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内燃机原理 燃料与燃烧 1 可燃混合气的着火与着火理论 内燃机的燃烧是周期性 非稳定 高速燃烧过程 着火特性对燃烧过程至关重要 2个着火理论 热着火 早期 链式反应着火 30年代 2 3 4 5 研究表明 烃类燃料在高温和低温条件下呈现不同的着火特性低温多阶段 473 600k 高温单阶段 900 1200k 6 7 8 气相燃烧的分类 扩散燃烧 着火前燃料气体或蒸气与空气是相互分开的 着火后边蒸发边与空气混合燃烧 燃烧速度取决于混合速度 混合气形成的影响极大 a 1 2 6 8 稳定稀燃 浓度和温度分布不均匀 易产生碳烟 有焰燃烧 黄或白色强烈辐射光 无回火可能 预混合燃烧 着火前燃料气体或蒸气与空气已按一事实上比例形成混合气 燃烧速度取决于化学反应速度 混合气形成影响不大 a 0 8 1 2 难以稀燃 浓度和温度分布均匀 不易产生碳烟 无焰燃烧 均匀透明的蓝色火焰 有回火可能 9 10 扩散燃烧的高速摄影 11 预混合气中的火焰传播 火焰传播速度 火焰前锋面在法线方向相对未燃混合气的移动速度 12 火焰前锋面 很薄 厚度 0 1 1mm 剧烈的化学反应 90 95 的化学能在前锋面上释放 极大的温度和浓度梯度 13 影响火焰传播速度的主要因素 混合气浓度燃料特性 废气浓度 混合气温度 混合气运动状态 14 层流 Re 2300 前锋面薄且圆滑 VL 1m s 或1 8 紊 湍 流 Re 2300 6000 前锋面变厚 出现皱折VT VT Re0 5 强湍流 Re 6000 严重皱折 其后有未燃区 VT VT Re 层流火焰传播速度过慢 实际发动机中的火焰传播是紊流火焰 提高紊 湍 流程度 改善汽油机燃烧 15 液体燃料的雾化及扩散燃烧 喷雾过程分为液柱阶段和分裂雾化阶段喷雾特性 空间特性 贯穿距离 喷雾锥角 喷雾粒径贯穿率 喷油持续期内的贯穿距离与喷孔至壁面的距离之比 静止空气 1 强涡流 1 撞击喷雾 1喷雾锥角过大 贯穿距离减小 过小 雾化程度变差平均粒径 索特粒径 粒径分布 16 1细且匀 2不匀 3粗而匀 17 燃烧过程的研究手段 示功图 p v p 燃烧放热速率 累计放热率由燃烧始点 b至某一时刻 i为止 已发生的全部燃烧放热量 燃油 与循环放热量QB 循环供油量 之比称为累积放热率 或称累积放热百分比 18 汽油机正常燃烧过程 动画 汽油机燃烧三阶段 1 着火延迟期 2 明显燃烧期 3 后燃期 1 着火延迟期 A B 火花塞点火到缸内压力明显脱离压缩线而急剧上升的时间或曲轴转角 i 着火延迟期 10 20 CA ig 点火提前角着火方式 高温单阶段B点脱离压缩线 ig对pmax位置有重要影响着火延迟期的长短与混合气成分 开始点火时缸内的温度 压力 气体的流动 火花能量及残余废气量有关 每循环都可能变动 19 明显燃烧期 从火焰中心形成到气缸内出现最高压力为止这段时间称为明显燃烧期当火焰中心形成后 火焰前锋以20一30m的速度从火焰中心开始逐层向四周的未燃混合气传播 直到连续不断扫过整个燃烧室 混合气的绝大部分 约80 以上 在此期间内燃烧完毕 压力 温度迅速升高 出现最高压力点3 20 常用压力升高速度 表征燃烧过程中 压力变化的急剧程度 压力升高速度的表达公式为 p p kPa 若 p过大 会导致发动机的振动及噪声加大 工作粗暴 排放污染严重 汽油机的 p大致在2 4kPa 的范围内 实践证明 为保证汽油机工作柔和 性能良好 p 1 75 2 5kPa 为宜 21 最高压力点出现的时刻对发动机功率 燃油消耗有很大影响 过早 混合气点火早 