第10讲_汽油机混合气的燃烧

第四章汽油机混合气燃烧 发动机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程 燃烧持续时间极短 约为2ms左右 燃烧过程的基本要求是 1 燃烧完全 影响热量产生多少和排出废气的成分 2 时机恰当 影响热量的利用和气缸压力的变化 3 稳定正常 保证发动机稳定 可靠地工作 汽油机的燃烧过程 利用喷嘴或化油器 在进气管内使空气和燃油混合 再进入气缸 到压缩行程接近终了时 以电火花点燃并燃烧 汽油机的不正常燃烧 爆震和表面点火 一 正常燃烧过程唯一地由火花定时点火开始 火焰前锋以正常速度传播到整个燃烧室 以展开示功图研究燃烧过程 压缩线 无燃烧膨胀线 火花塞点火 着火 最高压力 展开示功图的气缸压力线上 在1点火花塞跳火 经过短暂的着火延迟 到2点出现明显的火焰核心和明显燃烧 随之在3点火焰基本传遍整个燃烧室 出现最高燃烧压力 压缩线 无燃烧膨胀线 火花塞点火 着火 最高压力 着火延迟期 明显燃烧期 后燃期 点火提前角 燃烧过程三个阶段 着火延迟期即 阶段 又称滞燃期 明显燃烧期即 阶段后燃期即 阶段 汽油机的燃烧过程 正常燃烧过程 着火延迟期 明显燃烧期 后燃期 1 着火延迟期A 特点 火花放电的电压高达10 15kV 击穿电极间隙的混合气 局部温度可达3000K 点燃电极附件的混合气 形成火焰核心 B 评价指标着火延迟期长度Dj12 j2 j1C 影响因素 混合气浓度混合气过量空气系数a为0 8 0 9时 着火延迟期最短 残余废气量残余废气多 着火延迟期变长 点火能量火花能量大 着火延迟期缩短 缸内气体流动紊流运动强 加快混合气氧化速度 着火延迟期缩短 点火时的缸内气体状态气体温度和压力越高 着火延迟期越短 着火延迟期 从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角称为点火提前角 明显燃烧期 2 明显燃烧期A 特点 燃烧速度快 缸内压力急剧升高 约占20 30 曲轴转角 起点和终点基本对称于上止点 B 评价指标最高燃烧压力pZ及出现时刻j3希望j3在上止点后15 曲轴转角之内 平均压力升高率表示压力变化升高的急剧程度 明显燃烧期短 燃烧迅速而靠近上止点 使动力性和经济性好 但压力升高率大 工作粗暴 噪声和振动大 明显燃烧期 2 明显燃烧期C 燃烧过程燃烧过程为火焰传播 在均质混合气中 当火焰中心形成之后 火焰向四周传播 形成一个近似球面的火焰层 即火焰前锋 从火焰中心开始层层向四周未燃混合气传播 直到连续不断的火焰前锋扫过整个燃烧室 2 明显燃烧期 火焰前锋的位置随着燃烧的进行而变化 火焰传播速度 火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度 汽油机火焰传播速度可达50 80m s 后燃期 3 后燃期特点 燃烧速度慢 燃烧放热因活塞下行不能利用 反而使排气温度升高 后燃虽不能绝对消除 但通过完善燃烧过程 可尽量减少 原因 火焰前锋面后未能及时燃烧的燃料 壁面附近的燃料在后燃期内燃烧 同时 高温分解的燃烧产物重新氧化放热 二 汽油机的不正常燃烧汽油机的燃烧并非由火花定时点火开始 或火焰前锋速度过快 或不是火焰前锋传播到整个燃烧室 则出现不正常燃烧 汽油机的不正常燃烧主要是爆震和表面点火 A 爆震产生的原因末端混合气在火焰前锋尚未到达 受已燃气体的高温辐射和压缩作用 未燃混合气的温度达到其自燃温度而着火燃烧 使局部压力和温度急剧上升 并伴随有冲击波 B 爆震的外部特征气缸内发出特别尖锐的金属敲击声 亦称为敲缸 轻微的爆震燃烧由于接近等容燃烧 发动机的功率有所下降 油耗有所上升 严重时会产生冷却水过热 零部件损坏 功率下降和油耗上升 排放污染增加 主要是排气冒黑烟 爆震是限制汽油机压缩比提高和增压技术的应用 1 爆震 爆燃 C 爆震与正常燃烧的区别 1 爆震 爆燃 正常燃烧 有明显的单一火焰前锋 逐层向外传播 速度正常 直至燃烧完毕 爆震 无明显的火焰前锋或多个火焰前锋 几乎无传播过程 燃烧速度极快 轻微爆震时 发动机功率上升 油耗下降 D 爆震的危害 1 爆震 爆燃 机件过载强烈爆震的冲击波能使缸壁 缸盖 活塞 连杆 曲轴等机件的机械负荷增加 使机件变形甚至损坏 性能恶化严重爆震时 气体向缸壁的传热量增加 热效率下降 功率降低 耗油率增加 爆震容易形成积碳 破坏发动机零件的正常工作 使发动机可靠性下降 发动机磨损加剧润滑效果变差 零件磨损加剧 