发动机燃烧质量分析(1)

发动机燃烧质量分析发动机燃烧质量分析 发动机的工作原理 下图为一单缸发动机示意图发动机的工作原理 下图为一单缸发动机示意图 与发动机的燃烧质量有关的一些参数 以及它们与发动机的燃烧质量有关的一些参数 以及它们 对燃烧质量的影响及改进措施对燃烧质量的影响及改进措施 一 一 燃烧速度燃烧速度 燃烧速度指单位时间燃挠的混合气量 是衡量发动机性能的指标之一 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 要想使燃挠迅速 及时完成 需要有较高的燃烧速度且合理变化要想使燃挠迅速 及时完成 需要有较高的燃烧速度且合理变化 燃烧速 度的大小主要取决于火焰传播速度 火焰前锋面积及未燃混合气密度 一 火焰传播速度UT 火焰传播速度取决于燃烧室中气体紊流运动 混合气成分和混合气初始火焰传播速度取决于燃烧室中气体紊流运动 混合气成分和混合气初始 温度温度 气体紊流强度与火焰速度比之间为一直线关系气体紊流强度与火焰速度比之间为一直线关系 紊流强度 u 指各点 速度的均方根值 火馅速度比是紊流火馅传播与层流火焰传播速度之比 因 此 加强燃烧室的紊流 是提高火焰传播速度的主要手段 采用采用过量空气系过量空气系 数数A At t 0 85 0 95 0 85 0 95 时的混合气 可以提高混合气初始温度 有助于加速火焰时的混合气 可以提高混合气初始温度 有助于加速火焰 传播 传播 有条不紊的线状运动 彼此不相混掺 为层流流动层流流动 随机运动 每个质点 的轨迹都是混乱的 在其前进过程中向横向发生混掺 流动 示出很多涡 旋 时而消灭时而发生 是为紊流流动紊流流动 二 火焰前锋面积AT 燃烧室形状与火花塞位置配合情况 对火焰前锋面分布规律有很大影响燃烧室形状与火花塞位置配合情况 对火焰前锋面分布规律有很大影响 图 5 8 所示为不同燃烧室火焰前锋面积变化情况 因此 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率在合适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率在合适 的范围内 的范围内 三 可燃混合气密度 T 增大未燃混合气的密度 可以提高进气压力和压缩比 从而提高混合气的燃增大未燃混合气的密度 可以提高进气压力和压缩比 从而提高混合气的燃 烧速度烧速度 二 混合气成分混合气成分 改变化油器主量孔的大小或改变通过断面可以改变混合气成分 若使用不 当也很容易造成混合气成分改变 例如 空气滤清器堵塞 化油器空气量孔堵 塞 会使混合气过浓 化油器浮子室油面调整过低 会使混合气体过稀等 混混 合气浓度的改变对发动机的动力性 燃油经济性及合气浓度的改变对发动机的动力性 燃油经济性及爆爆燃燃倾向有很大影响 因此 倾向有很大影响 因此 分析混合气成分对燃烧过程的影响是非常重要的 分析混合气成分对燃烧过程的影响是非常重要的 燃料能否及时燃烧 取决于火焰传播速度 影响火焰传播速度的主要因素是燃料能否及时燃烧 取决于火焰传播速度 影响火焰传播速度的主要因素是 混合气成分混合气成分 火焰传播速度随过量空气系数的变化如图 5 9 所示 由图可以看出 当过量空气系数 at 0 85 0 95 火焰传播速度最大 此时燃烧速度最快 可在短时间内使气缸压力温度达到最大值 散热损失小 作功最多 由于此时供给的燃料量比完全燃烧时所需的燃料稍多 在空气量一 定的情况下 提高了对氧的利用程度 使燃烧产物的分子数增多 燃气压力提 高 因此 发动机发出最大功率 称这种混合气为最大功率混合气 汽车在满 负荷工况下工作时 要求汽油机输出最大功率 