汽油机混合气形成及燃烧

第五章汽油机混合气的形成和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 对燃烧过程的要求 1 完全 燃烧完全 才能充分利用燃油的热能 同时影响排出废气的成分 2 及时 在上止点附近燃烧 即在上止点后12 15 CA燃烧完毕 循环功最多 3 正常 正常燃烧 才能保证发动机稳定 可靠的工作 一般汽油机是在气缸的进气管内 利用喷嘴或化油器使空气和燃油混合 进入气缸后 到压缩行程终了时已大致形成均质混合气 并以电火花点火燃烧 第一节汽油机的正常燃烧一 正常燃烧过程 一 正常燃烧过程进行情况通常测取燃烧过程的展开示功图研究燃烧过程 在燃烧压力线上 1点为火花塞跳火点 2点为出现火焰中心 3为最高压力点 将燃烧过程分为三个阶段 着火落后期 明显燃烧期和补燃期 一 着火落后期从火花塞跳火到形成火焰中心时的时间或曲轴转角 特点 1 火花放电时两极电压达10 15kV 局部温度可达3000K 加快了混合气的氧化反应速度 2 此阶段缸内压力无明显升高 着火延迟期的长短与以下因素有关 1 混合气成分混合气过量空气 at 0 8 0 9时 着火落后期最短 2 开始点火时的缸内气体温度和压力开始点火时缸内气体温度和压力越高 着火落后期越短 3 缸内气体流动加强紊流运动 会加快混合气的氧化反应速度 着火落后期缩短 4 火花能量加大火花能量 着火落后期缩短 5 残余废气量残余废气对燃烧反应起阻碍作用 使着火落后期变长 所以应尽量减少残余废气 点火提前角 是指从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角 可用其表示点火时刻 二 明显燃烧期从形成火焰中心到最高压力出现 在均值混合气中 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 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 车用汽油机 燃烧室的火焰传播速度可达50 80m s 常用平均压力升高率 p kPa 表征压力变化的急剧程度 式中 p 明显燃烧期始点和终点的气体压力差 kPa 明显燃烧期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差 CA 汽油机的 p在200 400kpa 的范围内 明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期 明显燃烧期愈短 愈靠近上止点 汽油机经济性 动力性愈好 但可能导致压力升高率值过高 工作粗暴 对排污亦不利 一般明显燃烧期约占20 40 曲轴转角 燃烧最高压力出现在上止点后12 15 曲轴转角 p 175 250kpa 为宜 三 补燃期从最高压力点开始到燃料基本燃烧为止称为补燃期 在此阶段参加燃烧的燃料主要有 1 火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧 2 贴附在缸壁未燃混合气层的部分燃烧 壁面温度低 对火焰具有熄火作用 这样在熄火存在大量未燃烃 在随后的膨胀中部分未燃烃继续燃烧 3 高温分解的燃烧产物 H2 O2 CO等 重新氧化 燃烧产物CO2 H2O中 有少部分在高温的作用下 分解成H2 O2 CO等产物 在膨胀过程中 因工质温度下降 热分解产物又继续燃烧 放热 这种燃烧已远离上止点 应尽量减少 二 燃烧速度燃烧速度是指单位时间燃烧的混合气量 可以表达为 式中 t 未燃混合气密度 t 火焰传播速度 At 火焰前锋面积 控制燃烧速度就能控制明显燃烧期的长短及其相对曲轴转角的位置 影响燃烧速度的因素有 1 火焰传播速度 t火焰传播速度是决定明显燃烧期长短的主要因素 现代汽油机的 t可高达50 80m s 影响 t的主要因素是 燃烧室中气体的紊流运动 混合气成分和混合气初始温度 2 混合气成分不同 火焰传播速度也明显不同 如图所示为实验所得火焰传播速度与过量空气系数的关系 当 at 0 850 95时 火焰传播速度最大 燃烧速度最快 功率也最大 称为功率混合比 当 at 1 031 1时 火焰传播速度较大 氧气又充足 燃烧完全 称为经济混合比 火焰传播下限 at 1 3 1 4时 火焰传播速度降低 甚至不能传播 火焰传播上限 at 0 4 0 5时 混合气过浓 也使火焰不能传播 为了保证可靠的工作 汽油机的 at在0 6 1 2范围 即空燃比A F 9 18 3 混合气初始温度 混合气初始温度高 火焰传播速度增加 2 火焰前锋面积At利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合 