion)

（一）爆燃（knock）

汽油機(jī)的燃燒不正常，壓力曲線(xiàn)出現(xiàn)高頻、大振幅波動(dòng)，上止點(diǎn)附近的dp/d值達(dá)65MPa/CA之高，此時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧媲颁h形狀發(fā)生急劇的改變，稱(chēng)為爆燃。三、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的不正常燃燒

(AbnormalComb35第五章-內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒課件136三、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的不正常燃燒

(AbnormalCombustion)

汽油機(jī)爆燃時(shí)一般表現(xiàn)為以下外部特征：發(fā)出金屬振音(敲缸)(knock)。在輕微爆燃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率略有增加；強(qiáng)烈爆燃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，工作變得不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速下降，發(fā)動(dòng)機(jī)有較大振動(dòng)。冷卻系統(tǒng)過(guò)熱(冷卻水、潤(rùn)滑油溫度均上升)。氣缸蓋溫度上升。三、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的不正常燃燒

(AbnormalComb37汽油機(jī)的爆燃現(xiàn)象就是終燃混合氣(endgas)的自燃現(xiàn)象(autoignition)?；鹧嬲鞑ニ俾剩?0~70m/s輕微爆燃：100~300m/s強(qiáng)烈爆燃：800~1000m/s或更高爆燃最容易在燃燒室中離開(kāi)正常燃燒最遠(yuǎn)的地方以及具有高溫的地方(如排氣門(mén)和積碳處)發(fā)生注：柴油機(jī)工作粗爆發(fā)生爆燃的原因：汽油機(jī)的爆燃現(xiàn)象就是終燃混合氣(endgas)的自燃現(xiàn)象(38強(qiáng)烈爆燃對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的不利影響：(1)輸出功率、熱效率均降低壓力波沖擊破壞氣缸壁面的層流邊界層，使向氣缸壁面的傳熱量大大增加，冷卻損失增加，輸出功率降低，因而熱效率下降。(2)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱爆燃時(shí)，破壞附面層，氣缸蓋、活塞頂面的溫度上升，排氣溫度下降。(3)零件的應(yīng)力增加爆燃時(shí)，壓力增長(zhǎng)率和最高壓力都增加，故有關(guān)零件上的作用力也增加，使受力件損壞。(4)爆燃促使積碳形成，破壞活塞環(huán)、氣門(mén)和火花塞的正常工作；壓力波沖擊缸壁表面，使之不易形成油膜，會(huì)導(dǎo)致機(jī)件加速磨損。爆燃成為限制汽油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要因素。強(qiáng)烈爆燃對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的不利影響：39（二）發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)因素與結(jié)構(gòu)因素對(duì)爆燃的影響為便于分析，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆燃的條件作如下簡(jiǎn)化：在火花放電以后，火焰開(kāi)始傳播，同時(shí)終燃混合氣進(jìn)行焰前反應(yīng)，為著火作準(zhǔn)備。如果由火焰中心形成至正?；鹧?zhèn)鞑サ浇K燃混合氣為止所需的時(shí)間為t1，由火焰中心形成至終燃混合氣自燃所需的時(shí)間為t2，當(dāng)t1

＜t2時(shí)，就不發(fā)生爆燃；當(dāng)t1

＞t2時(shí)，則發(fā)生爆燃。因此，凡是t1減小、t2增加的因素均可減少爆燃傾向；反之，均使爆燃傾向增加。（二）發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)因素與結(jié)構(gòu)因素對(duì)爆燃的影響為便于401．運(yùn)轉(zhuǎn)因素的影響(1)點(diǎn)火提前角的影響。點(diǎn)火提前角增加，t1、t2均減小，但t2減小起決定作用。隨點(diǎn)火提前角增加，爆燃傾向加大。采用推遲點(diǎn)火辦法，可增加壓縮比。1．運(yùn)轉(zhuǎn)因素的影響411．運(yùn)轉(zhuǎn)因素的影響(2)轉(zhuǎn)速的影響。轉(zhuǎn)速增加時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣撸?/p>

t1減??；同時(shí)，c下降，t2增加，爆燃傾向減小。(3)負(fù)荷的影響

負(fù)荷減小時(shí)，r增加，最高壓力下降，爆燃傾向減小。(4)混合氣濃度的影響

a=0.8~0.9時(shí)爆燃傾向最大，過(guò)濃或過(guò)稀的混合氣有助于減小爆燃。(5)燃燒室沉積物的影響

沉積物的存在使爆燃傾向增加。1．運(yùn)轉(zhuǎn)因素的影響422．結(jié)構(gòu)因素的影響

(1)氣缸直徑氣缸直徑大，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長(zhǎng)，使爆燃傾向增大。(2)火花塞位置火花塞位置影響火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，從而影響終燃混合氣的溫度。(3)氣缸蓋與活塞的材料由于輕合金導(dǎo)熱好，因而用輕合金活塞可提高壓縮比。(4)燃燒室結(jié)構(gòu)凡是火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短、湍流強(qiáng)度高、火焰?zhèn)鞑ニ俣雀叩娜紵医Y(jié)構(gòu)，均有助于減小爆燃傾向。2．結(jié)構(gòu)因素的影響43小結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)因素

點(diǎn)火提前，爆燃傾向加大

沉積物使爆燃傾向增加

轉(zhuǎn)速增加，爆燃傾向減小

負(fù)荷減小，爆燃傾向減小

過(guò)濃或過(guò)稀的混合氣有助于減小爆燃結(jié)構(gòu)因素氣缸直徑大，爆燃傾向增大

火花塞靠近排氣門(mén)安裝，爆燃傾向減小

鋁合金活塞,爆燃傾向減小火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短、紊流強(qiáng)度提高的燃燒室結(jié)構(gòu)均有助于減小爆燃傾向小結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)因素點(diǎn)火提前，爆燃傾向加大沉積物使爆燃傾向增加44（三）防止爆燃的方法

