发动机原理培训(特殊燃烧问题)ppt课件

.,第七章特殊燃烧问题的机理与对策本章将对发动机特殊燃烧现象的机理和对策技术进行讨论，包括：（1）以爆燃为代表的汽油机不正常燃烧、循环波动等不规则燃烧；（2）柴油机的燃烧噪音和冷起动时的燃烧等。,.,第一节汽油机的不正常燃烧与燃料的抗爆性能由火花点火引燃和以火核为中心的火焰传播燃烧过程称为汽油机的正常燃烧。若设计或控制不当，汽油机偏离正常点火的时间及地点，由此引起燃烧速率急剧上升，压力急剧增大，如爆燃、表面点火和激爆等异常现象，都属于不正常燃烧。一爆燃（一）爆燃的现象和机理1爆燃的现象爆燃（爆震）是汽油机最主要的一种不正常燃烧，常在压缩比较高时出现。如图7-1所示，爆燃时，缸内压力曲线出现高频大幅度波动（锯齿波），同时发动机会产生一种高频金属敲击声，因此也称爆燃为敲缸（Knock）。,.,.,汽油机爆燃时一般出现以下外部特征：1）发出3000-7000Hz的金属振音；2）轻微爆燃时，发动机功率略有增加，强烈爆燃时，发动机功率下降，转速下降，工作不稳定，机身有较大振动；3）冷却系统过热，气缸盖温度、冷却水温和润滑油温均明显上升；4）爆燃严重时，汽油机甚至冒黑烟。,.,2爆燃的机理火花塞点火后，火焰前锋面呈球面波形状以30-70m/s的速度迅速向周围传播，缸内压力和温度急剧升高。燃烧产生的压力波（正波）以音速向周围传播，未端混合气受到压缩和热辐射，其压力和温度上升，燃前化学反应加速，这些都是正常现象。如果这一反应过于迅速，则会使末端混合气在火焰锋面到达之前即以低温多阶段方式开始自燃。由于这种着火方式类似柴油机，即在较大面积上多点同时着火，因而放热速率极快，使局部区域的温度压力陡增。这种类似阶跃的压力变化，形成燃烧室内往复传播的激波，猛烈撞击燃烧室壁面，使壁面产生振动，发出高频振音（即敲缸声），其频率主要取决于燃烧室尺寸（主要是缸径）和激波波速。这就是爆燃。爆燃发生时，火焰传播速度可陡然高达100-300m/s（轻微爆燃）或800-1000m/s（强烈爆燃）。,.,关于爆燃的机理已从许多试验研究中得到了证实。用高速摄影（包括纹影和阴影方式）可以清晰地观察到发生在气缸壁面附近的自发火区域；采用缸内快速采样方法也在这些区域检测到了低温多阶段着火过程产生的过氧化物和醛类。,.,3爆燃的危害1）热负荷及散热损失增加爆燃发生时，剧烈无序的放热使温度明显升高，加之压力波的反复冲击破坏了燃室壁面的层流边界层和油膜，从而使燃气与燃室壁面之间的传热速率大大增加，散热损失增大，气缸盖及活塞顶部等处的热负荷上升，甚至造成铝合金的表面发生烧损及熔化（烧顶）。2）机械负荷增大发生爆燃时，最高燃烧压力和压力升高率都急剧增高，（dp/d）max可高达65MPa/（CA），受压力波的剧烈冲击，相关零部件所受应力大幅度增加，严重时会造成连杆轴瓦破损。3）动力性和经济性恶化由于燃烧极不正常，以及散热损失大大增加，使循环热效率下降，导致功率和燃油耗率恶化。,.,4）磨损加剧由于压力波冲击缸壁破坏了油膜层，导致活塞、气缸和活塞环磨损加剧。5）排气异常爆燃时产生的高温会引起燃烧产物的热裂解加速，严重时析出碳粒，排气产生黑烟，燃室壁面形成积碳，而这又构成了表面点火（见后述）的起因。总之，爆燃会给汽油机带来极大危害。为防止爆燃，汽油机的压缩比一般不超过8-10，这是汽油机经济性始终低于柴油机的一个主要原因。,.,（二）爆燃燃烧的影响因素如果由火核形成至火焰前锋传播到未端混合气为止所需时间为t1，由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间为t2，由于爆燃是在火焰前锋尚未到达时未端混合气发生自燃引起的，因而不发生爆燃的充分必要条件是：t19）的强化汽油机上。点火能量小的燃料也容易产生表面点火。苯、芳香烃、醇类燃料抗表火性较差；而异辛烷抗表火性好，抗爆性也好，是很优良的燃料成分。防止表面点火的主要措施有：1）防止燃烧室温度过高，这包括与降低爆震同样的方法，如降低压缩比和减小点火提前角等。