機械工程內燃機精品課件05課件(第五章51-52)

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第五章內燃機混合氣的形成(xíngchéng)和燃燒§5-1缸內的氣體流動內燃機缸內的空氣運動(yùndòng)，是影響點燃式內燃機的燃燒過程、壓燃式內燃機燃料空氣混合和燃燒過程的主要因素之一。

缸內的空氣運動包括渦流、擠流、滾流和湍流。

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第五章內燃機混合氣的形成(xíngchéng)和燃燒一、進氣渦流1．進氣渦流:在進氣過程形成的繞氣缸軸線有組織的氣流運動。進氣渦流的大小(dàxiǎo)取決于進氣道的形狀及發(fā)動機的轉速。進氣渦流在壓縮過程中逐漸衰減，一般情況下，在壓縮終了時進氣渦流的初始動量的25%-30%將衰減掉。研究表明：進氣過程中所產生的旋流可以持續(xù)到燃燒膨脹行程。進氣結束時，氣缸內旋流速度小于某一半徑，切線速度隨半徑的增加而增大，速度分布呈現剛體流分布；而超過這一半徑，切線速度隨半徑的增加而減小，速度呈現勢流分布。精品資料3

第五章內燃機混合氣的形成(xíngchéng)和燃燒柴油機進氣渦流主要用于增強噴油油束與空氣(kōngqì)的混合，提高混合速率，有助于快速燃燒。汽油機

進氣渦流主要用于增加火焰?zhèn)鞑ニ俾剩瑢崿F快速燃燒。當活塞接近上止點時，大量空氣被迫進入活塞頂的燃燒室內，此時剛體流明顯增強，勢力流明顯減弱，可以認為此時燃燒室凹坑內的流體運動為剛體流，即燃燒室中的氣流切向速度隨燃燒室半徑的增大而增加，燃燒室中心部分壓力低，外圍部分壓力高。精品資料4

第五章內燃機混合氣的形成(xíngchéng)和燃燒2.進氣(jìnqì)渦流產生方法：

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§5-1缸內的氣體(qìtǐ)流動3.氣道評價方法氣道質量指標—在盡可能小的阻力下有足夠的渦流(wōliú)強度。一般在穩(wěn)流氣道實驗臺上評定渦流(wōliú)強度。用葉片風速儀測量渦流轉速，或用角動量矩直接測量渦流的角動量，用流量計測量氣體流量。測量的方法為定壓差法，在不同的氣門升程下測量葉片的轉速和氣體流量。精品資料6

§5-1缸內的氣體(qìtǐ)流動--氣道試驗臺精品資料7

Velocitydistributionintheintakeportandcylinder(GasolineEngine)精品資料8

§5-1缸內的氣體(qìtǐ)流動二、擠流在壓縮后期,活塞表面的某一部分和缸蓋彼此靠近時所產生的徑向或橫向氣流運動，稱為擠流；當活塞下行時，燃燒室中的氣體向外流到環(huán)形空間，產生膨脹流動，稱為逆擠流。擠流強度由擠氣面積和擠氣間隙(jiànxì)大小決定。通常采用縮口形燃燒室，其可充分利用較強的擠流和逆擠流。

緊湊型燃燒室都利用較強的擠流運動，以增強燃燒室內的湍流強度，促進混合氣快速燃燒。

利用逆擠流有助于將燃燒室內的混合氣流出，使其進一步和氣缸內的空氣混合燃燒，對改善燃燒和降低排放十分有利。汽油機柴油機應用精品資料9

§5-1缸內的氣體(qìtǐ)流動壓縮(yāsuō)渦流在壓縮過程中形成的有組織的空氣旋轉運動，稱為壓縮渦流。如渦流室柴油機在壓縮過程中，氣缸內的空氣通過與渦流室相切的通道被壓入渦流室中，形成有組織的旋流運動。這種壓縮渦流可促進噴入渦流室中的燃料與空氣的混合。這種壓縮渦流的強弱由渦流室形狀、通道尺寸、位置和角度等決定的。精品資料10