防止發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃的方法很多，如使用抗爆性高的燃料，降低終燃混合氣溫度，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣然蚩s短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，縮短終燃混合氣暴露在高溫中的時(shí)間等。具體措施有：1)推遲點(diǎn)火。2)縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，利用火花塞恰當(dāng)布置及燃燒室合理形狀等方法使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x最小。3)終燃混合氣的冷卻，使離火花塞最遠(yuǎn)處的可燃混合氣冷卻得較好，如減小終燃混合氣部分的余隙高度。4)增加流動(dòng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?，終燃混合氣的散熱也好。5)燃燒室掃氣(加大進(jìn)、排氣重疊期)的冷卻作用可減輕爆燃。（三）防止爆燃的方法45（四）表面點(diǎn)火（SurfaceIgnition）在點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中，凡是不依靠電火花點(diǎn)火，而是由于熾熱表面(如過(guò)熱的火花塞絕緣體和電極、排氣門(mén)，更多的是燃燒室表面熾熱的沉積物)點(diǎn)燃混合氣而引起的不正常燃燒現(xiàn)象，稱(chēng)為表面點(diǎn)火或熾熱點(diǎn)火。表面點(diǎn)火大致可分后火和早火兩種。（四）表面點(diǎn)火（SurfaceIgnition）在點(diǎn)燃式發(fā)461－早火

2－正常點(diǎn)火

3－后火4－倒拖1－早火2－正常點(diǎn)火3－后火4－倒拖47第三節(jié)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室

5.3

SIEngineCombustionChamber一、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室Combustionchamber（一）燃燒室設(shè)計(jì)的一般要求(1)經(jīng)濟(jì)性高。 (2)燃燒放熱率曲線(xiàn)等容度高。(3)對(duì)大氣的污染小。 (4)動(dòng)力性高。(5)不出現(xiàn)爆燃與表面點(diǎn)火等不正常燃燒。(6)燃燒循環(huán)變動(dòng)小。 (7)工作柔和，燃燒噪聲小。(8)滿(mǎn)足速燃要求。 (9)稀燃能力強(qiáng)。(10)起動(dòng)性好。 (11)瞬態(tài)特性好。(12)EGR的承受能力強(qiáng)。第三節(jié)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室

5.3SIEngineC48（二）燃燒室設(shè)計(jì)要點(diǎn)（Designpoints）

1．壓縮比選擇原則：提高壓縮比又不促使爆燃的發(fā)生?？紤]因素如下：1)縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，設(shè)計(jì)緊湊燃燒室（與火花塞位置有關(guān)）（minimumflametravel）2)利用適當(dāng)強(qiáng)度的湍流，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣取?turbulence)3)在離火花塞較遠(yuǎn)的區(qū)域設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦鋮s面積，降低溫度。4)燃燒室內(nèi)沒(méi)有熱點(diǎn)和表面沉積物。(minimumdeposits)

從提高功率和經(jīng)濟(jì)性考慮，提高壓縮比是有利的，但過(guò)高的壓縮比將使發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲與振動(dòng)較大，且對(duì)排放不利。（二）燃燒室設(shè)計(jì)要點(diǎn)（Designpoints）1．492、燃燒室面容比F/V（surface-volumeratio）

F/V在某種意義上可以表示燃燒室的緊湊性。一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)/V大，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長(zhǎng)，容易爆燃，HC排放高，相對(duì)散熱面積大，熱損失大。（圖）3、火花塞位置及其性能(thelocationofthesparkplug)

火花塞的位置直接影響火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的長(zhǎng)短，從而影響抗爆性，也影響火焰面積擴(kuò)展速率和燃燒速率。1)火花塞應(yīng)靠近排氣門(mén)處。2)火花塞間隙處的殘余廢氣應(yīng)能充分清掃，使混合氣容易著火。但不希望過(guò)強(qiáng)的氣流在點(diǎn)火瞬間直接吹向火花塞間隙，從而吹散火核，增加缸內(nèi)壓力的循環(huán)變動(dòng)率，甚至導(dǎo)致失火。2、燃燒室面容比F/V（surface-volumerat50第五章-內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒課件1514、燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)

燃燒室內(nèi)形成適當(dāng)強(qiáng)度的氣流運(yùn)動(dòng)可以：1)增加火焰?zhèn)鞑ニ俣取?)擴(kuò)大混合氣的著火界限，可以燃燒更稀的混合氣。3)降低循環(huán)變動(dòng)。4)降低HC排放。5、燃燒室的優(yōu)化途徑

燃燒室的設(shè)計(jì)首先是選擇燃燒室最佳幾何形狀。燃燒室設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則：1)在最大火焰前鋒面積、最小面容積比、最大氣門(mén)尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)限制范圍內(nèi)，優(yōu)化燃燒室?guī)缀涡螤睢?)改善混合氣的分布和均勻性，減少燃燒循環(huán)變動(dòng)率，減少各缸的不均勻性。4、燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)52（三）典型燃燒室Conventional

CombustionChamber1．楔形燃燒室(wedgechamber)