严重爆震的磨损比正常燃烧时大27倍 D 爆震的危害 1 爆震 爆震 机件烧损汽油机最高燃烧温度可达到2000 2500 而活塞顶 燃烧室壁及缸壁的温度仅为200 300 除了冷却的作用外 还由于在这些壁面上形成了附面气膜和油膜 起到隔热的作用 所以能够维持如此低温度 强烈爆震的冲击波会破坏这一附面层 使机件直接与高温燃气接触 严重爆震的局部燃气温度可高达4000 以上 会使活塞头部和气门等机件烧损 同时热量传给冷却水引起发动机过热 排气温度高 冒黑烟汽油机爆震时局部高温引起热分解现象严重 使燃烧产物分解为HC CO H2 O2 NO及游离碳 排气冒烟严重 HC H2和CO等在膨胀过程中重新燃烧 使后燃增加 排气温度增高 E 控制爆震的措施 1 爆震 爆震 1 内因爆震是由混合气自燃引起的 要抑制产生自燃的因素 提高燃料的辛烷值 降低汽油爆震燃烧的倾向 降低压缩比 控制缸内压力和温度升高 汽油机的压缩比一般较低 适当减小点火提前角 汽缸盖 活塞等采用导热性好的材料 如铝合金 2 外因缩短火焰传播时间 缩短路径和提高速度 燃烧室结构紧凑 火花塞尽量布置在中央位置 双火花塞 减小缸径 汽油机单缸功率不大且缸径一般不大于100mm 组织混合气运动 提高火焰传播速度 二 汽油机的不正常燃烧 A 产生原因凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面 如排气门头部 火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等 点燃混合气的现象 统称表面点火 表面点火的特征在于点火时刻不可控制 压缩比较高 e 9 的汽油机容易出现表面点火 后火 续走 点火开关关闭后 发动机仍像有电火花一样继续运转的表面点火现象 主要发生在发动机长时间高负荷运转后紧急停机 2 表面点火 B 表面点火与爆震的区别 2 表面点火 1 爆震出现在火花塞跳火后 是末端混合气的自燃 表面点火出现在火花塞跳火前 不依赖火花塞跳火 是炽热物点燃混合气 2 爆震时有强烈的压力冲击波 有尖锐的金属敲击声 表面点火没有压力冲击波 敲缸声比较沉闷 由活塞 连杆和曲轴等运动件的振动造成 3 爆震可以通过推迟点火提前角消除 表面点火则不能 C 控制表面点火的措施凡是能降低燃烧室温度和压力升高 减少积碳等炽热点形成的因素都有助于防止表面点火 汽油机的燃烧过程 三 汽油机的不规则燃烧汽油机的不规则燃烧是指在稳定正常运转时 汽油机存在同一气缸各循环之间的燃烧差异和各缸之间的燃烧差异 1 循环间燃烧变动同一气缸不同循环之间的燃烧差异称为循环间燃烧变动 是燃烧不稳定性体现 表现为循环的压力波动 示功图一般为测量的平均值 主要由点火瞬间火花塞附近的混合气性质 浓度 残余废气量 与状态变化造成的 可以加大点火能量和改善缸内工质运动可减小循环间燃烧变动 严重情况为随机性缺火 三 汽油机的不规则燃烧 多缸发动机各个气缸之间的燃烧存在差异 称为缸间燃烧差异 是燃烧不均衡性体现 表现为各气缸的工作循环差异 原因为各缸进气充量在质量和数量上存在差异 比如由于燃料分配不均 使各缸空燃比不一致 各缸进气量分配不均匀 各缸内空气运动不相同以及燃烧室结构的微小差异等等 2 缸间燃烧差异 四 燃烧过程的影响因素 1 点火提前角点火提前角过大 则在压缩过程中燃烧的混合气增多 活塞上行的压缩功增加 发动机容易过热 有效功率下降 工作粗暴程度增加 同时 爆震倾向加大 点火提前角过小 则后燃严重 最高燃烧压力和温度下降 传热损失增多 排气温度升高 功率下降 耗油量增多 因此存在一个最佳点火提前角 发动机在最佳点火提前角工作时 压力升高率不会太高 最高爆发压力出现在上止点后的最佳角度 示功图面积最大 发动机的动力性 经济性最好 四 燃烧过程的影响因素 2 汽油的品质汽油的蒸发性 影响混合气形成 与抗爆性 影响不正常燃烧 直接影响燃烧过程 3 混合气浓度 a 0 85 0 95时 火焰传播速度最大 燃烧速度最快 发动机功率最大 这种混合气称为功率混合气 a 1 03 1 1时 火焰传播速度较大 氧气充足故燃烧完全 发动机经济性最好 这种混合气称为经济混合气 0 4或 1 3 混合气过浓或过稀 火焰也不能传播 为火焰传播上限或上限 考虑实际工况 汽油机 0 6 1 2 即空燃比A F 9 18 四 燃烧过程的影响因素 4 转速转速增加 气缸中紊流增强 火焰传播速度加快 燃烧过程缩短 由于循环时间也缩短 燃烧过程相对应的曲轴转角增加 应当相应加大点