發(fā)動機原理課件-第五章汽油機混合氣形成與燃燒1

本章重點：1、汽油機正常燃燒過程。2、爆燃和表面點火。3、影響燃燒的因素。了解：＊汽油機混合氣的形成＊有害排放物的生成機理與控制＊汽油機燃燒室。第五章汽油機混合氣形成與燃燒引言

1.燃燒過程的重要性

燃料燃燒完全的程度，直接影響到熱量產生的多少和排出的廢氣的成分；而燃燒時機又關系到熱量的利用程度。所以，燃燒過程是影響發(fā)動機的動力性、經濟性和排氣污染的主要過程，同時與噪聲、振動、啟動性能和使用壽命也有重大關系。2.對燃燒過程的要求

1）燃燒完全，釋放出盡可能多的熱能，減少廢氣中的有害物質。2）燃燒及時，使放熱集中在上止點附近，提高熱功轉換能力。3.燃燒過程的研究方法

高速攝影法、示功圖法第一節(jié)汽油機混合氣的形成1、傳統(tǒng)化油器式汽油機混合氣形成一般采用下吸式化油器混合氣形成初始位置：喉管處※喉管處，空氣的流速約為燃油流速的20~30倍，燃油被粉碎成直徑約0.1mm的油滴，增大了空氣與燃油的接觸面積。1、汽油噴射式汽油機混合氣形成一般采用多點、間歇燃油噴射噴射系統(tǒng)的壓力一般為：200~300kpa噴射時間排氣終了上止點前：10~100°CA混合氣形成初始位置：進氣門處?！M氣門處，噴油器將燃油以霧狀噴入，與進入的空氣形成均質預混合氣。1、火花塞跳火2、缸內壓力線偏離純壓縮線的始點3、缸內最高壓力點θ-點火提前角一、示功圖上的關鍵點

Ⅰ-著火延遲Ⅱ-顯燃期Ⅲ-后燃期

汽油機的燃燒過程第二節(jié)汽油機的正常燃燒汽油機的燃燒過程：指從點火開始到燃料基本燒完為止的過程。二、燃燒過程的幾個階段

1、滯燃期（著火落后期或著火延遲期）-火焰發(fā)展階段

從火花塞開始跳火到火焰中心形成→著火落后期。

或：從火花塞開始跳火到缸內的壓力明顯脫離壓縮線。＊火花塞跳火（10-15kV）后，氧化反應需要一定時間。當混合氣局部溫度升高到一定程度后（3000K），形成發(fā)光區(qū)，即火焰中心。＊缸內的壓力線與壓縮線基本重合。影響著火落后期的因素：

燃料的性質、混合氣濃度(=0.85～0.95最短)、火花塞跳火時缸內壓力及溫度、電火花強度等。另外，與殘余廢氣量、缸內混合氣的運動等因素有關。※從火花塞跳火瞬時到活塞行至上止點時的曲軸轉角，稱為點火提前角，用表示。一般為20—35oCA。2、急燃期（明顯燃燒期或顯燃期）

-火焰的傳播階段從火焰中心形成到示功圖上的壓力達到最高點為止稱為明顯燃燒期。

或：從火焰中心形成到火焰?zhèn)鞅檎麄€燃燒室

＊火焰前鋒掃過整個燃燒室，一般占20—30oCA。＊混合氣約80—90%在此期間燃燒完畢。＊溫度、壓力迅速升高，出現(xiàn)最高壓力點(＜5MPa)與最高溫度點。＊最高壓力點與最高溫度點有時重合。＊出現(xiàn)最高壓力點的時刻對功率和經濟性有重大影響?！罡邏毫Φ奈恢梅浅Ｖ匾∩现裹c后12℃A~15℃A循環(huán)功最多在均質混合氣中，當火焰中心出現(xiàn)后，與其臨近的一薄層混合氣首先燃燒即形成極薄的火焰層，稱為火焰前鋒?；鹧?zhèn)鞑ァ曰鸷藶橹行某是蛎娌ㄐ问较蛑車鷶U展。分：層流火焰?zhèn)鞑?、湍流火焰?zhèn)鞑恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萔L：火焰前鋒相對于未燃混合氣向前推進的速度。（火焰層薄，VL=0.4～0.5m/s）影響VL因素：溫度、壓力、Φa（0.85～0.95最快）、Φr、燃料等(當n=5000～8000r/min時，燃燒時間1～2ms，要求速率30～70m/s)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣萔T—汽油機火焰?zhèn)鞑ヒ酝牧骰鹧娣绞竭M行