它布置在缸蓋上，火花塞在楔形高處的進(jìn)、排氣門(mén)之間，因此火焰距離較長(zhǎng)。一般設(shè)置擠氣面積，氣門(mén)稍?xún)A斜使氣道轉(zhuǎn)彎較少，減少進(jìn)氣阻力，提高充量系數(shù)，壓縮比也可以有較高值，達(dá)9~10。這種燃燒室有較高的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。但由于混合氣過(guò)分集中在火花塞處，使初期燃燒速率和壓力升高比大，工作顯得粗暴一些。（三）典型燃燒室ConventionalCombusti532．浴盆形燃燒室(bath-tubhead)燃燒室的形狀使擠氣的效果比較差，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x也較長(zhǎng)，燃燒速率比較低，燃燒時(shí)間長(zhǎng)，壓力升高比低。

F/V較大，對(duì)HC排放是不利的，但壓力升高比低，工作柔和，NOx排放低。2．浴盆形燃燒室(bath-tubhead)燃燒室的543．碗形燃燒室(bowlinpistonchamber)碗形燃燒室是布置在活塞中的一個(gè)回轉(zhuǎn)體，采用平底氣缸蓋，工藝性好。燃燒室全部機(jī)加工而成，有精確的形狀和容積，燃燒室表面光滑，緊湊，擠流效果好，壓縮比可高達(dá)11。3．碗形燃燒室(bowlinpistonchamber554．半球形燃燒室(hemisphericalhead)燃燒室光滑表面、精確的形狀與容積，緊湊，且火花塞布置在中間，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x最短。進(jìn)、排氣門(mén)傾斜布置，充氣系數(shù)大，最高轉(zhuǎn)速6000r/min以上的車(chē)用汽油機(jī)幾乎都采用半球形燃燒室。F/V值小，HC低。一般不組織擠流。由于火花塞周?chē)休^大的容積，使燃燒速率和壓力升高比大，工作較粗暴。NOx排放較高。多采用雙頂置凸輪軸。4．半球形燃燒室(hemisphericalhead)56二、充量分層和缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)

StratifiedChargeand

GasolineDirect-Injection(GDI)（一）分層燃燒均勻混合氣燃燒系統(tǒng)（混合氣較濃、空燃比變化范圍?。┤秉c(diǎn)：1)汽油機(jī)功率變化時(shí)，空燃比不可能變化很大，功率不可能質(zhì)調(diào)節(jié)，而只能用量調(diào)節(jié)。由于節(jié)流引起較大的泵吸損失，所以低負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性較差。2)容易爆燃。較濃的混合氣要比較稀的混合氣容易引起爆燃。3)汽油機(jī)始終以點(diǎn)火范圍內(nèi)的混合比工作，使熱效率低，如果能以稀混合氣工作，可提高循環(huán)的熱效率。4)排氣污染嚴(yán)重。一般汽油機(jī)所使用的混合比范圍正是排放高的范圍。如果汽油機(jī)能以稀的混合氣工作，就可以得到很低的排放。（圖）二、充量分層和缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)

StratifiedCh57第五章-內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒課件158分層燃燒系統(tǒng)：為合理組織燃燒室內(nèi)的混合氣分布，在火花間隙周?chē)植啃纬删哂辛己弥饤l件的較濃混合氣，空燃比在12~13.4左右；而在燃燒室的大部分區(qū)域是較稀的混合氣。在兩者之間，為了有利于火焰?zhèn)鞑ィ旌蠚鉂舛葟幕鸹ㄈ_(kāi)始由濃到稀逐步過(guò)渡，即形成分層燃燒系統(tǒng)。只要一旦形成火焰，在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，即使是相當(dāng)稀的混合氣，還是能夠正常燃燒的。分層燃燒系統(tǒng)：為合理組織燃燒室內(nèi)的混合氣分布，在火花間隙周?chē)?9三菱缸內(nèi)直噴充量分層燃燒系統(tǒng)

MitsubishiGasolineDirectInjectionGDIEngine

（二）典型缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)介三菱缸內(nèi)直噴充量分層燃燒系統(tǒng)

MitsubishiGaso60采用縱向直進(jìn)氣口形成缸內(nèi)強(qiáng)烈的滾流，其滾流旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，這與通常的橫向進(jìn)氣口產(chǎn)生的缸內(nèi)滾流方向正好相反，故稱(chēng)之為反向滾流。燃燒室為半球屋頂形，借助于滾流運(yùn)動(dòng)形成火花塞周?chē)臐饣旌蠚?，火花塞至燃燒室空間形成由濃至稀的混合氣分層現(xiàn)象。此燃燒系統(tǒng)在部分負(fù)荷時(shí)燃用分層混合氣，全負(fù)荷時(shí)燃用均質(zhì)混合氣。采用縱向直進(jìn)氣口形成缸內(nèi)強(qiáng)烈的滾流，其滾流旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針61在部分負(fù)荷時(shí)，燃油在進(jìn)氣行程后期噴向半球形的活塞凹坑，噴到凹坑的燃油向火花塞方向運(yùn)動(dòng)，在缸內(nèi)滾流的幫助下在火花塞附近形成濃混合氣，燃燒室空間為整體較稀的分層混合氣，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的空燃比可達(dá)40：1，燃油消耗率大幅度降低。在高負(fù)荷時(shí)，燃油在進(jìn)氣行程的早期噴入氣缸形成化學(xué)計(jì)量比或稍濃的均質(zhì)混合氣，油束不接觸活塞頂面，燃油的蒸發(fā)將使缸內(nèi)充量溫度下降，充量系數(shù)提高，所需辛烷值下降，壓縮比可達(dá)12，發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能明顯提高，同時(shí)采用EGR降低NOx排放。在部分負(fù)荷時(shí)，燃油在進(jìn)氣行程后期噴向半球形的活塞凹坑，噴到62第五章內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成和燃燒