使压缩功增加 热效率下降 过迟 燃烧产物的膨胀比减小 燃烧在较大容积下进行 散热损失增加 热效率也下降 实践证明 明显燃烧期在20 40 CA 最高压力出现在上止点后12一15度CA时 示功图面积最大 循环功最多 此时对应的点火提取前角为最佳点火提前角 因而 可以通过调整点火提前角 使最高燃烧压力出现在适宜的位置 22 MBT MinimumadvanceforBestTorque 即对于最大扭矩的最佳点火提前 23 后燃期 从最高压力点开始到燃料基本燃烧完为止称为后燃期 明显燃烧期火焰前锋扫过的区域 部分未燃饶的燃料继续燃烧 吸附在缸壁上的混合气层继续燃烧 部分高温分解产物 H2 O2 CO等 因在膨胀过程中温度下降又重新燃烧 放热 由于活塞下行 压力降低 散热面积增大 使后燃期内燃烧放出的热量不能有效地转变为功 同时排气温度增加 热效率下降 影响发动机动力性和经济性 因此 应尽量减少补燃期 正常燃烧时汽油机后燃现象比柴油机轻得多 24 燃烧速度指单位时间燃烧的混合气量 可以表达为 式中 UT 火焰 传播 速度 AT 火焰前锋面积 T 未燃混合气密度 燃烧速度 25 影响火焰 传播 速度UT的因素 燃烧室中气体紊流运动 回顾 混合气成分功率混合比 经济混合比 火焰传播上 下限混合气初始温度UT 火焰前锋表面严重扭曲 甚至分隔成许多火焰中心 火焰前锋燃烧区厚度增加 26 火焰前锋面积AT 合理设计燃烧室形状及合理布置火花塞的位置 可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积 使明显燃烧期相对曲轴转角的位置及压力升高速度在合适的范围内B 火焰传播距离较长 燃烧时间拖长压力升高速度 p p 小 动力性经济性不高 返回 27 汽油机的不规则燃烧 各循环之间的燃烧变动各循环间的燃烧差异主要是燃烧的不稳定性 表现 循环的压力波动 图表 产生原因 主要由各循环中火核形成前后到火焰前锋面充分发展之前的着火燃烧过程的差别引起的 混合气成分波动 火花塞附近的混合气成分是随时间不断变化的 气体运动状态波动 燃烧室内气体的流场特别是湍流强度分布是极不均的 危害 点火时间 空燃比等控制参数无法调节到最佳燃烧不好的循环会产生 i Wi等下降 排放恶化振动 噪声 28 某汽油机测取的18个相邻循环最大燃烧压力pmax及相应曲轴转角 的分布情况 29 汽油机的不规则燃烧 各缸间的燃烧差异产生原因 各缸间的混合气充量不均匀 进气系统设计不当 进气管动态效应 各缸进气重叠干涉等 使各缸的实际充气效率不均匀 混合气成分不均匀 进气管内的油气分布是多相和极不均匀的 危害 很难找到各缸都是最佳的点火提前角和过量空气系数 动力经济排放性难以优化 噪声振动增加柴油机对各缸不均匀性的影响较小 30 CA6l02发动机在节气门75 开度下各缸间的燃烧差异节气门开度75 时各缸最高燃烧压Pmax 巴 CA6102发动机节气门开度75 转速n 1400 r min 时各缸燃烧示功图 31 汽油机的不正常燃烧 汽油机的爆燃产生的原因 火焰前锋未到达前 末端混合温度达到了自燃温度 形成新的火焰中心 产生新的火焰快速传播 这种现象称爆燃 尖锐的金属敲击声 声频为3 7KHz 机身有明显振动 功率下降 转速不稳 甚至冒黑烟 示功图出现不同程度的 锯齿波 冷却水 机油和气缸盖等温度升高 32 爆燃机理 末端混合气 Endgas 受压缩和热辐射 以低温多阶段方式产生自燃 Self ignition 多点大面积自燃形成局部温度压力陡升 瞬时压力可达18MPa 压力波在传播过程种形成 激波 激波冲击燃烧室壁面产生高频振音 也有说共振 并在示功图上可观察到这种压力波动 