2）合理设计燃烧室形状，使排气门和火花塞等处得到合理冷却，避免尖角和突出部。3）选用低沸点汽油，以减少重馏分形成积碳。4）控制润滑油消耗率，因为润滑油容易在燃烧室内形成积碳；同时应选用成焦性较小的润滑油。5）有些汽油和润滑油添加剂有消除或防止积碳作用。6）提高燃料中抗表火性好的成分，如异辛烷等。,.,第二节汽油机的不规则燃烧汽油机的不规则燃烧是指各循环之间的燃烧变动和各缸之间的燃烧差异，前者称为循环波动，后者称为各缸工作不均匀。不规则燃烧现象是汽油机相对柴油机的一大特征，是由两者工作方式不同所决定的。一汽油机的循环波动1循环波动的现象及危害实际汽油机的转速和转矩波动程度要比柴油机要大的多，例如，汽油机的转速波动一般大于10r/min，而柴油机可稳定到2r/min。这种波动主要来源于各循环之间的燃烧过程的波动。如图7-5所示的例子，在10个循环的示功图采样中，最高燃烧压力pz的波动范围是2.5-3.5MPa，pz的位置及着火时刻也都是变动的；基于这组示功图算出的最大放热速率（dQb/d）max的最大值与最小值相差2倍左右。,.,.,由于存在循环波动，点火提前角和空燃比等参数，对于每一循环都不可能调整到最佳值，因而使发动机的性能指标不可能得到充分优化。随着循环波动的加剧，燃烧不正常甚至失火的循环数逐渐增多，碳氢化合物等不完全燃烧产物增多，动力经济性下降。同时，由于燃烧过程不稳定，也使振动及噪声增大，零部件寿命下降。另外，循环波动也是汽油机实施稀薄燃烧的难点之所在。,.,2循环波动的评价指标由于气缸压力比较容易测量，因此常用最高燃烧压力pmax的循环波动率p来评价循环波动的程度，其定义如下，p=（p/pcmax）100%（7-1）式中，p为pmax的标准偏差，pcmax为pmax的平均值。为获得有统计意义的结果，采样循环数应不少于40-100，循环波动较大时应进一步加大采样循环数。一般认为循环波动率不应大于10%，性能较好的汽油机一般不超过7%。除pc之外，也可用示功图及燃烧放热率的其它特性参数来评价循环波动程度，如最高燃烧压力pc所对应的曲轴转角、压力升高率dp/d、平均指示压力pmi、着火角、最高燃烧速率以及燃烧持续角等。,.,3产生循环波动的原因循环波动开始于燃烧初期，有两个因素最重要：火花塞附近混合气成分波动和气体运动状态波动。1）混合气成分波动尽管汽油机的燃烧方式被称为预制均匀混合气燃烧，但这只是相对柴油机燃烧来说其宏观是均匀的，但微观上并不均匀，空气、燃料、废气不可能在短时间内完全混合均匀，这就会使火花塞附近的混合气成分是随时间不断变化的，因而着火落后期的长短和火核初始生长过程随循环产生变动。2）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匀的，火花塞附近微元气体的运动速度和方向，将对火核的形成和初始生长速率有重要影响。流速过低，不利于火核的初始生长；而流速过高，散热加快，会使已生成的火核被吹灭；火核位置不同，也会使此后的火焰发展有差异。尽管柴油机混合气浓度和流速分布比汽油机更不均匀，但柴油机的着火可以出现在任何一个适于着火的点上，是多点同时自发着火，着火概率极高；而汽油机只可能在火花塞处一点着火，一旦受到某种因素的影响使这一点的着火不完全成功甚至完全不成功，则整个燃烧过程的性能指标会明显下降。,.,4循环波动的影响因素及改善措施1）过量空气系数a的影响最大，一般在a=0.8-1.0（最易点燃和燃烧范围）时的循环波动率最小，过浓或过稀都会使循环波动率增大，这也是稀薄燃烧汽油机须解决的主要问题。2）油气混合均匀程度有重要影响，而适当提高气流运动速度和湍流程度可改善混合气的均匀性。3）残余废气系数r过大，则循环波动率增大，除合理控制残余废气量之外，通过燃烧室合理设计和组织扫气以防止火花塞周围废气过浓也很重要。4）发动机工况不同循环波动率不同，一般低负荷（r会增大）和低转速（湍流程度会降低）时循环波动率增加。5）提高点火能量或采用多点点火可降低循环波动率。