Chapter5

MixturePreparationanditsCombustioninICEGasmotionwithintheenginecylinderisoneofthemajorfactorsthatcontrolsthecombustionprocessinspark-ignitionengineandthefuel-airmixingandcombustionprocessesindieselengines.Italsohasasignificantimpactonheattransfer.Theinitialin-cylinderflowpatternissetupbytheintakeprocess.Itmaythenbesubstantiallymodifiedduringcompression.第一節(jié)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的氣體流動(dòng)5.1Chargemotionwithinthecylinder第五章內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成和燃燒

Chapter5Mi63內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)混合氣形成和燃燒過(guò)程有決定性影響，因而也影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒噪聲和有害廢氣的排放。組織良好的缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)提高汽油機(jī)的火焰?zhèn)鞑ニ俾?、降低燃燒循環(huán)變動(dòng)、適應(yīng)稀燃或?qū)尤加兄匾饔?。組織良好的缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)提高柴油機(jī)的燃油空氣混合速率，提高燃燒速率，促進(jìn)燃燒過(guò)程中空氣與未燃燃料的混合有重要作用。內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)混合氣形成和燃燒過(guò)程有決定性影響，因而也64一、進(jìn)氣渦流（IntakeSwirl）在進(jìn)氣過(guò)程中形成的繞氣缸軸線(xiàn)有組織的氣流運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)進(jìn)氣渦流。進(jìn)氣渦流的大小由進(jìn)氣道形狀和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。進(jìn)氣渦流在壓縮過(guò)程逐漸衰減。在壓縮終了時(shí)，有l(wèi)/4~1/3的初始動(dòng)量矩?fù)p失掉。在柴油機(jī)上，進(jìn)氣渦流主要用于增強(qiáng)噴油油束與空氣的混合，提高燃油空氣混合速率，這有助于柴油機(jī)的快速燃燒。在汽油機(jī)上，進(jìn)氣渦流主要用于增加火焰?zhèn)鞑ニ俾?，?shí)現(xiàn)快速燃燒。一、進(jìn)氣渦流（IntakeSwirl）在進(jìn)氣過(guò)程中形成65IntakeSwirlSwirlisusuallydefinedasorganizedrotationofthechargeaboutthecylinderaxisSwirlisusedindieselenginestopromotemorerapidmixingbetweentheinductedairchargeandtheinjectedfuel.Swirlisalsousedtospeedupthecombustionprocessinspark-ignitionengines.IntakeSwirlSwirlisusuallyd66進(jìn)氣渦流的產(chǎn)生方法

SwirlGenerationduringInduction進(jìn)氣渦流的產(chǎn)生方法

SwirlGenerationdur671、切向氣道（Tangentport）呈漸縮狀氣道，進(jìn)氣流動(dòng)速度因流通截面積逐漸減小而增加。高速氣流被切向引導(dǎo)進(jìn)入氣缸后，氣流速度場(chǎng)不均，相當(dāng)于在均勻速度分布的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)沿切向氣道方向的速度場(chǎng)。切向氣流在缸套壁面的導(dǎo)向作用下，形成繞氣缸中心的進(jìn)氣渦流。切向氣道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般只能形成較低的進(jìn)氣渦流。進(jìn)氣渦流的形成機(jī)理(Inletswirlmechanism)1、切向氣道（Tangentport）呈漸縮狀氣道，進(jìn)氣流682、螺旋氣道（Helicalport）進(jìn)氣在流過(guò)氣道螺旋腔后擁有繞氣門(mén)中心線(xiàn)的角動(dòng)量矩。進(jìn)入氣缸的出口速度場(chǎng)相當(dāng)于在均勻徑向速度分布的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)切向速度場(chǎng)。進(jìn)入氣缸擴(kuò)散為繞氣缸中心的動(dòng)量矩。能形成不同強(qiáng)度的進(jìn)氣渦流。2、螺旋氣道（Helicalport）進(jìn)氣在流過(guò)氣道螺旋腔693、可調(diào)進(jìn)氣渦流(VARIABLEINLETSWIRL)螺旋氣道＋直氣道(切向氣道)直氣道內(nèi)安裝渦流控制閥(SCV)控制直氣道的進(jìn)氣量直氣道進(jìn)氣量的改變缸內(nèi)進(jìn)氣渦流強(qiáng)度，即可變進(jìn)氣渦流。發(fā)動(dòng)機(jī)在中低負(fù)荷工況下，減少直氣道的進(jìn)氣量，提高缸內(nèi)渦流強(qiáng)度，可以改善燃燒，提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。在高速高負(fù)荷時(shí)，渦流控制閥全開(kāi)，增加空氣的吸入量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的高速性能。1—直氣道2—螺旋氣道3—SCV4—排氣道43、可調(diào)進(jìn)氣渦流(VARIABLEINLETSWIRL70氣道的評(píng)定方法

SwirlMeasurement氣道的質(zhì)量指標(biāo)流動(dòng)阻力（流量系數(shù)）渦流強(qiáng)度（渦流數(shù)，渦流比）穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺(tái)(steadyflowtest-bed)一般采用葉片風(fēng)速儀測(cè)量模擬氣缸內(nèi)渦流轉(zhuǎn)速或用角動(dòng)量矩直接測(cè)出渦流的角動(dòng)量，氣體流量用流量計(jì)測(cè)定。測(cè)量方法一般采用定壓差法，在不同的氣門(mén)升程下測(cè)量葉片的轉(zhuǎn)速和氣體流量。氣道的評(píng)定方法SwirlMeasurement氣道的質(zhì)71二、擠流（Squish）在壓縮過(guò)程后期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋彼此靠近時(shí)所產(chǎn)生的徑向或橫向氣流運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擠壓流動(dòng)，又稱(chēng)擠流。擠流強(qiáng)度主要由擠氣面積和擠氣間隙的大小決定。

Squishisthenamegiventotheradiallyinwardortransversegasmotionthatoccurstowardtheendofthecompressionstokewhenaportionofthepistonfaceandcylinderheadapproacheachotherclosely.