高速摄影可观察到末端混合气自燃以及正常的火焰前锋面被压迫后退的现象 33 爆燃的危害燃室壁面的层流边界层和油膜被破坏 散热 热负荷 严重时活塞顶烧融燃烧粗暴 热裂解发生 甚至冒黑烟燃气压力剧烈波动使pmax和dp d 使机械负荷 轻微爆燃有可能略改善油耗和功率 但严重爆燃时 t 热损失 导致be Pe 由于油膜层被破坏 引起活塞组异常磨损 拉缸甚至活塞环断 34 防止爆燃的措施t1 由火核形成至火焰前锋面传播到末端混合气所需时间t2 由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间则 不爆燃的条件t1 t2 35 提高压缩比和防止爆燃间的矛盾 36 表面点火 在汽油机中 凡是不靠电火花点火而由燃烧室炽热表面 如过热的火花塞绝缘体和电极 排气门 炽热的积炭等 点燃混合气而引起的不正常燃烧现象 称为表面点火早燃实际点火时间提前 燃烧速度比正常燃烧快 发动机工作粗暴压缩行程负功增大 发动机动力性经济性恶化 危害大产生低频敲缸声后燃若不引起爆燃 则危害不大爆燃性表面点火 激爆 程度严重或长时间的早燃 会引起爆燃性表面点火 比普通爆燃危害性更大 37 爆燃和表面点火之间又存在某种内在联系 严重的爆燃增加向缸壁的传热 使燃烧室内形成炽热点 导致表面点火 而早燃促使压力升高率和最高燃烧压力增大 使末端混合气受巳燃混合气的热辐射 又促使爆燃的发生 激爆 38 防止燃烧室温度过高 减小压缩比 点火提前角 合理设计燃烧室形状 避免尖角和突出部选用低沸点汽油 以减少重馏分形成积炭控制润滑油消耗率添加剂 防止积炭 提高抗表面点火性 防止表面点火的主要措施 39 运转因素对燃烧的影响 1 点火提前角点火提前角调整特性 当汽油机保持节气门开度 转速以及混合气浓度一定时 汽油机功率和耗油率随点火提前角改变而变化的关系称为点火提前角调整特性 40 点火提前角 负荷 大 小 节气门开度 41 返回 42 2 混合气浓度混合气浓度调整特性 在汽油机的转速 节气门开度保持一定 点火提前角为最佳值时调节供油量 记录功率 燃油消耗率 排气温度随过量空气系数的变化曲线 43 3 负荷 在汽油机上 转速保持不变 通过改变节气门开度来调节进入气缸的混合气量 以达到不同的负荷要求 图8 12最佳点火提前角随负荷的变化 44 4 转速 转速增加时 应增大点火提前角 45 汽油机混合气制备原理 汽油机理想混合气特性1 功率混合气与经济混合气 46 2 理想混合气的要求汽油机在全负荷运行时 希望获得更大的功率以达到最大的动力性能 此时要求供给功率混合气 而在其他负荷运行时 则应从经济性要求出发 来选用合适的混合气浓度 47 混合气浓度调整特性 在汽油机的转速 节气门开度保持一定 点火提前角为最佳值时调节供油量 记录功率 燃油消耗率 排气温度随过量空气系数的变化曲线 48 1 经济混合气及功率混合气特性线 a b 49 理想混合气特性线 以图 a 曲线为基础 可做出经济混合气随节气门开度变化的特性线 如图 b 实线 此外 在图上100 节气门开度处取功率混合气值 再从85 开度起逐步由过渡到 以虚线表示 实际上 这只是一种近似的结果 真正的理想混合气特性是通过台架试验的全面调整做出来的 50 2 理想负荷特性线 负荷特性线是指转速不变时 随负荷而变化的规律 1 转速固定时 作出各个节气门位置的调整特性线 图 a 为其中的一例 51 2 将这些调整特性线转为图 b 所示的负荷特性线 此线呈鱼钩状 其及两个点分别与图 a 的及对应 52 3 将所有节气门位置的鱼钩线统一画在图 c 的 坐标图上 然后取其外包络线 就是该转速的最经济的负荷特性线 