此时 化油器应供给最大功率 混合气 当过量空气系数 at 1 05 1 15 时 称为过稀混合气 此时火焰传播速 度降低很多 燃烧缓慢 使燃烧过程进行到排气行程终了 补燃增多 使发动 机功率下降 油耗增多 由于燃烧过程的时间延长 在排气行程终了时进气门 已开启 含氧过剩的高温废气可以点燃进气管内新气 造成化油器放炮 当 at 1 3 1 4 时 由于燃烧热值过低 混合气不能传播 造成缺火或停车现 象 此时混合气浓度为火焰传播的下限 由此可见 为保证发动机燃烧质量 有利的混合气成分一般在 at 0 85 1 2 范围内 当使用功率混合气时 火焰传播速度最快 从火焰中心形成到火焰传播到 末端混合气的火焰传播时间缩短 使爆燃倾向减小 同时缸内压力 温度较高 压力升高率较大 使从火焰中心形成到末端混合气自燃发火的准备时间也缩短 又使爆燃倾向增大 实践证明 后者是影响的主要方面 因此 在各种混合气 成分中 以供给最大功率混合气时最易爆燃 如汽车满载爬坡时容易爆燃 三 点火提前角点火提前角 点火提前角点火提前角大小对汽油机燃烧性能也有很大影响大小对汽油机燃烧性能也有很大影响 图 5 10 为气门全开 额 定转速下混合气成分不变时 改变点火提前角燃烧示功图的变化 由 a 图可见 曲线 l 的示功图点火提前角为 ig1 相比之下 ig1过大 点火过早 使经过着火落后期后 最高燃烧压力出现在压缩行程的上止点以前 最高压力及压力升高率过大 活塞上行时消耗的压缩功增加 发动机容易过热 有效功率下降 工作粗暴程度增加 同时由于混合气体的压力 温度过高 爆 燃倾向增加 在这种情况下 只要适当减小点火提前角 就可以消除爆燃 曲线 2 的示功图对应的点火提前角过小于 ig2 点火过迟 经过着火落 后期后 燃烧开始时 活塞已向下止点移动相当距离 使混合气燃烧在较大容 积下进行 炽热的燃气与缸壁接触面积大 散热损失增多 最高压力降低 且 膨胀不充分 使排气温度过高 发动机过热 功率下降 耗油量增多 曲线 3 的示功图对应的点火提前角 ig3比较适当 因而 压力升高率不是 过高 最高压力出现在上止点后合适的角度内 从 b 图的比较可以看出 示 功图 1 比示功图 3 多做了一部分压缩功又减少了一部分膨胀功 示功图 2 的膨 胀线虽然比示功图 3 的高些 但最高压力点低 只有示功图 3 的面积最大 完 成的循环最多 发动机的动力性 经济性最好 综上所述 过大过小的综上所述 过大过小的点火提前角点火提前角都不好 只有选择合适的点火提前角才都不好 只有选择合适的点火提前角才 能得到合适的最高压力及压力升高率能得到合适的最高压力及压力升高率 使最高压力出现在上止点后 12 15 曲轴转角内 保证发动机运转平稳 功率大 油耗低 这种点火提前角称为最 佳点火提前角 使用中 随发动机工况的变化最佳点火提前角相应改变 因此 必须随使用情况及时调整点火提前角 现在所使用的真空和离心提前调节装置现在所使用的真空和离心提前调节装置 是有效的调节装置 是有效的调节装置 四 发动机转速发动机转速 在汽油机一定的油门开度下 随负荷的变化 转速相应变化 转速增加时 转速增加时 气缸中紊流增强 火焰传播速度加快 因而 随转速增加 压缩过程所用时间气缸中紊流增强 火焰传播速度加快 因而 随转速增加 压缩过程所用时间 缩短 散热及漏气损失减少 压缩终了工质的温度和压力较高 使以曲轴转角缩短 散热及漏气损失减少 压缩终了工质的温度和压力较高 使以曲轴转角 计的着火落后期增长计的着火落后期增长 为此 汽油机装有离心提前调节装置 使得在转速增加 时 自动增大点火提前角 以保证燃烧过程在上止点附近完成 随转速增加 随转速增加 