二、擠流（Squish）在壓縮過(guò)程后期，活塞表面的某一部分和72第五章-內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒課件173二、擠流

（Squish）逆擠流：當(dāng)活塞下行時(shí)，燃燒室中的氣體向外流到環(huán)形空間，產(chǎn)生膨脹流動(dòng)。縮口形燃燒室就是充分利用了較強(qiáng)的擠流和逆擠流。壓縮渦流：在壓縮過(guò)程中形成的有組織的旋轉(zhuǎn)空氣運(yùn)動(dòng)。在渦流室柴油機(jī)的壓縮過(guò)程中，氣缸內(nèi)的空氣通過(guò)通道被壓入渦流室中，形成有組織的旋流運(yùn)動(dòng)，可促進(jìn)燃料與空氣的混合，渦流大小由渦流室形狀、通道尺寸、位置和角度決定。二、擠流（Squish）逆擠流：當(dāng)活塞下行時(shí)，燃燒室中的74三、滾流(Tumble)在進(jìn)氣過(guò)程中形成的，繞垂直于氣缸軸線(xiàn)的有組織的空氣旋流，稱(chēng)為滾流或橫軸渦流。三、滾流(Tumble)在進(jìn)氣過(guò)程中形成的，繞垂直于氣缸軸線(xiàn)75三、滾流(Tumble)滾流較適宜于在四氣門(mén)汽油機(jī)上使用，滾流在壓縮過(guò)程中其動(dòng)量衰減較少，當(dāng)活塞接近于上止點(diǎn)時(shí)，大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強(qiáng)度和湍流動(dòng)能增加，大大提高火焰?zhèn)鞑ニ俾剩纳瓢l(fā)動(dòng)機(jī)性能。Atumbleisalarge-scalerotationalairmotionaroundanaxisperpendiculartothecylinderaxis.Introducesuchrotationalflowintothecombustionhelpsincreasethecombustionrateandextendtheflammabilitylimits.Thusenginethermalefficiencyisincreased.

三、滾流(Tumble)滾流較適宜于在四氣門(mén)汽油機(jī)上使用，滾76四、湍流（Turbulence）在氣缸中形成的無(wú)規(guī)則氣流運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為湍流。湍流在汽油機(jī)上主要用于提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，在柴油機(jī)上組織適當(dāng)?shù)耐牧骺筛纳迫加团c空氣的混合。Forpre-mixedcombustiontheeffectofturbulenceistobreakup,orwrinkletheflamefront.Therecanbepocketsofburntgasintheunburntgasandviceversa.Thiscreasestheflamefrontareaandspeedsupcombustion.四、湍流（Turbulence）在氣缸中形成的無(wú)規(guī)則氣流運(yùn)動(dòng)77四、湍流（Turbulence）四、湍流（Turbulence）78第二節(jié)

點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒

5.2CombustionintheSIengines預(yù)混燃燒與擴(kuò)散燃燒（Pre-mixedFlameandDiffusionFlame）如果混合過(guò)程比燃燒反應(yīng)要快得多或者在火焰到達(dá)之前燃料與空氣已充分混合，該可燃混合氣燃燒稱(chēng)之為預(yù)混燃燒。如汽油機(jī)和氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒。柴油機(jī)大部分燃料一邊與空氣混合、一邊燃燒，由于混合過(guò)程比反應(yīng)速率慢，因此，燃燒速率取決于混合速率。即混合過(guò)程（擴(kuò)散過(guò)程）控制了燃燒速率，這就是所謂的擴(kuò)散燃燒。第二節(jié)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒

5.2Combusti79一、點(diǎn)火過(guò)程

(SparkIgnition)擊穿階段電弧階段輝光放電階段火花塞放電時(shí)兩極電壓達(dá)10~15kV，擊穿電極間的混合氣，造成電極間電流的通過(guò)。一般電火花能量多在30~50mJ，局部溫度3000K，使電極附近混合氣立即點(diǎn)燃，形成火焰中心。一、點(diǎn)火過(guò)程(SparkIgnition)擊穿階段80二、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)中的正常燃燒

(NormalCombustioninSIengines)（一）點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程火焰核心形成跳火倒拖壓力示功圖θθ1θ2θ3ⅠⅡⅢ122’34壓力曲線(xiàn)分離二、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)中的正常燃燒