如日产公司曾在NAP8-Z型发动机上采用双火花塞点火，使循环波动率由11%下降至4%，燃油消耗率be降低10%左右。,.,二汽油机的各缸工作不均匀性多缸汽油机工作时各缸之间的燃烧差异要比柴油机大得多，这主要是各缸间的混合气充量不均匀、混合气成分不均匀以及着火差异等因素引起的。一般用不均匀度Di表示第i缸的工作不均匀性，评价参数可用过量空气系数a、充气系数c、功率Pe、燃油耗率be以及最高燃烧压力pz等。例如以c来考察，则有Di（c）=（cicm）/cm）100%（7-2）式中，ci为第i缸的充气系数，cm为各缸充气系数的平均值。可用各缸间的最大不均匀度Dmax评价整机不均匀性，Dmax有时可达20%以上。由于各缸不均匀性的存在，很难找到对各缸都是最佳的点火提前角和过量空气系数，使得动力性、经济性、排放性等整机指标难以优化；同时，噪声及振动也会增加。,.,产生各缸工作不均匀的原因主要在于各缸进气充量的不均匀。由于进气系统设计不当、进气管动态效应、以及各缸进气重叠干涉等原因，使得各缸的实际充气系数不均匀，而汽油机进气是油气混合气，因而结果是进入各缸的燃料绝对量不同；由于汽油机是外部混合，进气管内存在空气、油蒸气、各种浓度的混合气、大小不一的油粒以及沉积在进气管壁上厚薄不均的油膜，即进气管内的油气分布是多相和极不均匀的，因而进入各缸的混合气实际浓度（即a）是不同的；燃料中重馏分以及四乙基铅等密度较大的添加剂不易到达边缘气缸，加重了各缸混合气成分的差异，当采用废气再循环（见后述）时，各缸的废气进入量也会有差异，这些原因造成了进入各缸的混合气的量和质都会产生差别，由此造成各缸工作不均匀。柴油机也会出现各缸进气不均匀，但由于进入气缸的只是空气，因而对工作不均匀性的影响较小。,.,第三节柴油机的燃烧噪声与燃料的着火性一柴油机的燃烧噪声内燃机的噪声有三个来源，即由进排气口和风扇等引起的气体噪声、由于往复运动和零部件间隙等引起的机械噪声、由燃烧过程中压力等参数的急剧变动引起的燃烧噪声。由于柴油机燃烧的冲击性和运动件惯性质量明显大于汽油机，因而其噪声也高于汽油机，这使柴油机的用途受到限制，例如占世界汽车保有量70%左右的轿车主要采用汽油发动机与此不无关系。,.,1燃烧噪声的产生机理关于燃烧噪声产生的机理，一般认为有两个原因，即燃烧气体的动力载荷与高频振动。1）气体动力载荷各种研究表明，燃烧噪声主要是在速燃期内产生的。当气缸压力急剧增加时，燃室壁面及活塞、曲轴等相关零部件受到强烈的动力载荷，其性质相当于敲击。由于柴油机结构是一个相当复杂的多体振动系统，各零件的自振频率不同，大多处于中高频范围（8004000Hz），经此系统传播并向外辐射的燃烧噪声的频率也就处于中高频范围内，这对人的感觉是最不愉快的频段。2）气体高频振动燃烧引起缸内压力的急剧变化，这种压力波在燃烧室内以当地音速往复传播形成气体的高频振动，其频率取决于燃烧室尺寸和当地音速。柴油机中尖锐的高声调噪声，就是由气体的高频振动产生的。燃烧噪声的强弱用声压级LP（量纲为分贝，dB）来表示；为分析噪声的性质和来源，频谱曲线也是常用的一种评价方法。,.,2影响因素柴油机燃烧噪声的大小主要与压力升高率、最高燃烧压力、压力升高比（最高燃烧压力与压缩终点压力之比）、以及零部件自振频率有关，其中压力升高率的影响最大。为保证柴油机稳静运转，应控制dp/d0.5MPa/（）时，会出现强烈的噪声甚至敲缸声，运动零部件受到严重冲击载荷，寿命下降；在示功图上可观察到如图7-6所示的“锯齿波”，这种现象称为柴油机粗爆燃烧（或称柴油机敲缸）。图7-6中还给出了柴油机粗暴燃烧与汽油机爆震的对比。,.,喷油提前角对燃烧噪声有明显影响。如图7-7所示，随喷油提前角增大，着火落后期因平均温度下降而变长，加上燃烧始点提前，使得dp/d、pz以及压力升高比入都随之上升，导致噪声增大。,.,燃烧方式不同，也会使燃烧噪声的强弱和音频特性不同。一般球形（包括斜置圆桶形）燃烧室最低，直喷式燃烧室最高，分隔式燃烧室显著低于后者而略高于前者。