汽油机混合气形成与燃烧.doc

第五章 汽油机混合气形成与燃烧了解：汽油机有害排放物的生成机理与控制，汽油机燃烧室。理解：影响燃烧的因素和措施。掌握：汽油机混合气的形成，汽油机正常燃烧过程，爆燃和表面点火。 燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程，燃料燃烧完全的程度，直接影响到热量产生的多少和排出的废气的成分，而燃烧时机又关系到热量的利用程度。所以燃烧过程是影响发动机的动力性、经济性和排气污染的主要过程，同时与噪声、振动、启动性能和使用寿命也有重大关系。燃烧的基本要求： 完全、及时、正常、排污小。 第一节 汽油机的正常燃烧一、着火落后期从火花塞跳火到火焰中心形成。火花塞跳火后并不能马上形成火焰中心，因为混合气氧化需要一定的时间。 释放的热量不多，汽缸内压力升高不大，压力线与纯压缩线基本重合。 从火花塞跳火到活塞行至上止点时的曲轴转角，称为点火提前角，用表示。一般为20-350 CA 。 二、明显燃烧期从火焰中心形成到缸内最高压力。火焰以20-30m/s速度近似球面向外逐层传播。火焰传播速u：火焰前锋的法向移动速度。 明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期，绝大部分燃料在这一阶段燃烧，此时活塞又靠近上止点，所以汽缸内的压力、温度迅速升高，压力达到最大值；混合气燃烧约90%，放出了大部分的热量。最高压力出现的时机（上止点后12-150）和大小对发动机的性能影响很大。最高压力过早使压缩功增大，过迟散热损失增大；过大产生振动、噪音，过小使膨胀功减少。 压力升高率：即曲轴每转1度时，缸内气体压力的平均升高量：P =P/P =（P3-P2）=（3-2） 三、后燃期 从缸内压力最高到燃料燃烧结束。 指明显燃烧期以后的燃烧，主要由火焰前锋面未及燃烧的燃料再燃烧，以及部分燃烧及高温分解的燃烧产物重新氧化。 这种燃烧是在膨胀中远离上止点放热，使热能不能充分利用，t下降，且排气温度升高，发动机过热。 希望后燃期尽可能短，放热量尽可能少。小结： 为提高发动机的动力性、经济性，希望火焰传播速度u高，最高压力大，但P 大，工作粗暴。所以要在工作柔和的条件下，尽可能地控制火焰传播速度和最高压力。 第二节 汽油机的不正常燃烧一、爆震燃烧（爆燃）（一）爆燃产生末端混合气自燃，形成新的火焰中心； 新的火焰速度很大（1000m/s），缸内局部压力、温度急剧升高，形成冲击波；冲击波撞击缸壁、活塞顶等，发出尖锐的敲击声。（二）爆燃危害1 机件过载冲击负荷大，机件变形损坏。2、机件烧损冲击波破坏燃烧室内附面层，局部高温3、润滑变差（发动机过热），积炭增多（高温裂解），使磨损加剧。4、Ne、ge （三）影响爆燃的因素及减轻措施有使用因素、结构因素等。从成因上分析： t1 -火焰正常传播时间，即从火焰中心形成起到火焰前锋传到末端混合气为止。 t2 -末端混合气自行发火的准备时间，即从火焰中心形成起到末端混合气自行着火。t1 t2 爆燃使t1减小因素：提高火焰传播速度（转速增加，涡流增强）缩短火焰传播距离（燃烧室结构、火花塞位置）使t2增大因素：降低水温和进气温度降低末温降低压缩比 推迟点火 增多残余废气二、热面点火 （一）产生 由燃烧室内炽热表面（如过热的火花塞电极、排气门、积碳）点燃混合气的现象。凡是不依靠火花塞点火。 