因为经过了全面的调整 各负荷的值不可能再低于此包络线 53 4 若图 c 最经济负荷特性线从85 节气门开度到100 节气门开度时逐步过渡调整到功率混合气 则得到最大功率值 这就得到理想负荷特性线 54 3 理想混合气特性 将上述试验作出的理想负荷特性线 按图8 15的相反顺序作图 可得到对应的 线或 节气门开度线 这就是该转速的理想混合气特性线 各转速的特性线叠在一起 就是理想混合气的全特性线族 它是所有汽油供油装置制备混合气的依据 55 56 4 动态过程对混合气特性的要求 稳定工况供油控制冷车起动及暖车过程加速 减速工况怠速 57 58 汽油机的燃烧室 汽油机对燃烧室的要求1 结构紧凑 面容比F V 燃烧室表面积与容积之比 常用于表示燃烧室的紧凑性2 具有良好的充气性能3 火花塞位置安排得当4 燃烧室形状合理分布5 要产生适当的气体流动 59 汽油机燃烧室形状分类 60 传统汽油机燃烧室 楔形燃烧室 盆形燃烧室 半球形燃烧室 61 62 火花塞布置合理火花塞至末端混合气的距离最短 爆燃可能性小靠近高温炽热区布置 爆燃可能性小便于扫气 以清扫废气 有利于起动及低速低负荷的工作稳定性 63 目的 微观油气混合更均匀 形成足够的湍流强度以加快火焰传播速度 减小壁面淬熄层厚度以降低HC排放 扫除火花塞处的废气注意 气流运动过强无必要 反而增加流动 散热损失 使着火困难 64 浴盆形燃烧室具有以下特点 l 燃烧室形状像椭圆形浴盆 高度相同 宽度略大于气缸范围 以便于加大气门直径 为防止壁面对气流的遮蔽作用 气门头部外形与燃烧室壁面之间应保持一定的距离 6 8mm 因而 气门尺寸受限制 2 挤气面积比楔形的小 挤流效果比较差 适当增加挤气面积可改善发动机性能 3 燃烧室的面容比较大 火焰传播距离相对较长 不便于采用高的压缩比 由于燃烧时间拖长 使压力升高率较低 其动力性 经济性不高 对HC排放不利 但NOx排放较少 4 制造工艺好 便于维修 65 楔形燃烧室1 燃烧室较紧凑 火焰传播距离较短 2 挤气面积较大 对末端混合气冷却作用较强 爆燃倾向减小 可采用较高的压缩比 一般可达9 5 10 5左右 但同时由于挤气面积内的熄火区增大 HC排放量较多 3 气门斜置 6 30 有利于增大气门直径 气道转弯较少 使进气阻力减小 提高了充气性能 4 火花塞布置在楔形高处 便于利用新气清除火花塞附近的废气 保证低速低负荷性能良好 但因混合气过分集中于火花塞处 使燃烧初期压力升高率较大 工作粗暴 66 半球形燃烧室具有以下特点 1 形状大致呈半球形或篷形 结构紧凑 与前两种相比 面容比最小 加之火花塞布置于燃烧室中央 火焰传播距离最短 2 进 排气门均斜置 允许较大气门直径 进气道转弯最小 充气效率最高 半球形燃烧室动力性 经济性好 NO排放量少 高速适应性强 转速为6000r min以上的汽油机均用此类燃烧室 但由于火花塞附近容积较大 易使压力升高率过大 工作粗暴 紊流相对较弱 低速低负荷稳定性差 气门双行排列 使配气机构结构复杂 这种燃烧室没有挤气面 被压缩的混合气涡流较弱 易在低速大负荷时发生爆燃 半球形燃挠室由于其弧形缸盖 特别适用于二行程汽油机 因其面容比小 对排气净化有利 近来被国外小轿车上采用 67 顶部呈半球形 进排气门和火花塞周围均分别呈球形 比半球形挤气面大 称为多球形 顶部由若干平面构成帐篷形 Pentrooftype 称为蓬型 4气门 火花塞中央布置 一般无挤流 而利用双进气道形成的进气涡流 性能 F V最小 火焰传播距离最短 充气效率高 动力经济性好 高速适应性强 但低速大负荷时易爆燃 dp d 高 工作较粗暴 应用 国外主流形式 其中 