湍流不高時：VT=VL(1+0.00197n)＊火焰前鋒皺折，火焰層厚，湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣纫话?0—80m/s＊湍流不高時，與湍流強度成線性；高時成非線性＊提高湍流強度可改善燃燒，但太強，VT降低，會出現(xiàn)火焰猝熄，HC排放增加。**湍流—是一種高度復雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉的不規(guī)則流動。在湍流中的流體的速度、壓力、溫度等都隨時間與空間發(fā)生隨機的變化。從物理結構上，是由各種不同尺度的渦旋疊合而成的，這些漩渦的大小及旋轉軸的方向分布是隨機的。壓力升高率（λP）

：即曲軸每轉1度時，缸內氣體壓力的平均升高量。

λP=dp/dφ＊λP表征壓力變化的急劇程度。＊顯燃期內平均壓力升高率—衡量發(fā)動機工作粗暴程度的指標＊發(fā)動機的振動和噪聲、火焰?zhèn)鞑ニ俾逝cλP相關。＊汽油機λP在0.2～0.4ＭＰa/℃A，工作柔和，性能好。明顯燃燒期內平均壓力升高率：燃燒速度：單位時間燃燒的混合氣量。ρT-未燃混合氣密度AT-火焰前鋒面積3、后燃期（補燃期）

從最高壓力點到燃燒結束為后燃期。＊火焰前鋒后面沒有燃燒的燃料，以及附在氣缸壁上的混合氣層繼續(xù)燃燒，此外，以及部分燃燒及高溫分解的燃燒產物（H2、O2、CO等）重新氧化放熱。＊在膨脹過程中的燃燒，活塞遠離上止點，壓力下降。＊遠離上止點放熱，熱能不能充分利用。＊后燃期長，則使ηit↓，Pe↓，be↑，且排氣溫度↑，散熱量↑。過長，會造成發(fā)動機過熱，排氣管“放炮”。＊希望后燃期盡可能短，后燃放熱量盡可能少。第三節(jié)汽油機的不正常燃燒(一)特征1.出現(xiàn)尖銳的金屬敲擊聲，發(fā)出3000—7000Hz的金屬振音；2.油膜破壞,機件磨損加?。?.燃燒室、冷卻系、排氣溫增加；4.嚴重爆震時Pe下降、be升高；（輕微爆震時Pe上升、be下降）5.排污增加，嚴重時排氣冒黑煙；6.振動加劇，壓力線出現(xiàn)爆震波。爆燃時的示功圖常見的不正常燃燒:爆震燃燒和表面點火。一、爆震燃燒（二）原因

在火焰前鋒到達之前,末端混合氣受壓縮和輻射的作用使溫度、壓力超過其臨界溫度、壓力，產生自燃。＊末端混合氣自燃，形成新的火焰中心,火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_800—1000m/s（強烈爆震）,缸內局部壓力、溫度急劇升高,壓力來不及平衡,形成沖擊波（激波）,沖擊波反復撞擊缸壁（頻率可達3000Hz-5000Hz）,發(fā)出尖銳的敲缸聲。＊激波來回反射，在示功圖上形成鋸齒形。＊大于5%的混合氣自燃，足以引起激烈的爆燃。※重載爬坡、急加速時易爆震，換低擋以提高發(fā)動機轉速可消除爆震。（三）危害（強烈爆震）1、機件過載沖擊負荷大，機件的機械負荷增加，使機件變形損壞。噪聲增大。2、機件燒損汽油機燃燒終了的溫度為2000~2500℃，由于冷卻水和氣體附面層的作用，活塞頂、燃燒室壁和缸壁的溫度保持在200~300℃。爆燃沖擊波破壞燃燒室內附面層和局部高溫，使活塞頭和氣門等燒損，同時會引起發(fā)動機過熱。3、潤滑變差發(fā)動機過熱，使?jié)櫥Ч儾睿鼓p加劇。4、積碳增多高溫裂解產生的碳粒形成積炭，5、Pe下降、be上升另外，高溫裂解使燃燒產物分解為CO、H2、O2、NO及游離碳增多，排氣冒煙嚴重。CO、H2、O2等膨脹過程中重新燃燒，使排溫增高。（四）影響爆燃的因素