1、非爆燃性热面点火 热面点火后火焰以正常速度传播。 早火（早燃）：发生在火花塞跳火之前后火（后燃）：发生在火花塞跳火之后断火后发动机续转就是热面点火现象。 2、爆燃性热面点火热面点火后火焰以爆燃速度传播。压力升高率高5倍，最高压力高150%（二）危害：1、早火使压缩负功增大，Ne。2、热负荷增大。 3、爆燃性热面点火，加速机件损坏。 （三）影响热面点火的因素及预防措施 凡是能使缸内的T、P降低的因素，都可预防热面点火。选用低沸点汽油和含胶质少的机油。 在燃料中加抑制热面点火的添加剂。适当降低压缩比。选用合格的火花塞、排气门。小结：热面点火与爆燃的比较： 爆燃 热面点火 末端混合气自燃 炽热表面点燃 火花塞跳火之后 火花塞跳火之前、后 有压力冲击波 无压力冲击波 敲击声较清脆 敲击声较沉闷 二者又相互联系，相互促进。第三节 影响燃烧过程的因素 一、汽油性能1、蒸发性蒸发性强，混合燃速快，燃烧完全。蒸发性过强，产生“气阻”。2、抗爆性辛烷值高，抗爆性好。汽油是异辛烷（抗爆性为100）和正辛烷（抗爆性为0）的混合物。 加抗爆剂四乙铅，可提高汽油抗爆性。二、使用因素1、混合气浓度 1）=0.85-0.95功率混合气 火焰传播速度最快, Ne最大； 燃烧室温度高，t2爆燃； 空气不足，燃烧不完全，ge。 2）0.85 过浓混合气 Ne ge 未燃烧产物随废气排入排气管，在排气管口燃烧，使排气管“放炮”。 3）=1.05-1.15经济混合气。 空气适量，燃烧完全，ge最低； 燃速慢，Ne。 4）1.15过稀混合气 Ne，ge； 可持续到排气门关闭,进气门打开时,引起化油器“回火”。燃料调整特性：Ne和ge随混合气浓度的变化关系。2、点火提前角 过大时缸内温度、压力的升高大，t2爆燃；压缩功增大，Nege。 过小时燃烧推迟，最高压力降低，Ne爆燃；同时燃烧在膨胀过程中进行，后燃量增大，使发动机过热，ge； 最佳点火提前角：发动机负荷、转速一定时，对应最大的功率和最低的燃油消耗率的点火提前角。 点火调整特性：发动机转速和节气门开度一定，Ne与ge随点火提前角的变化关系。 3.发动机转速nn油、气的混合得到改善； 燃烧所占曲轴转角加大，着火落后期增长离心式点火自动提前装置；火焰传播速度加快，t1爆燃；v,残余废气系数,末端混合气的焰前反应,t2,爆燃4、发动机负荷 负荷 废气相对多，滞燃期点火提前。 废气相对多，t2爆燃 缸内压力温度低, t2爆燃5、水温 水温过高 爆燃热面点火； 充气密度v。 水温过低 热损失增大，Ne、ge； 机油粘度增大，机械损失增大；缸内酸性物质增多，汽缸腐蚀增大；混合不好，燃烧不完全，排污增大。 6、积炭 积炭燃烧室爆燃炽热点火三、构造因素1、压缩比 vNege； 温度高，爆燃，热面点火 提高，使Ne、ge，但受到爆燃的限制，要防止爆燃。2、汽缸直径 缸径面容比传热损失 火焰传播的距离 t1爆燃 3、汽缸盖和活塞的材料铝合金导热性好，铝制汽缸盖的表面温度低，热负荷小，t2爆燃，许用的压缩比升高。4、冷却方式水冷比风冷的冷却效果好，t2爆燃，许用的压缩比高。5、燃烧室 对燃烧室的要求（1）结构紧凑 面容比小（烧室表面积与容积之比）火焰传播距离短，爆燃 散热面积小，t激冷区小，HC（2）火花塞位置适当 适中火焰传播距离短t1爆燃 靠排气门t2爆燃 靠进气门着火稳定（3）容积分布合理 有适宜的放热规律(即每度曲轴转角的放热量dQ1/d,随曲轴转角而变化的规律)。 