§5-1缸內的氣體(qìtǐ)流動三、滾流定義：在進氣過程中形成的繞氣缸軸線垂直線的有組織的空氣旋流。應用：滾流較適宜于在四氣門(qìmén)汽油機上使用，滾流在壓縮過程中其動量衰減較少，當活塞接近于上止點時，大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強度和湍流動能增加，提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，改善發(fā)動機性能。精品資料11

Velocitydistributionintheintakeportandcylinder(GasolineEngine)精品資料12

§5-1缸內的氣體(qìtǐ)流動四、斜軸(xiézhóu)渦流

滾流與渦流的結合可形成斜軸渦流,它既有繞氣缸軸線旋轉的橫向分量,也有繞氣缸軸線垂直線旋轉的縱向分量。在四氣門汽油機中，在兩個進氣道中的一個進氣道中安裝旋流控制閥，通過改變旋流控制閥的開度即可形成不同角度的斜軸渦流。

斜軸渦流可認為是由進氣渦流和滾流兩部分組成，可充分利用了兩者的優(yōu)點,在上止點附近形成更強的湍流,提高混合氣（特別是稀混合氣）的燃燒速度。精品資料13

§5-1缸內的氣體(qìtǐ)流動五、湍流定義：在氣缸中形成隨機的（或無規(guī)則的）有旋的非定常氣體運動；可分為氣流(qìliú)流過固體表面的壁面湍流和同一流體不同流速層之間產生的自由湍流，內燃機中的湍流主要是自由湍流。湍流結構十分復雜，內燃機中可燃混合氣的湍流特性對燃燒速度和火焰?zhèn)鞑ビ兄种匾挠绊?。湍流可產生于進氣過程，壓縮過程及燃燒過程。不規(guī)則性和隨機性是湍流的最主要特征，因此常用統(tǒng)計的方法來描述湍流特征參數。點火式發(fā)動機中湍流能促進火焰面附近已燃氣體和未燃氣體的交換，擴大火焰前鋒表面積，從而提高火焰?zhèn)鞑ニ俾省Ｔ诓裼蜋C中湍流可改善燃油（如壁面附近燃油）與空氣的混合。精品資料14

§5-1缸內的氣體(qìtǐ)流動六、熱力(rèlì)混合

直接噴射式燃燒室內的空氣運動在壓縮上止點附近接近剛體流，即燃燒室中的氣流切向速度隨燃燒室半徑的增大而增加，燃燒室中心部分壓力低，外圍部分壓力高。燃燒室內的流體一方面受到離心力的作用向外運動，另一方面受到壓差作用推向燃燒室中心。對于液體油滴或燃油蒸汽，由于其密度比空氣大，離心力起主導作用，呈向外運動趨勢；對于已燃氣體，其密度比空氣小，向燃燒室中心的推力起主要作用，呈向內運動趨勢。

這種在旋轉氣流中火焰向燃燒室中心運動，又將中心部分的新鮮空氣擠向外壁，促進空氣與未燃燃料混合的作用稱為熱力混合作用。精品資料15

§5-1缸內的氣體(qìtǐ)流動汽油機與柴油機相比主要(zhǔyào)有如下特點:精品資料16

汽油機和氣體燃料發(fā)動機的可燃混合氣的燃燒基本上屬于(shǔyú)預混燃燒。一、火花點火過程（1）擊穿階段火花塞電極電壓很高，10-15kV,擊穿電極間隙，形成一個很窄的圓柱狀離子化的氣體通道，溫度上升到60000k,壓力上升到幾十個MPa，產生一個向四周傳播的強烈激波，使粒子通道體積迅速膨脹，溫度、壓力迅速下降。峰值電流可達200A,時間很短，約10ns。（2）電弧放電階段擊穿階段末期形成電極間的電流通道(電弧)，電弧放電電壓較低，為50-100V,電流很高，電弧中心的溫度約6000k。此時火焰?zhèn)鞑ラ_始。§5-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒火花放電電壓和電流隨時間的變化