有燃料因素、使用因素、結構因素等。為便于分析，假定：t1

-從火焰中心形成起到火焰前鋒傳到末端混合氣為止的時間。t2

-從火焰中心形成起到末端混合氣自行著火的時間。所以：

當t1<t2不爆燃，當t1>t2，爆燃。1、燃料因素

汽油機的壓縮比，應適應汽油辛烷值的要求。2、運轉因素＊點火提前角（BTDC）

↑，混合氣的溫度和壓力↑—易爆燃；＊轉速↑，進氣速度↑，壓縮終了氣體紊流度↑，火焰?zhèn)鞑ニ俣取?，—爆燃程度減弱；＊負荷↑，進氣量↑，混合氣的溫度和壓力↑—易爆燃；＊殘余廢氣Φr↑，混合氣自燃溫度↑，著火延遲期↑—爆燃減弱；＊混合氣濃度，Φa在0.85~0.95時，自燃溫度低，著火延遲期短—爆燃最嚴重＊缸內積碳↑，使熱阻加大，壁面溫度升高，實際壓縮比增加—爆燃加重（五）減輕爆燃的措施①降低水溫和進氣溫度②降低末溫③降低壓縮比④推遲點火⑤增多殘余廢氣3、結構因素＊燃燒室結構能使壓縮終了氣體紊流速度提高，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤鼙苊獗?；＊火花塞的位置和?shù)目使火焰行程縮短，可減少爆燃；＊使末端氣體接觸的燃燒室壁強冷卻，可減少爆燃；＊采用小直徑的氣缸，不易爆燃。二、表面點火或熱面點火定義：在火花點火式汽油機中，凡是不依靠火花塞點火，而是由燃燒室內熾熱表面（如過熱的火花塞電極、排氣門、積碳）點燃混合氣的現(xiàn)象。早燃或早火—在火花塞跳火之前后燃或后火—在火花塞跳火之后分非爆燃性表面點火爆燃性表面點火1、非爆燃性表面點火-火焰以正常速度傳播1）后燃＊點火后或不點火，熾熱表面在火焰到達前點燃混合氣；＊

斷火后發(fā)動機續(xù)轉就是這種現(xiàn)象。2）早燃

＊熾熱表面溫度較高，在點火前，點燃混合氣。＊點燃區(qū)域較大，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤琍和λP較大；＊發(fā)動機易過熱。⑴早燃的危害＊壓縮負功↑，＊缸內溫度↑，＊與缸壁接觸面積↑,

→散熱量↑,有效功率↓。＊活塞連桿組的機械負荷、熱負荷↑,使用壽命↓。

圖5-4早燃時的示功圖⑵早燃與爆燃的區(qū)別①沉悶的“敲缸聲”（低頻敲缸600—1200Hz）。②被熾熱表面點燃，無壓力波產生，而爆燃時為自燃，有壓力波產生。

另外:爆燃早燃缸內熾熱表面產生缸內溫度、壓力升高※非爆燃性表面點火大體是發(fā)動機長時間高負荷運轉引起的。2、爆燃性表面點火（激爆）＊熱面點火后火焰以爆燃速度傳播＊由燃燒室沉積物引起的＊壓力升高率高5倍，最高壓力高150%原因：發(fā)動機低速、低負荷運轉時，燃燒室表面極易形成導熱性很差的沉積物。高速、大負荷時，沉積物被高溫火焰包圍，急劇氧化而白熾化，將混合氣點燃。加速時，氣流吹起已著火的碳粒產生多點著火，使混合氣激烈燃燒。3、影響熱面點火的因素及預防措施

凡是能使缸內的T、P降低的因素，都可預防熱面點火①選用低沸點汽油和含膠質少的機油。②在燃料中加抑制熱面點火的添加劑。③適當降低壓縮比。④選用合格的火花塞、排氣門。4、小結：爆燃

表面點火末端混合氣自燃熾熱表面點燃火花塞跳火之后火花塞跳火之前、后有壓力沖擊波無壓力沖擊波敲擊聲較清脆敲擊聲較沉悶

二者又相互聯(lián)系，相互促進。第四節(jié)影響燃燒過程的因素

一、燃油的影響1、汽油的抗爆性＊辛烷值越高，抗爆性越好。＊填加各種添加劑，可提高汽油的辛烷值。2、汽油蒸發(fā)性＊蒸發(fā)性越強，與空氣混合越均勻，混合氣燃燒速度越快，易于完全燃燒。＊但蒸發(fā)性過強，易產生氣阻。1.點火提前角θ

θ過大→發(fā)動機過熱；功率↓；缸內最高溫度、壓力↑；爆燃傾向↑。

圖5-5點火提前角對示功圖的影響二.使用因素的影響

θ過小

則燃燒容積較大，燃氣與氣缸接觸面積大，損失一部分膨脹功；后燃量增大。導致:→散熱損失大，排氣溫度過高，發(fā)動機過熱，功率下降。但缸內溫度、壓力的降低,使t2增大,爆燃傾向減小。