爆燃爆燃倾向减小倾向减小 主要是转速的增加加快了火焰传播 使燃烧过 程占用的时间缩短 未燃混合气受巳燃部分压缩和热辐射作用减弱 不容易形 成自燃点 转速增加 循环充量系数 循环充量是指发动机在每一个循环的进 气过程中 实际进入气缸的新鲜气体 空气或可燃混合气 的质量 下降 残余废气相对增多 终燃混合气温度较低 对未燃部分的自燃起阻碍作用 因 此 使用中若低速时发生爆燃 待转速提高后爆燃倾向可自行消失 五 发动机负荷发动机负荷 转速一定时 随负荷减小 进入气缸的新鲜混合气量减少 而残余废气量转速一定时 随负荷减小 进入气缸的新鲜混合气量减少 而残余废气量 基本不变 使残余废气所占比例相对增加 残余废气对燃烧反应起阻碍作用 基本不变 使残余废气所占比例相对增加 残余废气对燃烧反应起阻碍作用 使燃烧速度减慢使燃烧速度减慢 为保证燃烧过程在上止点附近完成 需增大点火提前角 它 靠真空提前点火装置来调节 图 5 12 为发动机不同节气门开度时的示功图 低负荷时 爆燃倾向减小 主要是负荷低时 进气量少 残余废气相对较 多 燃烧最高温度和压力下降 阻止自燃产生 综上所述 发动机在高转速 低负荷时 应增大点火提前角 据统计 如 果点火提前角偏离最佳值 5 热效率将下降 l 偏离最佳值 10 热效率将 下降 5 偏离最佳值 20 热效率下降 16 传统的真空和离心提前调节装置 只能随负荷和转速两个影响因素的变化对点火提前角作近似控制 不能实现点 火提前角随多参数的变化 如压力 温度 湿度 空燃比 燃料辛烷值 残余 废气量等 的精确控制 近年来发展了微处理机控制的点火系统近年来发展了微处理机控制的点火系统 如无分电器 点火系统 该系统中 点火提前角的设置和随工况变化的自动调整 初级线圈 的通断 都是由微处理机控制的 它可根据点火提前角随工况变化的规律 已 事先存人机内 确定每一工况下的最佳点火时刻 实现精确控制 发动机低转速大负荷时易爆燃 在进行发动机点火提前角调整时可采用下 述步骤 发动机怠速运转状态下 突然将油门开至最大 发动机自由加速 若 能听到轻微的爆燃声 则点火提前角调整合适 随着电子技术的发展 出现了 微处理机控制的防爆控制系统 它可以根据爆燃信号自动调整点火提前角 使 爆燃限制在很轻微的限度之内 使用不同牌号汽油时省去调整点火系 供油系 的麻烦 汽油机的压缩比可适当提高 同时使热效率提高 经验表明 采用爆 燃控制系统 除提高汽油机压缩比外 可使节油率达 6 以上 六 冷却水温度冷却水温度 发动机冷却水温度应控制在发动机冷却水温度应控制在 80 80 90 90 范围内范围内 水温过高 过低均影响混 合气的燃烧和发动机的正常使用 冷却水温不同时的示功图如图 5 13 所示 冷却水温度过高时 会使燃烧室壁过热 冷却水温度过高时 会使燃烧室壁过热 爆燃爆燃及表面点火倾向增加 同时 及表面点火倾向增加 同时 进入气缸的混合气因温度升高 密度下降 充量减少 使发动机机动性 经济进入气缸的混合气因温度升高 密度下降 充量减少 使发动机机动性 经济 性下降性下降 所以 在使用维护中 应注意及时清除水道内的水垢 使水流通畅 注意利用百叶窗调整发动机冷却水温度 经常检查水温表 节温器等装置 使 其工作正常 冷却水温度过低时冷却水温度过低时 传给冷却水热量增多 发动机热效率降低 功率下降 传给冷却水热量增多 发动机热效率降低 功率下降 耗油率增加 润滑油粘度增大 流动性差 润滑效果变差 摩擦损失及机件磨耗油率增加 润滑油粘度增大 流动性差 润滑效果变差 摩擦损失及机件磨 损加剧损加剧 容易使燃烧中的酸根和水蒸气结合成酸类物质 使气缸腐蚀磨损增加 燃烧不良易形成积炭 不完全燃烧现象严重 