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（3）輝光放電階段輝光放電階段的特征是電流低于200mA,在陰極上有大的電壓降（300-500V）,且溫度較高，離子化程度很低。絕大部分點火能量由此放出，但能量損失比電弧階段更大，氣體的最高平均溫度下降為3000k左右。常用的點火系統(tǒng)供給(gōngjǐ)能量為30-50mJ;遠遠大于混合氣點燃所需的能量（3mJ）。

（4）火核形成(點火成功）§5-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒火花放電電壓和電流隨時間的變化

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二、燃燒機理燃燒過程包括：著火、燃燒著火(也稱滯燃期)--是指可燃混合氣在一定壓力、溫度(wēndù)和濃度條件下，其氧化反應突然加速，以至出現火焰的現象。燃燒--是指燃料與氧化劑進行劇烈放熱的氧化反應過程。§5-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒

1.燃燒方法分類-----氣相燃燒、固相燃燒氣相燃燒—燃料以氣體狀態(tài)與空氣混合所進行的燃燒；固相燃燒—固體燃料沒有揮發(fā)而在表面與空氣進行燃燒；

汽油機和柴油機，均為液體燃料、氣相燃燒(反應)

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§5-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒--燃燒機理●擴散燃燒燃料是一邊(yībiān)與空氣混合、一邊(yībiān)燃燒，由于混合過程比反應速率慢，因此燃燒速率取決于混合速率，混合過程控制了燃燒速率，燃燒速率取決于擴散速率。著火前燃料與空氣相互分離，著火后兩者邊混合邊燃燒（如煤氣灶、蠟燭、鍋爐、柴油機、液體燃料失火）；●預混合燃燒

如果混合過程比燃燒反應要快得多或者在火焰到達之前燃料與空氣已充分混合，這種可燃混合氣的燃燒稱之為預混燃燒。（如汽油機、瓦斯爆炸）

2.氣相燃燒分類：預混合燃燒、擴散燃燒●內燃機中所有燃燒屬于兩種燃燒中的某一類、或兩種燃燒的組合?！衿蜋C和氣體燃料發(fā)動機的可燃混合氣的燃燒基本上屬預混燃燒。●柴油機的大部分燃料是在著火后噴入氣缸的，處于一邊與空氣混合、一邊燃燒的情況下，由于混合過程比反應速率慢，因此燃燒速率取決于混合速率。

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§5-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒--燃燒機理3.預混合燃燒和擴散(kuòsàn)燃燒的對比

擴散燃燒①燃燒速度取決于混合速度（混合氣形成的影響極大）；②φa=1.2-6.8，穩(wěn)定稀燃；

③濃度和溫度分布不均勻，易產生碳煙；④有焰燃燒；⑤無回火可能（因為進的是空氣和進氣壓力基本等于大氣壓）。

預混合燃燒①燃燒速度取決于化學反應速度（混合氣形成影響?。虎讦誥=0.8-1.2，難以稀燃；（φa—過量空氣系數）③濃度和溫度分布均勻，不易產生碳煙；④無焰燃燒；⑤有回火可能（因為進的是混合氣和進氣壓力低于大氣壓）。精品資料21

§5-2點燃式內燃機的燃燒(ránshāo)---點燃式內燃機的正常燃燒(ránshāo)三、點燃式內燃機的正常燃燒1.正常燃燒過程(guòchéng)：在正?；鹧驿h面到達前，未燃混合氣的焰前反應均未達到自燃的程度，由不斷向前推進的火焰鋒面將其逐層引燃，直到火焰?zhèn)髦磷罱K燃燒的末端混合氣為止，把這種有序的燃燒稱為正常燃燒過程(guòchéng)。正常燃燒過程(guòchéng)三個階段，滯燃期、急燃期和后燃期。精品資料22