※最佳點火提前角：在一定的發(fā)動機負荷、轉速下，對應最大的功率和最低的燃油消耗率的點火提前角。

點火調整特性：

在一定的發(fā)動機轉速、一定的節(jié)氣門開度下，Pe與be隨點火提前角的改變而變化的規(guī)律。a）節(jié)氣門全開b）轉速n=1600r/min2．混合氣成份—過量空氣系數(shù)Фa

Фa對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?）Фa

=0.85-0.95時，火焰?zhèn)鞑ニ俣萿最大,發(fā)動機的功率達最大，故稱功率混合氣。＊供給功率混合氣時,爆燃傾向加大＊

Фa

<0.85為過濃混合氣＊火焰?zhèn)鞑ソ缦蓿?.5<Фa

<1.32）低負荷或怠速時→較濃的混合氣＊殘余廢氣多，會引起斷火；燃燒速度慢，發(fā)動機易過熱；高溫未燃成分在排氣管口與空氣相遇而激烈氧化，排氣管放炮。＊

Фa

=0.4~0.5為火焰?zhèn)鞑ド舷蕖?）Фa

=1.05-1.15時，為經濟混合氣＊燃燒最完全，熱效率最高，油耗最低。＊但混合氣過稀，燃燒緩慢，含氧高的高溫廢氣能點燃進氣管新鮮混合氣→化油器回火。＊

Фa

=1.3~1.4為火焰?zhèn)鞑ハ孪?。?/p>

Фa

>1.15為過稀混合氣4)混合氣成份調整特性:

＊在汽油機轉速，節(jié)氣門開度一定，點火提前角最佳時,性能指標(功率Pe與燃油消耗率be等)隨混合氣成份而變化的規(guī)律。3.發(fā)動機轉速n

圖5-9渦流狀況對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

a)無渦流b)有渦流※

n↑→最佳點火提前角↑（圖5-6），所以發(fā)動機上裝有離心式點火自動提前裝置。＊

n↑→ηv↓→缸內r↑→末端混合氣的焰前反應↓→t2↑→爆燃傾向↓。＊所以發(fā)動機在低速運轉時最易發(fā)生爆燃。＊

n↑→缸內混合氣的渦流運動（紊流）↑,燃料與空氣的混合得到改善；壓縮過程的放熱量↓→缸內壓力、溫度↑→火焰?zhèn)鞑ニ俣取鷗1↓

。4.發(fā)動機負荷＊負荷↑→缸內溫度、壓力↑，殘余廢氣相對減少→滯燃期↓→t1

↓→末端混合氣焰前反應↑→t2↓→爆燃傾向↑。＊負荷↑→燃燒所占的曲軸轉角↑→最佳點火提前角↓。（圖5-6）※發(fā)動機在低負荷時，爆燃傾向減小，應增大點火提前角，所以發(fā)動機上裝有真空式點火提前裝置。5.其他因素＊進氣溫度↑、冷卻水溫度↑、燃燒室壁積碳、進氣壓力↑→爆燃傾向↑。總之，發(fā)動機在低速、大負荷時，最易發(fā)生爆燃?！谑褂弥校{整點火提前角應在低速、大負荷工況下進行。三、結構因素的影響（一）壓縮比

1、ε↑時：缸內燃燒的最高溫度、最高壓力↑，ηit↑

be↓但末端混合氣易自燃，爆燃傾向↑，表面點火傾向↑。

2、ε↑→Pe↑、be↓，但受到爆燃的限制。要防止爆燃：a.改進燃燒室的設計；b.提高汽油的辛烷值。（二）燃燒室1.對燃燒室的要求：

1)容積分布要合理

要有適宜的放熱規(guī)律適宜的放熱規(guī)律能夠使燃油釋放的熱量充分利用,發(fā)動機工作柔和，運轉平穩(wěn)，即：

＊燃燒初期壓力升高率小，工作柔和；

＊燃燒中期急劇放熱，循環(huán)功大；

＊燃燒后期補燃少，ηit↑※放熱規(guī)律:燃油燃燒時的放熱率隨曲軸轉角而變化的規(guī)律。圖5-10燃燒室容積分布對燃過程的影響

2)應具有良好的抗爆性。A.結構盡量緊湊面容比?。冶砻娣e與容積之比）火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短，爆燃↓散熱面積小，ηit↑激冷區(qū)小，HC↓

B.燃燒室內的混合氣要有適當?shù)臏u流強度(進氣渦流、擠氣渦流)。進氣渦流：利用進氣口和進氣道的形狀（切線和螺