点燃式发动机性能与排放

点燃式发动机性能与排放点燃式发动机性能与排放 等容加热循环发动机燃烧的是一个比较均匀的空气和燃料 混合气 空气和燃料常常在进入气缸之前 有时在进入气缸的 过程中互相混合 由流体进入气缸和紧接着的压缩过程所产生 的扰动 在混合气被点燃的时刻提供相对均匀的混合气 这里重点阐述以汽油机为主的预混合点燃式发动机的燃烧过程及其性能与排放 活塞在压缩行程中将要达到上止点前 混合气被火花塞放出的火花点燃 在火 花生长到足够大并形成火焰中心之前有一个着火落后期 在这个着火落后期以 后 火焰前锋传遍了燃烧室 成为明显燃烧时期或称速燃期 其传播速度决定 于火焰扰动的速度 而它又是空气 燃料比 温度和扰动程度的函数 燃烧气 体膨胀体积的增加落后于火焰前锋对冷的未燃烧充量表面的压缩过程 整个气 缸的压力增加 并通过压缩热升高未燃充量的温度 最后 过后燃烧期间剩余 的未燃烧的混合气在活塞下降时烧尽 1 1 压缩比及爆燃压缩比及爆燃 对于理论的等容加热循环发动机 理论热效率 t可近似为 式中 为压缩比 而 k 约为 1 4 为工作气体的比热比 压缩比越高 理论热 效率也越高 但压缩比超过大约 12 1 以后 其改善速率变小 压缩比增加时摩 擦损失也趋于增加 因此大部分发动机有一个 6 1 至 16 1 之间的优化压缩比 但是 在火花点燃式发动机中 由于爆燃问题使合理的压缩比被限制在较低的 数值 压缩比增加时 缸内气体温度和压力均增高 当发动机气缸中未燃烧的 空气 燃料混合气在火焰前锋到来前被压缩时 它的温度由于压缩热而升高并 且进行焰前反应 如果有足够的时间和足够商的温度 混合气就会产生极为迅 速的自燃即爆燃 所产生的冲击波会损坏发动机或者使它过热 因此爆燃是一 种不正常的燃烧 爆燃趋势随压缩比的增加而增加 因而燃料的抗爆性决定了所能使用的最大的 压缩比 也就是决定了发动机的热效率 2 2 排放污染物及其形成过程排放污染物及其形成过程 对等容加热循环发动机的排放污染物最主要的是氮氧化物 nox 非甲烷碳氢化 合物 nmhc 和一氧化碳 co nox no 和 no2 都是在发动机的燃烧过程中排放出来的 它们统称为 nox nox 的绝大部分为 no 这种气体是由氮气和自由氧在高温下反应形成的 no 形成的速率是氧气数量的函数 并与温度成指数关系 大部分的 nox 最终形 成于燃烧过程的早期即当活塞接近上止点并且达到最高温度时 可通过降低火 焰温度 通过减慢燃烧 废气再循环或过量的空气稀释可燃混合气 和缩短高温 燃烧时间控制 nox 的排放 co c0 的排放产生首先是由于浓混合气的燃烧所致 此时过量空气系数 小于 1 0 在这种混合气中没有足够的氧气使所有的碳氧化成 co2 co 有时甚 至在稀薄燃烧的条件下排出 非甲烷碳氢化合物 碳氢化合物 hc 的排放是排气门打开时 由未完全燃烧 的混合气形成 这些排放物是未燃烧燃料的一部分和部分燃烧产物的一部分如 乙烯和甲醛等组成 hc 排放的来源包括如活塞环以上的活塞和气缸壁之间的 缝隙 容积和紧挨着 燃烧室壁的淬火层 在压缩和燃烧时未燃烧的混合气被迫进入这些缝隙 在膨 胀后期和排气冲程时排出 这是正常工作时发动机 hc 排放的主要来源 非正常 工作如气缸缺火 可引起大量的未燃烧燃料进入废气 在非常稀的混合气中 火焰传播速度太慢 在燃烧过程中燃料不能完全燃烧 或者在某些循环中燃烧 未进行 这些情况都会引起非常高的 hc 排放 3 3 空燃比及点火正时对发动机的影响空燃比及点火正时对发动机的影响 发动机充量的空燃比对发动机的功率输出 热效率 爆燃和污染物的排放具有 极其重要的影响 其它情况相同时 最大输出功率是在过量空气系数 稍小于 1 0 时得到 即理论配比稍浓的混合气 但这也是最易引起爆燃发生的条件 稀混合气使爆燃有所减轻 具有使用较高压缩比的能力 所使用稀混合气 1 0 的发动机比用理论配比混合气时有较好的热效率 发动机设计成燃烧 很稀的混合气 1 2 时称为 稀燃 在同样气缸容积下由于稀混合气含有 较少的燃料 稀燃发动机比理论配比工作时产生的功率要小 但燃烧效率较高 图 1 10 表示火花点燃式发动机的过量空气系数 和排放污染物的典型变化关 系 当 低于 1 0 时 与燃料完全反应的空气量太少 所以 co 和 hc 的排放增 加 nox 的排放在 1 1 附近有一个峰值 该处火焰温度高 并有过剩的氧气 对于比较稀的混合气 火焰温度降低 这是因为较少燃料所放出的化学能量也 较少 而被加热的气体质量较多的缘故 当混合气变稀时 火焰传播速度降低 点燃也比较困难 当空燃比增加时 平 均着火落后期大大地增加 并伴有燃烧效率的降低和未燃烧的 hc 排放的极大增 加 在火花点燃式发动机中 把当火花不再能点燃混合气 或在排气门打开之 前 火焰传播速度慢到没有足够的时间来完成燃烧时的极限 作为稀气燃烧的 极限 对于天然气 这个极限一般出现在 值约为 1 5 1 7 时 它恰好低于 气体的平均可燃极限 设计因素如气流扰动程度 充量温度 压缩比和燃烧室 形状都影响稀燃极限 对点火系统的性能也有影响 点火定时和燃烧过程完成的时刻对排放污染物的形成和发动机的热效率都有重 大的影响 为了得到最佳效率 应该使大部分的可燃混合气是在活塞接近或稍 微超过上止点时燃烧 混合气在膨胀行程后期燃烧会使活塞作功减少而降低燃 烧效率 混合气在上止点之前燃烧又会增加活塞的压缩功 这也降低了效率 由于完成燃烧过程需要一定的时间 所以需要合理处理这两个影响因素之间的 关系 燃烧过程的定时由最初火花点火的定时 着火落后时期的长短和火焰在混合气 中传播的速度等来确定 火焰传播速度由燃烧室的几何形状和其中气流的扰动 程度决定 这些因素中只有点火定时容易控制 着火落后期较长和火焰传播速 度较慢就必须有较早的点火定时以保持最佳的燃烧定时 对于典型的等容加热 循环发动机 最佳的点火提前角一般约为上止点前 20 40 曲轴转角 在上止点之前 燃烧的混合气由于保留在高温下的时间较长是 nox 排放增加的 原因 为控制发动机中 nox 的排放量 一般将点火正时延迟 但过