(NormalCombust81滯燃期1-2第I階段，著火階段?；鸹ㄈ鹬列纬苫鹧嬷行?壓力脫離倒拖線(xiàn))。急燃期2-3第II階段，火焰?zhèn)鞑ルA段。火焰由火焰中心燒遍整個(gè)燃燒室的階段。(至缸內(nèi)最高壓力或溫度處)后燃期3-4第III階段，剩余未燃?xì)怏w的燃燒。1）汽油機(jī)燃燒的3個(gè)階段：滯燃期第I階段，著火階段?；鸹ㄈ鹬列纬苫鹧嬷行募比计诘贗82燃料分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能。開(kāi)始點(diǎn)火時(shí)氣缸內(nèi)氣體壓力溫度。與壓縮比有關(guān)，壓縮比高，滯燃期短。過(guò)量空氣系數(shù)a＝0.8~0.9時(shí)，滯燃期最短。殘余廢氣量增加，滯燃期增加。氣缸內(nèi)混合氣運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，則滯燃期稍有增加。由于氣流運(yùn)動(dòng)，火焰中心也可能在電極間隙附近?；鸹芰看?，滯燃期縮短。2）滯燃期(ignitiondelayperiod)影響因素燃料本身物化性能殘余廢氣系數(shù)缸內(nèi)混合氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)過(guò)量空氣系數(shù)火花點(diǎn)火能量滯燃期的影響因素點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)混合氣壓力、溫度燃料分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能。2）滯燃期(ignitiond83第五章-內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒課件1843）急燃期用壓力升高率（dp/d，therateofpressurerise）代表發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴的程度、振動(dòng)和噪聲水平。火焰?zhèn)鞑ニ俾矢叩目扇蓟旌蠚饩偈箟毫ι呗试黾?。急燃期終點(diǎn)一般為最高壓力點(diǎn)或最高溫度點(diǎn)，其位置可以用點(diǎn)火提前角來(lái)調(diào)整。為了保證汽油機(jī)工作柔和、動(dòng)力性能良好，一般應(yīng)使著火在上止點(diǎn)前12~150(CA)，最高燃燒壓力點(diǎn)在上止點(diǎn)后12~150(CA)到達(dá)，壓力升高率0.175-0.25MPa/(CA)]。點(diǎn)火過(guò)早，壓縮負(fù)功增加，壓力升高率增加，Pmax過(guò)大膨脹比小，高溫期傳熱表面積增加最高燃燒壓力點(diǎn)過(guò)早過(guò)遲3）急燃期用壓力升高率（dp/d，therateof85湍流火焰前鋒后面沒(méi)有完全燃燒掉的燃料。狹縫容積、壁面油膜和積碳層釋放的燃料。離溫?zé)峤獾膹?fù)合反應(yīng)放熱?；钊蛳轮裹c(diǎn)加速移動(dòng)，氣缸中壓力快速下降?；鹧嬉褌鞅槿紵?，燃料基本耗盡。4）后燃期湍流火焰前鋒后面沒(méi)有完全燃燒掉的燃料?；钊蛳轮裹c(diǎn)加速移動(dòng)86（二）燃燒速率（單位時(shí)間燃燒混合氣的量）

1）火焰速度UT2）火焰前鋒面積AT3）可燃混合氣密度T

在汽油機(jī)中，組織適當(dāng)強(qiáng)度的湍流有助于提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，?duì)燃燒過(guò)程有利，但太強(qiáng)的湍流不僅不利于提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，反而?huì)使傳播中的火焰猝熄。（二）燃燒速率（單位時(shí)間燃燒混合氣的量）

1）火焰速度UT87（三）著火界限或可燃范圍當(dāng)可燃混合氣過(guò)濃或過(guò)稀時(shí)，在電火花放電以后，并不能形成火焰中心及產(chǎn)生火焰?zhèn)鞑ァ＿@兩個(gè)界限的混合氣濃度稱(chēng)為可燃范圍或著火界限。各種燃料著火界限的數(shù)值是不同的，所有影響可燃混合氣初期放熱速率和散熱速率的因素，都會(huì)影響著火界限。P.91（三）著火界限或可燃范圍當(dāng)可燃混合氣過(guò)濃或過(guò)稀時(shí)，在電火花放88（四）不同工況下燃燒過(guò)程的特點(diǎn)點(diǎn)火提前角不同時(shí)的燃燒過(guò)程。在汽油機(jī)上，保持節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、轉(zhuǎn)速以及混合氣濃度一定，記錄功率、燃油消耗率、排氣溫度隨點(diǎn)火提前角的變化，稱(chēng)為汽油機(jī)點(diǎn)火提前特性。（四）不同工況下燃燒過(guò)程的特點(diǎn)點(diǎn)火提前角不同時(shí)的燃燒過(guò)程。89（四）不同工況下燃燒過(guò)程的特點(diǎn)混合氣濃度不同時(shí)的燃燒過(guò)程

在汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度保持一定，點(diǎn)火提前角為最佳值時(shí)調(diào)節(jié)供油量，記錄功率、燃油消耗率、排氣溫度隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化曲線(xiàn)，稱(chēng)為汽油機(jī)在某一轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下的燃料調(diào)整特性（四）不同工況下燃燒過(guò)程的特點(diǎn)混合氣濃度不同時(shí)的燃燒過(guò)程90第五章-內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒課件191負(fù)荷不同時(shí)的燃燒過(guò)程

當(dāng)節(jié)氣門(mén)關(guān)小時(shí)，充量系數(shù)急劇下降，但留在氣缸內(nèi)的殘余廢氣量不變，使殘余廢氣系數(shù)增加，滯燃期增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾氏陆担罡弑l(fā)壓力、最高燃燒溫度、壓力升高比均下降，冷卻水散熱損失相對(duì)增加，因而燃油消耗率增加。隨著負(fù)荷的減小，最佳點(diǎn)火提前角要提早。汽油機(jī)中用點(diǎn)火提前真空調(diào)節(jié)器來(lái)自動(dòng)調(diào)整。負(fù)荷不同時(shí)的燃燒過(guò)程92轉(zhuǎn)速不同時(shí)的燃燒過(guò)程當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，以秒計(jì)的滯燃期與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不大，但是按曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的滯燃期卻隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。因此，在汽油機(jī)上均設(shè)有點(diǎn)火提前角的離心自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，使在轉(zhuǎn)速增加時(shí)，增大點(diǎn)火提前角。點(diǎn)火時(shí)間的電子控制（影響點(diǎn)火提前角的多因素修正）轉(zhuǎn)速不同時(shí)的燃燒過(guò)程93（五）燃燒的循環(huán)變動(dòng)