可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积 以调整燃烧速度 它直接影响到明显燃烧期相当曲轴转角的位置及燃烧速度变化的情况 与压力上升密切相关 3 可燃混合气密度 t增大未燃混合气密度 可以提高燃烧速度 因此增大压缩比和进气压力等 均可加大燃烧速度 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情况下 各循环之间的燃烧差异和各缸之间的燃烧差异 一 各循环之间的燃烧差异各循环之间的燃烧差异主要是燃烧的不稳定性 表现为循环的压力波动 如图示出不同循环的气缸压力变化情况 从中可以看到变化较大 低负荷时情况更严重 这种循环间的燃烧变动使汽油机空燃比和点火提前角调整对每一循环都不可能处于最佳状态 因而油耗上升 功率下降 不正常燃烧倾向增加 使汽油机性能下降 产生这种现象的主要原因是 火花塞附近混合气的混合比和气体紊流性质 程度在各循环均有变动 致使火焰中心形成所用的时间不同 即由有效着火时间变动而引起的 对各循环之间的燃烧变动的现象的机理至今还不十分清楚 但可以肯定 1 at 0 8 0 9时循环燃烧变动最小 混合气加浓或减稀变动均增加 因此 为了减少排气中的CO而运用稀混合气时 即使在较高负荷也容易发生循环变动 成为用稀混合气的障碍 2 在中等负荷以上变动较小 低负荷时 残余废气量相对增多 变动更为明显 3 加强紊流有助于减少变动 因此转速增加 一般变动减小 4 加大点火能量 采用多点点火 情况有所改善 5 点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感 二 各缸之间的燃烧差异各缸之间的燃烧差异主要是由于燃料分配不均使空燃比不一致造成的 影响混合气分配不均匀的因素很多 总的来说 与进气系统所有零件的设计和安装位置都有关系 任何不对称和流动阻力不同的情况都会破坏均匀分配 其中影响最大的是进气管的设计 第二节汽油机的不正常燃烧汽油机的不正常燃烧主要是爆燃和表面点火 一 爆燃 一 爆燃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 轻微敲缸时 发动机功率上升 油耗下降 但严重时会产生冷却水过热 功率下降 油耗上升 发动机磨损加剧 排放污染增加 主要是排气冒黑烟 二 爆燃产生的原因 正常燃烧 有明显的火焰前锋 且逐层向外传播 直至燃烧完毕 爆燃 火焰前锋未到 未燃混合气的温度达到其自燃温度而着火燃烧 形成新的火焰中心 产生新的火焰传播 正常燃烧与爆燃的不同 正常燃烧的火焰传播速度为50 80m s 无压力波 压力升高率在200 400kpa 的范围内 爆燃的火焰传播速度 轻微爆燃时 火焰传播速度约为100m s 300m s 强烈爆燃时可高达800m s 1000m s 使未燃混合气瞬时燃烧完毕 局部压力 温度很高 形成强烈的压力冲击波 冲击波反复撞击燃烧室壁 发出尖锐的敲缸声 三 三 爆燃的危害1 机件过载强烈爆燃时的冲击波能使缸壁 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 2 机件烧损汽油机燃烧终了时的温度可达到2000 2500 而活塞顶 燃烧室壁及缸壁的温度仅为200 300 除了冷却水的作用外 能够维持如此低温度的原因 还包括在这些壁面上形成了气体的附面层 它起到隔热的作用 而强烈爆燃时的冲击波会破坏这一附面层 使机件直接与高温燃气接触 而严重爆燃时 局部燃气温度可高达4000 以上 这样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 3 性能指标下降严重爆燃时的局部高温及强烈的压力冲击波 破坏了附面层 气体向缸壁的传热量大大增加 使热效率下降 功率降低 耗油率增加 4 发动机磨损加剧由于传热损失增加 使冷却水和润滑油温度增加 使润滑油润滑效果变差 零件磨损加剧 实验表明 严重爆燃时磨损比正常燃烧时大27倍 5 排气冒黑烟 补燃增加 排气温度增加爆燃时局部高温引起热分解现象严重 使燃烧产物分解为CH H2 O2 NO及游离碳的现象增多 排气冒烟严重 CH H2 O2等在膨胀过程中重新燃烧又使补燃增加 排气温度增高 爆燃产生的炭粒形成积炭 破坏活塞环 火花塞 气门等零件的正常工作 使发动机可靠性下降 6 轻微爆燃有利接近等容燃烧 热效率提高 汽车上坡时驾驶员感觉轻松 四 影响爆燃的因素1 燃料的性质辛烷值高的燃料抗爆燃能力强 四乙铅添加剂能有效地提高燃料的抗爆燃能力 但这会排除有毒的含铅颗粒 污染大气并影响催化剂的使用 因此近年来各国都对含铅汽油的使用 