火核順序點燃周圍(zhōuwéi)的混合氣，以球面波向外傳播；◎火焰前鋒面◎火焰?zhèn)鞑ニ俣萔L—火焰前鋒面在法線方向上相對于未燃混合氣的移動(yídòng)速度。◎燃燒速率—混合氣質量為m，混合氣密度為ρm，火焰前鋒表面積為FL，則燃燒速率：dm/dt=VLFLρm（kg/s）◎放熱速率—燃燒放熱量為qt，混合氣熱值為hu，則放熱速率：dqt/dt=VLFLρmhu（kJ/s）

§5-2點燃式內燃機的燃燒---點燃式內燃機的正常燃燒精品資料23

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412.定容燃燒：定容燃燒彈中燃燒與汽油機比較接近，通過研究定容燃燒彈的燃燒過程，可得到如下結論：（1）火焰沿燃燒室不斷傳播，后續(xù)燃燒的混合氣壓力、密度將不斷增加，燃燒速率也不同。（2）燃燒后各處的壓力、溫度不同?？拷鸹ㄈ遣糠只旌蠚庾罡?。（3）火焰?zhèn)鞑饓嚎s-膨脹(péngzhàng)作用，所以燃燒初期與末期氣流運動方向及速度增長相反的。1234341§5-2點燃式內燃機的燃燒(ránshāo)---點燃式內燃機的正常燃燒(ránshāo)精品資料24

§5-2點燃式內燃機的燃燒--預混合(hùnhé)燃燒的高速攝影精品資料25

3.點燃式內燃機燃燒(ránshāo)過程§5-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒---點燃(diǎnrán)式內燃機的正常燃燒精品資料26

3.點燃式內燃機燃燒過程（1）滯燃期（著火階段）:三種定義，有一定的差別(chābié)從點火開始至缸內壓力明顯脫離壓縮線所需的時間。以跳火作為起點直到形成設定半徑火焰核心，開始傳播一段時間。從點火開始至缸內10%的燃料燃燒完畢所需的時間。

§5-2點燃式內燃機的燃燒(ránshāo)---點燃式內燃機的正常燃燒(ránshāo)滯燃期影響因素：a.燃料的分子結構和理化性能、混合氣成分.b.點火時缸內氣體的壓力、溫度、氣流運動以及點火能量的大小。c.過量空氣系數（φa）、殘余廢氣量。汽油-空氣混合氣在Φa=0.8-0.9時，滯燃期最短；參與廢氣量越少，滯燃期越短。對于汽油機來說，缸內著火時間可以通過控制點火提前角的辦法來調整，所以滯燃期的長短對工作的影響不大。與柴油機滯燃期的情況是完全不同的。精品資料27

（2）急燃期（點2-3）—火焰核心開始出現火焰?zhèn)鞑?，至火焰遍整個(zhěnggè)燃燒室的階段，也稱為火焰?zhèn)鞑ルA段。特點：燃燒的混合氣量很大，放熱量急劇增加，缸內溫度和壓力升高很快，壓力升高率達到0.2～0.4MPa／°CA。持續(xù)時間短，因燃燒放熱集中于壓縮上止點附近，故其熱量利用情況較好。應避免點3在壓縮上止點前過早出現，否則將引起壓縮過程負功的增加，或產生過高的壓力升高率和最高燃燒壓力。一般用壓力升高率代表發(fā)動機工作粗暴程度、振動和噪聲水平?；鹧?zhèn)鞑ニ俾矢邉t可促使壓力升高率增加，此外火花塞位置、燃燒室形狀等對壓力升高率也有影響。§5-2點燃式內燃機的燃燒(ránshāo)---點燃式內燃機的正常燃燒(ránshāo)精品資料28