图7-8给出了不同燃烧室的柴油机噪声频谱比较，由于球形燃烧室的初期燃烧放热速率较低，使压力升高率明显低于直喷式燃烧室，因而噪声可以显著降低，而且在中高频段的噪声降低的较多。冷起动和怠速时，由于缸内温度较低，着火落后期延长，导致压力升高率增大，因而使燃烧噪声增大，一般称为怠速敲缸。,.,3降低燃烧噪声的措施由于燃烧噪声的主要原因是压力升高率过大，而压力升高率又主要取决于着火落后期内形成的可燃混合气数量，因此降低燃烧噪声的主要途径如下。1）缩短着火落后期例如选用十六烷值高的燃料，在燃烧室内造成着火热区等。2）减小着火落后期内的喷油量最常用的方法是降低初期喷油速率，近年来开发成功的预喷射方法（Pilotlnjection）以及靴型喷油规律是控制燃烧噪声的有效措施。3）减少着火落后期内形成的可燃混合气数量将大部分燃料喷到燃烧室壁上，只有很少部分喷到热空气中，形成少量可燃混合气首先着火，以使初期放热率较小，这就是油膜蒸发混合燃烧所采用的方法。4）减小喷油提前角以减低压力升高率，其机理如前所述。5）提高冷却水温度和进气温度冷却水温升高30-50，可降低噪声1-2dB，特别是高频段的噪声降低较多。提高进气温度也有同样效果。增压柴油机一般噪声较低与此有密切关系。,.,二燃料的着火性能燃料在无外源点火的情况下能够自行着火的性能称为自燃性。对柴油机来说，自燃性是最重要的性能之一。燃料的自燃性与其分子中的C原子多少有直接关系，C原子越多，化学稳定性越差，越容易进行断链反应，即越易自燃。对不同烃类来说，按正烃、异烃、环烃、芳香烃的顺序，自燃性依次减低。评价柴油和各种燃料的自燃性的指标是十六烷值。十六烷值的评定是用两种标准燃料进行的，一种是正十六烷，自燃性很好，其十六烷值定义为100；另一种是-甲基萘，自燃性很差，其十六烷值定义为0。在标准的可变压缩比的专用试验机上，分别测取待试柴油和上述两种标准燃料混合成的参比燃料的着火落后期，当两者的着火落后期相同时，参比燃料中正十六烷的容积百分比，即为待测柴油的十六烷值。,.,十六烷值高的柴油，其自燃温度低，滞燃期短，有利于发动机的冷起动，适合于高速柴油机使用。但十六烷值过高的柴油，在燃烧过程中容易裂解，产生排气黑烟。一般十六烷值大于50时，对滞燃期的影响已不明显；大于65以后，易分解而冒黑烟，并使燃油耗率上升。国外也经常使用十六烷指数，其值是根据燃料的密度和50馏出温度直接计算得到的，不用经发动机试验，可作为十六烷值替代评价指标。实际上，燃料的十六烷值与辛烷值是相逆的评价指标。十六烷值是表征自燃性，而辛烷值是表征抗自燃性，两者的大致关系可由下式表示：辛烷值1202十六烷值,.,第四节柴油机冷起动及其燃烧柴油机的冷起动特性明显劣于汽油机，这在实际使用中带来了诸多不便。冷起动特性一直是柴油机的重要特性之一。本节主要从着火燃烧的角度讨论柴油机的冷起动问题。一柴油机冷起动困难的原因对一般柴油机而言，不加特殊的冷起动措施（例如电热塞、起动液、进气空气预热等），大致可在105的环境下顺利起动，但在更低的环境温度下，冷起动将遇到困难。柴油机冷起动困难的原因主要有以下几点。1压缩终点温度过低柴油机自燃着火的条件是，压缩终点温度应高于柴油自燃温度。表73给出了在不同压力的空气中柴油的自燃温度。随压力的下降，为保证着火所需的自燃温度升高。一般起动时压缩终点压力为1.5MPa2.5MPa，相应的着火温度为200210。但这是起动时的平均温度，实际压缩终了的最低峰值温度Tmin=340345。,.,在冷起动时，由于活塞与气缸的间隙较大，且缺少润滑油的辅助密封，引起压缩过程中漏气量增加；气缸及燃室壁面温度低，引起传热损失增大；上述原因造成压缩终点的温度及压力同时下降。压缩终点温度取决于环境温度、起动转速和燃烧室结构。图79给出了环境温度和起动转速的影响，特别是在起动转速小于2000r/min时，环境温度对压缩终点温度的影响十分显著。不同燃烧室结构的柴油机，其冷起动特性不同。非直喷式柴油机的燃烧室比表面积大