蓬型又多于多球形 68 汽油机不同燃烧室的特征及性能比较 69 图8 31不同燃烧方式的性能对比 汽油机稀薄燃烧系统 17 25 70 图8 32TGP燃烧室TGP燃烧室与传统型燃烧室放热率比较 1 均质稀混合气的燃烧室 71 图8 34TGP燃烧室NOx的比较 72 2 分层燃烧燃烧室 1 美国德士古分层燃烧系统 TCCS 73 3 轴向分层稀燃系统 图8 38轴向分层工作原理a 进气过程早期b 进气过程后期c 压缩过程 74 本田公司CVCC燃烧系统 分区燃烧方式 75 4 滚流 纵涡 分层稀燃系统 三菱公司MVV Mitsubishiverticalvortex 燃烧系统 76 5 四气门分层稀燃系统 AVL公司四气门高压缩快速燃烧 HCFB highcompressionfastburn 系统 77 3 缸内直喷式稀薄燃烧方式 缸内直接喷射 GDI gasolinedirectinjection 是指直接往气缸内喷射汽油 图8 42三菱GDI燃烧系统 78 GDI特点 不能采用已十分成熟的传统三效催化剂 稀燃催化剂开发难度大 生产成本高越接近压缩上止点喷油 混合气形成时间越短 要想形成高质量的燃油混合气 GDI燃烧系统需要像柴油机那样对 油 气 燃烧室 三者的匹配进行大量工作GDI燃烧系统虽然NOx明显降低 但HC排放增加 有时燃烧组织不好甚至冒黑烟汽油比柴油的润滑性差 GDI燃烧系统对喷油系统要求很高 GDI用喷油器的设计制造十分复杂 79 预混合燃烧扩散燃烧的概念 区别 烃燃料的链式着火理论的概念 汽 柴油机的正常 异常着火现象如何用此理论分析 瞬时放热速率 累积放热百分比的定义 燃烧放热规律的三要素 较理想的燃烧放热规律应如何 柴油机瞬时放热速率 曲轴转角图为什么出现 双峰 汽 柴油机的放热速率的特点 汽油机的不规则燃烧 不正常燃烧 影响火焰传播速度的因素 如何影响 常用汽典型燃烧室有哪些 柴油机喷油的油束几何特性参数有哪些 何谓喷油规律 供油规律 为何有差别 柴油机混合气形成方式有哪两种 汽油机点火提前角 柴油机供油提前角随转速 负荷应如何变化 80 化油器式供油系统混合气的形成原理 1 理想化油器特性化油器制备混合气的原理简图l 燃油喷管2 喉管3 节气门4 主量孔5 浮子室 81 时不供油 此时 真空度不足以提升的油柱 致使油面达不到喷管口 加大后开始喷油 由 趋于一个常数 该值由式 8 7 中各参数所决定 可以按要求选用不同参数来加以调节 简单化油器特性的校正 82 理想化油器特性随负荷增加 混合气逐渐变稀 小负荷范围内变化较陡 中等负荷范围内曲线变化较平缓 当接近满负荷时 混合气变浓 83 3 现代化油器特性的获取 1 低怠速的I区值过大 即混合气过稀 甚至不出油 为此 要附加怠速油系进行怠速供油 同时 由怠速圆滑过渡到主喷油段 满足低速供油和平稳过渡的要求 2 主供油 区的值过小 混合气偏浓 一般采用渗气补偿装置 带泡沫管的补偿油井 来校正 3 大负荷 满负荷 区过大而混合气偏稀 因此要加装机械及真空加浓装置 省油器 使油门开度从85 左右开始逐步加浓到满负荷的值 84 电控燃油喷射式供油系统混合气的形成 a 单点汽油喷射系统结构示意图 b 多点汽油喷射系统结构示意图 85 86 控制方法 ECU是电控汽油喷射系统的核心 内装有微型计算机 发动机工作状态通过传感器反映给ECU 在ECU内存储喷射持续时间 点火时刻 怠速和故障诊断等数据 这些存储的数据与发动机工况以及计算机程序相匹配 ECU利用这些数据和来自发动机上各种传感器的信号 经过逻辑运算 又输出控制信号给执行器 通过执行器控制发动机工作状态 87 2 汽油喷射系统与化油器的比较