（3）后燃期（點3-4）—是從最高燃燒壓力點起至燃料基本燒完為止的一段時間。原因:燃料與空氣的混合并非完全均勻，加上燃燒產物在高溫下可能發(fā)生熱分解，在火焰鋒面?zhèn)鞯侥┒嘶旌蠚夂螅變热杂形赐耆紵娜剂洗嬖?，致使燃燒在膨脹過程中繼續(xù)進行；燃燒放熱量(rèliàng)很少。為提高熱效率，減少燃燒污染物的排放量，應盡可能縮短后燃期。§5-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒---點燃(diǎnrán)式內燃機的正常燃燒為了保證汽油機工作柔和，動力性能良好，一般應使點2在上止點前12°-15°，點3在上止點后12°-15°，壓力升高率為0.175-0.25[MPa/（°）（CA）]。精品資料29

4.燃燒過程按已燃質量分數劃分火焰發(fā)展期：火花塞點火到10%化學能放出所需的曲軸轉角(zhuǎnjiǎo)?？焖偃紵冢簭囊讶假|量分數達到10%的點到火焰?zhèn)鞑ミ^程終點（通常指已燃質量分數達到90%）之間的階段?？側紵冢赫麄€燃燒過程持續(xù)期§5-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒---點燃(diǎnrán)式內燃機的正常燃燒精品資料30

5.火焰?zhèn)鞑ニ俾?sùlǜ)可燃混合氣著火以后，即形成火焰中心，火焰由此中心以一定的速率(sùlǜ)傳播到整個燃燒室。層流火焰?zhèn)鞑ニ俾?sùlǜ)SL：火焰前鋒相對未燃混合氣沿著垂直于其表面的方向移動的速率(sùlǜ)。對發(fā)動機使用的碳氫燃料可燃混合氣，SL=0.4-0.5m/s，氫燃料為3m/s。§5-2點燃式內燃機的燃燒(ránshāo)---點燃式內燃機的正常燃燒(ránshāo)湍流火焰速率ST：缸內大尺度湍流使火焰前鋒面發(fā)生扭曲，使面積增大，增加混合氣的參混導致火燃傳播速度大大增加。精品資料31

層流(cénɡliú)火焰與湍流火焰◎層流（Re＜2300）前鋒(qiánfēng)面薄且圓滑，VL＜1m/s(或1.8)◎湍流（Re=2300~6000）前鋒面變厚,出現皺折VT↑,VT∝Re0.5◎強湍流（Re＞6000）嚴重皺折,其后有未燃區(qū)，VT↑↑，VT∝Re§5-2點燃式內燃機的燃燒---點燃式內燃機的正常燃燒精品資料32

6.著火界限由于混合氣濃度過濃或過稀導致放熱量過少致使火焰不能傳播的兩個(liǎnɡɡè)混合氣濃度界限。一般點火稀限Φamax=1.3-1.4，最小值（濃限）無意義。對于濃度接近化學計量比的混合氣，其成功點燃所需的能量最小Emin。混合氣過稀或過濃，都會使點火所需的Emin值增加。影響因素：a點火能越小，則能夠引起點燃的混合氣的濃度范圍越窄；增加點火能量，也可以拓寬點火界限。b提高混合氣的初溫，其點火的可燃界限會變寬；c降低混合氣的壓力，當低于大氣壓時其點火界限的范圍會很快變窄。d具有強湍流的混合氣與靜止混合氣相比，在同樣的條件下，流速較小時，有利于將火焰核心吹離電極，使點火界限范圍變寬。當流速超過某一定值時，過強對流所造成的高傳熱速率將使火焰核心無法(wúfǎ)建立，從而導致點火界限范圍變窄。

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§5-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒---點燃(diǎnrán)式內燃機的非正常燃燒四、點燃式內燃機的非正常燃燒1.爆燃：在某種條件下，燃燒變得不正常，壓力出現高頻大幅度波動，火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧媲颁h發(fā)生急劇(jíjù)改變。外部特征：a）發(fā)出金屬振音（敲缸）。b）在輕微爆燃時，發(fā)動機功率略有增加；強烈爆燃時，發(fā)動機功率下降，工作變得不穩(wěn)定，轉速下降，發(fā)動機有較大振動。c）冷卻系統(tǒng)過熱。d）氣缸蓋溫度上升。精品資料34