燃烧初期压力升高率小，工作柔和； 燃烧中期急剧放热，t（4）有利提高充气系数 进气口直径大、弯少光滑（5）加强涡流运动进气涡流利用进气口和进气道的形状（切线和螺旋线）形成的涡流。挤气涡流利用活塞顶部和缸盖底部狭小间隙在压缩时挤进的涡流。（6）降低末温 小结：影响因素有构造因素、有使用因素，重点掌握使用因素。明确点火、浓度、转速、负荷对燃烧的影响；清楚汽车在满载大负荷时易出现爆燃的原因（发动机在低速、大负荷）。因此在使用中，调整点火提前角应在低速、大负荷工况下进行。第四节 汽油机的排放污染与控制 随着汽车工业的发展，汽车排气污染越来越受到人们的重视。特别是汽车作为城市流动污染源和低排放污染源所带来的危害更大。各国都制定了严格的控制法规，其中以美国加利福尼亚的排放法规为最早和最为严格。我国从1979年起开始制定排放标准。 发动机排除的主要污染物质有：CO, HC, NOx（主要是NO和NO2）。另外还有少量的微粒（硫化物、铅化物和碳烟）。一、污染物质的形成和危害 1、CO 氧气不足不完全燃烧的产物。煤气中毒。 62年日本大板发生交警CO中毒事件。2、HC 废气未燃烧产物60%，燃烧室激冷作用而断火。曲轴箱窜气20%。油箱与化油器蒸发排放20%。西德调查2000例肺癌，80%为交警和修理工。3、NOxN与O的高温结合。 燃烧时产生的Nox的数量决定于燃烧的最高温度、高温持续时间以及氧气的浓度。O22OO+N2NO+NN+O2NO+O易与水结合成硝酸（酸雨），直接损害人体各器官。在太阳照射下形成光化学烟雾，43年美国洛杉矶光化学烟雾400人死亡70年日本东京发生光化学烟雾，中毒1万人。4、微粒铅微粒、炭烟等。二、影响排放污染的因素1、混合气浓度m15氧气不足CO HC NOxm=16空气适量CO最少 HC最少 NOx最多（温度较高，N与O数量多，结合机会多）m17过稀HCNOx 2、点火过早，温度高，NOx3、负荷 怠速 CO最多北京二环建九个立交桥取消红绿灯CO减少50%。中负荷CO最少HCNOx（温度较高的时间较长）。大负荷Nox最多CO。4、发动机转速n n涡流强，改善混合和燃烧CO HC 提高怠速，CO急减速HC 汽油车在怠速及减速时排出的HC最多，是柴油车HC排放的4倍。加速NOx5、发动机热状况 温度高HCNOx 温度低HCCONOx 三、减少排气污染的措施 汽油车所排出的污染物质的来源及大致比例： 排气管排出：CO 98-99% 60% Nox 98-99% 曲轴箱漏气：HC 25% CO、Nox 1-2% 化油器和油箱内燃油蒸发：HC 20%1、制定法规 美国加洲是世界上制定最早最严格法规，60年开始，80年强化。 日本66年开始，78年汽强化。 欧洲70年代后开始。 我国79年开始（只有汽油车怠速CO HC排放法规），93年强化。2、变革发动机的结构（机内净化） （1）、适当降低 燃烧最高温度NOx 但动力性、经济性均下降。 （2）改进燃烧室的形状，降低面容比。 面容比散热面积激冷效应HC （3）适当推迟点火时刻。 点火推迟，燃烧温度下降，Nox。使得燃烧多在膨胀中完成，使排气温度升高，HC进一步燃烧，HC。 但散热损失增加，使经济性、动力性都下降。3、安装控制装置（1）废气催化装置 催化净化分为催化氧化和催化还原，成本较高。 （2）空气反应装置 安装在排气道出口处，二次喷入空气。 （3）炭罐蒸发排放