2 末端混合气的压力和温度末端混合气的压力和温度增高 则爆燃倾向增大 例如 提高压缩比 则气缸内压力 温度升高 爆燃易发生 又如 气缸盖 活塞的材料使用轻金属 由于其导热性好 末端混合气压力 温度低 爆燃倾向小 可提高压缩比0 4 0 7单位 3 火焰前锋传到末端混合气的时间提高火焰传播速度 缩短火焰传播距离 都会减少火焰前锋传到末端混合气的时间 有利于避免爆燃 例如 气缸直径大时 火焰传播距离增加 爆燃倾向增大 所以没有很大缸径的汽油机 二 表面点火在汽油机中 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 它的点火时刻是不可控制的 多发生在 9以上的强化汽油机上 炽热表面 1 后火表面点火出现在火花塞跳火后 并且形成的火焰前锋仍以正常的火焰传播速度向未燃气体推进 称为后火 出现这种现象时 可在发动机断火后发现 发动机仍像有电火花一样 继续运转 直到炽热点温度下降到不能点燃混合气为止 发动机才停转 2 早燃是指在火花塞点火之前 炽热表面就点燃混合气的现象 由于早燃提前点火而且热点表面比火花大 使燃烧速率快 气缸压力 温度增高 发动机工作粗暴 并且由于压缩功增大 向缸壁传热增加 致使功率下降 火花塞 活塞等零件过热 早燃会诱发爆燃 爆燃又会让更多的炽热表面温度升高 促使更剧烈的表面点火 两者互相促进 危害可能更大 与爆燃的不同点 1 爆燃是火花塞跳火后末端混合气的自燃现象 表面点火一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致 2 爆燃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 主要是由活塞 连杆 曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成 影响热面点火的因素凡是能降低燃烧室温度和压力升高率 减少积炭等炽热点形成的因素都有助于防止热面点火 第三节影响燃烧过程的因素一 汽油的品质汽油的蒸发性与抗爆性是影响汽油机燃烧过程的主要使用性能 一 汽油的蒸发性汽油的蒸发性用馏程和蒸气压评定 汽油的蒸发性愈强 愈容易汽化 与空气混合愈均匀 易于完全燃烧 因而汽油要有良好的蒸发性 但蒸发性过强 在炎热的夏季 高原山区使用时 易形成供油系 气阻 甚至发生供油中断现象 二 汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力 用辛烷值评定 汽油的辛烷值愈高 其抗爆性愈好 汽油的牌号以辛烷值划分 二 混合气成分在 at 0 8 0 9时 由于燃烧温度最高 火焰传播速度最大 因此pz Tz p Pe均达最高值 且爆燃倾向最大 在 at 1 03 1 1时 由于燃烧完全 be最低 但此时缸内温度最高且空气富裕 Nox排放量大 使用 at 1的浓混合气工作 由于必然产生不完全燃烧 所以CO排放量明显上升 当 at 0 8及 at 1 2时 火焰传播速度缓慢 部分燃料可能来不及完全燃烧 因而经济性差 HO排放量增多且工作不稳定 二 点火提前角点火提前角是从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角 其数值应视燃料性质 转速 负荷 过量空气系数等很多因素而定 点火提前角过小 则燃烧延长到膨胀过程 燃烧最高压力和温度下降 传热损失增多 排气温度升高 功率下降 耗油量增多 点火提前角过大 则大部分混合气在压缩过程中燃烧 活塞上行所消耗的压缩功增加 发动机容易过热 有效功率下降 工作粗爆程度增加 同时由于混合气的压力过高 末端混合气燃烧前的温度较高 爆燃倾向加大 点火提前角为最佳值时 压力生高率不是过高 最高压力出现在上止点后合适的角度内 示功图面积最大 完成的循环功最多 发动机的动力性 经济性最好 一 发动机转速转速增加时 气缸中紊流增强 火焰传播速度加快 因而以秒计的燃烧过程缩短 由于循环时间也缩短 一般燃烧过程相当的曲轴转角增加 应当相应加大点火提前角 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 转速增加时 火焰传播速度加快 爆燃倾向减小 三 发动机负荷转速一定 负荷减小时 进入气缸的新鲜混合气量减小 而残余废气量基本不变 故残余废气所占比例相对增加 因为残余废气对燃烧反应起阻碍作用 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 靠真空提前点火装置来调节 低负荷时 爆燃倾向较小 主要是负荷低时 进气量少 残余废气相对较多 使燃烧最高压力和温度下降 阻止自燃产生 四 冷却