產生的原因：爆燃現象(xiànxiàng)就是終燃混合氣的自燃現象(xiànxiàng)?！?-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒---點燃(diǎnrán)式內燃機的非正常燃燒火焰以正常的傳播速度20～60[m/s]輕微爆燃—

100～300[m/s]

800～2000[m/s]強烈爆燃—

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爆燃的危害：1）輸出功率、熱效率均降低2）發(fā)動機過熱3）零件的應力增加4）爆燃促使積碳形成，容易破壞活塞環(huán)、氣門和火花塞的正常(zhèngcháng)工作；壓力波沖擊缸壁表面，使之不易形成油膜，會導致機件加速磨損。

§5-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒---點燃(diǎnrán)式內燃機的非正常燃燒精品資料2.燃料(ránliào)抗爆性能的評定燃料(ránliào)的抗爆性—燃料(ránliào)對發(fā)動機發(fā)生爆燃的抵抗能力。通常用辛烷值來表示。辛烷值越高，抗爆性越好研究法辛烷值（RON）和馬達法辛烷值（MON）§5-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒---點燃(diǎnrán)式內燃機的非正常燃燒36

調整壓縮比

測量燃料辛烷值和十六烷值的發(fā)動機(CFR)精品資料37

道路辛烷值：評定燃料在汽車發(fā)動機實際使用(shǐyòng)時的抗爆能力?！?-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒---點燃(diǎnrán)式內燃機的非正常燃燒抗爆添加劑：四乙鉛；甲醇、乙醇；甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚精品資料38

3.影響爆震的因素：令火焰?zhèn)鞑r間t1，終燃混合氣自燃時間t2運行因素：1）點火提前角—θ增加，t1減少；pZ，TZ增大，t2減少。但t2起主要作用，故爆燃傾向增加?？梢杂猛七t點火提前角辦法(bànfǎ)降低爆燃傾向。2）轉速的影響—n增加，Sf增加，t1減少；吸氣損失增加，溫度增大，使t2減少；而沖量系數下降，pZ下降，t2增加；n增加，爆燃傾向減少?！?-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒---點燃(diǎnrán)式內燃機的非正常燃燒精品資料39

3）負荷—節(jié)氣門關小，殘余廢氣增大，傳熱損失增加，pZ下降，t2增加，故爆燃傾向減小。4）混合氣濃度影響(yǐngxiǎng)—Φa=0.8-0.9時，Sf最高，t1最小；t2也最小，t2起主要作用，爆燃傾向增加，過濃過稀混合氣有助于減少爆振。5）沉淀物（積碳）—積碳溫度較高，使爆燃傾向增加。§5-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒---點燃(diǎnrán)式內燃機的非正常燃燒精品資料40

結構因素：1）氣缸直徑：D增大，t1增大，t2減小，爆燃傾向增加。2）火花塞安裝位置：靠近排氣門不易引起爆燃，遠離進氣工作不穩(wěn)。3）氣缸蓋與活塞的材料：輕鋁合金具有導熱好特性，爆燃減輕。4）燃燒室結構：火燃傳播(chuánbō)距離短、傳播(chuánbō)速度高，湍流強度高的結構有助于降低爆燃。§5-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒---點燃(diǎnrán)式內燃機的非正常燃燒精品資料41

4.防止爆燃的方法(fāngfǎ)：1）推遲點火；2）縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x；3）冷卻終燃混合氣；4）增加流動加速火焰?zhèn)鞑?，降低溫度?）增強燃燒室掃氣?！?-2點燃(diǎnrán)式內燃機的燃燒---點燃(diǎnrán)式內燃機的非正常燃燒精品資料42

5.表面點火：凡是不依靠電火花點火，由于炙熱表面點燃混合氣而引起的