使排放污染增大 因此 使用中 应注意控制好冷却水温 水温不能太低 水温传感器 感器 复位 译码器 参数存储 驱动报警器 看门狗 键盘 显 示 可以可以利用温度传感器实现对温度的数据采集 然后把温度信号转变为电压利用温度传感器实现对温度的数据采集 然后把温度信号转变为电压 模拟信号模拟信号 信号通过运算放大器 保持器和信号通过运算放大器 保持器和 A DA D 转换器将模拟量变为数字量送入转换器将模拟量变为数字量送入 单片机进行处理单片机进行处理 处理完成后根据情况采用反馈电路对温度进行调节 其硬件 电路如图 图 1 硬件框图 七七 燃烧室积炭燃烧室积炭 发动机工作过程中 由于燃烧不完全的燃油和窜入燃烧室的机油及外部其发动机工作过程中 由于燃烧不完全的燃油和窜入燃烧室的机油及外部其 它杂质在氧气和高温作用下 凝聚在燃烧室壁面及活塞顶部 形成积炭 其厚它杂质在氧气和高温作用下 凝聚在燃烧室壁面及活塞顶部 形成积炭 其厚 度可达几毫米度可达几毫米 积炭不宜传热 温度较高 在进气 压缩过程中不断加热混合 气 使温度升高很快 积炭本身有体积 减小了燃烧室的容积 因而提高了压 缩比 相对增加了激冷面积 增加了碳氢化合物的排放量 这种现象在发动机 冷启动 怠速和暖机时对于碳氢化合物的排放量影响较大 同时压缩比的升高 使得最高燃烧温度增加 氮氧化物的排放量增加 这些都促使爆燃倾向增加 积炭表面温度很高 形成炽热表面或炽热点 易引起表面点火 积炭的物质类 型如图 放大 滤波 A D 转换器 MC14433 MCS 51 单 片 机 发动机 积炭中各种元素的质量百分比 从图中的数据可以发现 金属元素中钙铁的含量较高 其中铁元素主要来自 于机械磨损的铁屑和润滑油氧化产生的酸性产物以及硫酸等无机酸对于缸体的 腐蚀 而钙元素主要来自于润滑油添加剂 另外 通过对积炭进行红外光谱分通过对积炭进行红外光谱分 析发现 积炭中存在双官能团以及大量的极性集团 因此积炭为极性化合物 析发现 积炭中存在双官能团以及大量的极性集团 因此积炭为极性化合物 正因为如此 当汽车发动机中形成积炭之后 积炭的形成速度与未形成积炭时正因为如此 当汽车发动机中形成积炭之后 积炭的形成速度与未形成积炭时 相比会增加许多 相比会增加许多 目前比较常见的积炭的清除方式分为三种目前比较常见的积炭的清除方式分为三种 药水清除积炭 燃油添加剂及解药水清除积炭 燃油添加剂及解 体清除体清除 其中最为普遍且对发动机损伤较小的即为药水清除方法 八 压缩比八 压缩比 提高压缩比 可提高压缩行程终了时工质的温度 压力 加快火焰传播速提高压缩比 可提高压缩行程终了时工质的温度 压力 加快火焰传播速 度 选择合适的度 选择合适的点火提前角点火提前角 可使燃烧在更小的容积下进行 使燃烧终了的温 可使燃烧在更小的容积下进行 使燃烧终了的温 度 压力提高度 压力提高 且燃气膨胀充分 热转变为功最多 热效率提高 发动机功率 扭矩大 有效耗油率降低 但是但是 提高压缩比 会增加未燃混合气自燃的倾向 容易产生提高压缩比 会增加未燃混合气自燃的倾向 容易产生爆燃爆燃 为此 要 为此 要 求改善燃烧室的设计 并提高汽油的辛烷值求改善燃烧室的设计 并提高汽油的辛烷值 随着燃烧室设计的改善和汽油辛 烷值的提高 国内载货汽车压缩比约为 6 5 7 5 轿车为 7 5 8 5 国外载货汽 车压缩比约为 7 9 轿车为 5 10 左右 如果压缩比超过 10 以上 热效率提高 程度减慢 机件的机械负荷过大 排放污染严重 因此 应注意选用合适的压 缩比 九 气缸直轻九 气缸直轻 气缸直径增大 火焰传播距离长 从火焰中心形成到火焰传播至末端混合 气的时间增长 直径加大 面容比减小 