(CyclicVariationsinCombustion)燃燒循環(huán)變動(dòng)表現(xiàn)為在發(fā)動(dòng)機(jī)以某一工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，這一循環(huán)和下一循環(huán)燃燒過(guò)程的進(jìn)行情況不斷變化，具體表現(xiàn)在壓力曲線(xiàn)、火焰?zhèn)鞑デ闆r及發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出均不相同。采用稀燃或低負(fù)荷、低速時(shí)，循環(huán)變動(dòng)會(huì)加劇。（五）燃燒的循環(huán)變動(dòng)

(CyclicVariations94第五章-內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒課件195（五）燃燒的循環(huán)變動(dòng)

(CyclicVariationsinCombustion)產(chǎn)生燃燒循環(huán)變動(dòng)的原因氣體運(yùn)動(dòng)狀況混合氣成分每循環(huán)氣缸內(nèi)的混合氣成分(特別是在點(diǎn)火瞬間火花塞附近)，由于空氣、燃料、EGR和殘余廢氣之間混合情況的變動(dòng)而造成燃燒的變動(dòng)。多點(diǎn)點(diǎn)火有利于減小壓力的循環(huán)變動(dòng)加大點(diǎn)火能量，優(yōu)化放電方式采用速燃技術(shù)，組織一定進(jìn)氣渦流，加強(qiáng)湍流擾動(dòng)采用燃油電控噴射技術(shù)各缸充量一致性（空氣、廢氣、燃料）采用化學(xué)計(jì)量或略濃空燃比降低燃燒循環(huán)變動(dòng)的措施（五）燃燒的循環(huán)變動(dòng)

(CyclicVariations96三、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的不正常燃燒

(AbnormalCombustion)

（一）爆燃（knock）

汽油機(jī)的燃燒不正常，壓力曲線(xiàn)出現(xiàn)高頻、大振幅波動(dòng)，上止點(diǎn)附近的dp/d值達(dá)65MPa/CA之高，此時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧媲颁h形狀發(fā)生急劇的改變，稱(chēng)為爆燃。三、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的不正常燃燒

(AbnormalComb97第五章-內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒課件198三、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的不正常燃燒

(AbnormalCombustion)

汽油機(jī)爆燃時(shí)一般表現(xiàn)為以下外部特征：發(fā)出金屬振音(敲缸)(knock)。在輕微爆燃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率略有增加；強(qiáng)烈爆燃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，工作變得不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速下降，發(fā)動(dòng)機(jī)有較大振動(dòng)。冷卻系統(tǒng)過(guò)熱(冷卻水、潤(rùn)滑油溫度均上升)。氣缸蓋溫度上升。三、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的不正常燃燒

(AbnormalComb99汽油機(jī)的爆燃現(xiàn)象就是終燃混合氣(endgas)的自燃現(xiàn)象(autoignition)?；鹧嬲鞑ニ俾剩?0~70m/s輕微爆燃：100~300m/s強(qiáng)烈爆燃：800~1000m/s或更高爆燃最容易在燃燒室中離開(kāi)正常燃燒最遠(yuǎn)的地方以及具有高溫的地方(如排氣門(mén)和積碳處)發(fā)生注：柴油機(jī)工作粗爆發(fā)生爆燃的原因：汽油機(jī)的爆燃現(xiàn)象就是終燃混合氣(endgas)的自燃現(xiàn)象(100強(qiáng)烈爆燃對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的不利影響：(1)輸出功率、熱效率均降低壓力波沖擊破壞氣缸壁面的層流邊界層，使向氣缸壁面的傳熱量大大增加，冷卻損失增加，輸出功率降低，因而熱效率下降。(2)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱爆燃時(shí)，破壞附面層，氣缸蓋、活塞頂面的溫度上升，排氣溫度下降。(3)零件的應(yīng)力增加爆燃時(shí)，壓力增長(zhǎng)率和最高壓力都增加，故有關(guān)零件上的作用力也增加，使受力件損壞。(4)爆燃促使積碳形成，破壞活塞環(huán)、氣門(mén)和火花塞的正常工作；壓力波沖擊缸壁表面，使之不易形成油膜，會(huì)導(dǎo)致機(jī)件加速磨損。爆燃成為限制汽油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要因素。強(qiáng)烈爆燃對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的不利影響：101（二）發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)因素與結(jié)構(gòu)因素對(duì)爆燃的影響為便于分析，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆燃的條件作如下簡(jiǎn)化：在火花放電以后，火焰開(kāi)始傳播，同時(shí)終燃混合氣進(jìn)行焰前反應(yīng)，為著火作準(zhǔn)備。如果由火焰中心形成至正?；鹧?zhèn)鞑サ浇K燃混合氣為止所需的時(shí)間為t1，由火焰中心形成至終燃混合氣自燃所需的時(shí)間為t2，當(dāng)t1