传给冷却水的热量减小 从火焰中心 形成到未端混合气自行发火的准备时间缩短 因而随气缸直径加大 气缸直径加大 爆燃爆燃倾向倾向 增加 所以无大缸径的汽油机 通常汽油机直径在增加 所以无大缸径的汽油机 通常汽油机直径在 100 毫米以下 此外 适当毫米以下 此外 适当 布置火花塞位置或采用多火花塞 可以缩短火焰传播距离 减少布置火花塞位置或采用多火花塞 可以缩短火焰传播距离 减少爆燃爆燃倾向 倾向 十 气缸盖和活塞材料十 气缸盖和活塞材料 铝合金比铸铁导热性好 气缸盖 活塞采用铝合金材料 可使燃烧窒表面 温度降低 热负荷 明显减少 减小爆燃倾向 因此 宜于采用高压缩比来提高 发动机动力性 经济性 十一 汽油机燃烧方式的发展十一 汽油机燃烧方式的发展 近年来 为降低油耗 减小排放污染 汽油机采用了快燃 稀燃及分层燃 烧技术 一 汽油机快燃技术 快燃的目是加快气缸内均匀混合气的燃烧速率 缩短燃烧时间 减少爆燃 倾向 使发动机可以选用高的压缩比 提高发动机热效率 二 汽油机稀燃技术 稀燃指燃烧很稀的混合气 其空燃比一般在 20 比 1 以上 采用稀燃技术 由于氧气充足 燃油易于完全燃烧 可以降低油耗 减少排放污染 同时燃烧 压力 温度较低 可采用较高的压缩比 但燃用稀混合气会降低火焰传播速度 必须配合快燃技术 三 汽油机的分层燃烧 分层燃烧的实质是采用稀薄的不均匀混合气 由外源点燃的燃烧方式 特点 是在点火时 燃烧室内各部位混合气的空燃比明显不同 火花塞周围局部具有 良好着火条件的较浓的可燃混合气 其空燃比在 12 13 4 左右 而在燃烧室的 大部分地区具有较稀的混合气 在二者之间 为有利于火焰传播 混合气浓度 从火花塞开始由浓到稀逐渐过渡 但气缸内混合气的总空燃比 却相当于过稀 混合气 所以分层充气汽油机也可以称为稀燃汽油机 四 汽油喷射系统的优点 汽油喷射分汽油直接喷入燃烧室的直接喷射和由进气管喷入气道的低压进气 喷射 与化油器式混合气形成方式比 汽油喷射系统可实现准确供应燃油 容汽油喷射系统可实现准确供应燃油 容 易解决各缸燃料均匀分配问题 减少各缸燃烧差异 有利于压缩比的提高 节易解决各缸燃料均匀分配问题 减少各缸燃烧差异 有利于压缩比的提高 节 省燃油 改善燃料雾化质量 有利于低温起动 省燃油 改善燃料雾化质量 有利于低温起动 在汽油机运行时 各工况对混合比的要求是不同的 例如 汽油机在各种转速 下全负荷运行时 节气门全开 化油器应提供适当加浓的功率混合气 空燃比 12 14 当汽油机按中等负荷运行即节气门部分开度时 应有最好的经济 性 空燃比 17 左右 当汽油机怠速运转时 节气门接近全关 为保证稳 定运转 需供给更浓的混合气 空燃比 10 12 4 理想化油器应是能全面 满足上述各工况混合比特性要求的化油器 理想化油器特性 理想化油器特性在满足最佳性能要求的前提下 混合气成分随负荷 或充 气流量 的变化关系如图 5 14 所示 由图可知 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 汽油机的燃油电子喷射汽油机的燃油电子喷射 相比于过去采用的化油器 燃油电子喷射系统可以使得相比于过去采用的化油器 燃油电子喷射系统可以使得 燃油计量精确度有较大幅度的提高燃油计量精确度有较大幅度的提高 因此 采用电子控制燃油喷射的汽油机 其经济性和动力性有很大的提高 使对混合气浓度要求的三效催化转化器降低 排放成为可能 电子控制燃油喷射从单点式发展到多点式 这使汽油机不仅在动力性上仍 旧能保持其密度的特点 而且其燃油性几乎可以和柴油机相媲美 有人甚至称 汽油直接喷射是汽油机的一次革命 汽油直接喷射技术已经在日本三菱 丰田