＜t2時(shí)，就不發(fā)生爆燃；當(dāng)t1

＞t2時(shí)，則發(fā)生爆燃。因此，凡是t1減小、t2增加的因素均可減少爆燃傾向；反之，均使爆燃傾向增加。（二）發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)因素與結(jié)構(gòu)因素對(duì)爆燃的影響為便于1021．運(yùn)轉(zhuǎn)因素的影響(1)點(diǎn)火提前角的影響。點(diǎn)火提前角增加，t1、t2均減小，但t2減小起決定作用。隨點(diǎn)火提前角增加，爆燃傾向加大。采用推遲點(diǎn)火辦法，可增加壓縮比。1．運(yùn)轉(zhuǎn)因素的影響1031．運(yùn)轉(zhuǎn)因素的影響(2)轉(zhuǎn)速的影響。轉(zhuǎn)速增加時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣撸?/p>

t1減??；同時(shí)，c下降，t2增加，爆燃傾向減小。(3)負(fù)荷的影響

負(fù)荷減小時(shí)，r增加，最高壓力下降，爆燃傾向減小。(4)混合氣濃度的影響

a=0.8~0.9時(shí)爆燃傾向最大，過(guò)濃或過(guò)稀的混合氣有助于減小爆燃。(5)燃燒室沉積物的影響

沉積物的存在使爆燃傾向增加。1．運(yùn)轉(zhuǎn)因素的影響1042．結(jié)構(gòu)因素的影響

(1)氣缸直徑氣缸直徑大，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長(zhǎng)，使爆燃傾向增大。(2)火花塞位置火花塞位置影響火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，從而影響終燃混合氣的溫度。(3)氣缸蓋與活塞的材料由于輕合金導(dǎo)熱好，因而用輕合金活塞可提高壓縮比。(4)燃燒室結(jié)構(gòu)凡是火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短、湍流強(qiáng)度高、火焰?zhèn)鞑ニ俣雀叩娜紵医Y(jié)構(gòu)，均有助于減小爆燃傾向。2．結(jié)構(gòu)因素的影響105小結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)因素

點(diǎn)火提前，爆燃傾向加大

沉積物使爆燃傾向增加

轉(zhuǎn)速增加，爆燃傾向減小

負(fù)荷減小，爆燃傾向減小

過(guò)濃或過(guò)稀的混合氣有助于減小爆燃結(jié)構(gòu)因素氣缸直徑大，爆燃傾向增大

火花塞靠近排氣門(mén)安裝，爆燃傾向減小

鋁合金活塞,爆燃傾向減小火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短、紊流強(qiáng)度提高的燃燒室結(jié)構(gòu)均有助于減小爆燃傾向小結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)因素點(diǎn)火提前，爆燃傾向加大沉積物使爆燃傾向增加106（三）防止爆燃的方法

防止發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃的方法很多，如使用抗爆性高的燃料，降低終燃混合氣溫度，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣然蚩s短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，縮短終燃混合氣暴露在高溫中的時(shí)間等。具體措施有：1)推遲點(diǎn)火。2)縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，利用火花塞恰當(dāng)布置及燃燒室合理形狀等方法使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x最小。3)終燃混合氣的冷卻，使離火花塞最遠(yuǎn)處的可燃混合氣冷卻得較好，如減小終燃混合氣部分的余隙高度。4)增加流動(dòng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?，終燃混合氣的散熱也好。5)燃燒室掃氣(加大進(jìn)、排氣重疊期)的冷卻作用可減輕爆燃。（三）防止爆燃的方法107（四）表面點(diǎn)火（SurfaceIgnition）在點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中，凡是不依靠電火花點(diǎn)火，而是由于熾熱表面(如過(guò)熱的火花塞絕緣體和電極、排氣門(mén)，更多的是燃燒室表面熾熱的沉積物)點(diǎn)燃混合氣而引起的不正常燃燒現(xiàn)象，稱(chēng)為表面點(diǎn)火或熾熱點(diǎn)火。表面點(diǎn)火大致可分后火和早火兩種。（四）表面點(diǎn)火（SurfaceIgnition）在點(diǎn)燃式發(fā)1081－早火

2－正常點(diǎn)火

3－后火4－倒拖1－早火2－正常點(diǎn)火3－后火4－倒拖109第三節(jié)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室

5.3

SIEngineCombustionChamber一、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室Combustionchamber（一）燃燒室設(shè)計(jì)的一般要求(1)經(jīng)濟(jì)性高。 (2)燃燒放熱率曲線(xiàn)等容度高。(3)對(duì)大氣的污染小。 (4)動(dòng)力性高。(5)不出現(xiàn)爆燃與表面點(diǎn)火等不正常燃燒。(6)燃燒循環(huán)變動(dòng)小。 (7)工作柔和，燃燒噪聲小。(8)滿(mǎn)足速燃要求。 (9)稀燃能力強(qiáng)。(10)起動(dòng)性好。 (11)瞬態(tài)特性好。(12)EGR的承受能力強(qiáng)。第三節(jié)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室

5.3SIEngineC110（二）燃燒室設(shè)計(jì)要點(diǎn)（Designpoints）

1．壓縮比選擇原則：提高壓縮比又不促使爆燃的發(fā)生?？紤]因素如下：1)縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，設(shè)計(jì)緊湊燃燒室（與火花塞位置有關(guān)）（minimumflametravel）2)利用適當(dāng)強(qiáng)度的湍流，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣取?turbulence)3)在離火花塞較遠(yuǎn)的區(qū)域設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦鋮s面積，降低溫度。4)燃燒室內(nèi)沒(méi)有熱點(diǎn)和表面沉積物。(minimumdeposits)

從提高功率和經(jīng)濟(jì)性考慮，提高壓縮比是有利的，但過(guò)高的壓縮比將使發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲與振動(dòng)較大，且對(duì)排放不利。（二）燃燒室設(shè)計(jì)要點(diǎn)（Designpoints）1．1112、燃燒室面容比F/V（surface-volumeratio）

F/V在某種意義上可以表示燃燒室的緊湊性。一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)/V大，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長(zhǎng)，容易爆燃，HC排放高，相對(duì)散熱面積大，熱損