汽车发动机原理汽油机混合气形成和燃烧PPT课件

1、汽油机与柴油机相比主要有如下特点: 汽油机 柴油机1 点燃式。 压燃式。2 i影响小。 i影响大。3 进入气缸的是混合气， 进入气缸的是新鲜空气， 混合时间长。 混合时间短。4 最高温度高，热负荷大。 最高压力高，机械负荷大。5 压缩比低， = 610。 压缩比高， = 1222。6 有爆燃问题。 有工作粗暴问题。7 组织气流运动的目的是为了 组织气流运动的目的是为了 加速火焰传播，防止爆燃。 进燃油与空气更好地混合。第1页/共65页第2页/共65页5.1 汽油机混合气的形成第3页/共65页5.1 汽油机混合气的形成第4页/共65页5.1 汽油机混合气的形成第5页/共65页一、混合气形成过程(

2、 (一) )化油器式1. 喉口流速 P 雾化效果 2. 节气门开度 喉口真空度 , 进气管真空度 从 到 3. 节气门开度一定, n , 4. 节气门开度 ，n 蒸发性 5. 进气温度 蒸发性 n pipppnippninp pi pn5.1 汽油机混合气的形成第6页/共65页二、理想化油器特性与供油系校正（一） 理想化油器特性 各种工况下满足最佳性能要求的理想混合比 试验结果。1 影响因素（1） 转速n 影响较小。（2） 负荷 影响大。2 空燃比 A F/空气质量燃料质量5.1 汽油机混合气的形成第7页/共65页 经济混合气 A / F = 17 功率混合气 A / F = 1214 怠速混

3、合气 A / F = 1012.4（1） 常用工况 中等负荷要求提供经济混合气。（2） 负荷 90% 以及怠速, 低速下 加浓。5.1 汽油机混合气的形成第8页/共65页（二）汽油喷射1. 化油器式发动机的不足之处:（1） 部分负荷时节流损失大（2） 不可能在各种工况下均提供最佳混合比（3） 对大气条件和环境适应性差（4） 仅提供均质混合气（5） 油膜流动 各缸混合气分配不均匀5.1 汽油机混合气的形成第9页/共65页 2.汽油喷射系统的优点 汽油喷射系统油量计量与控制的精度高 供油系统雾化质量好，改善了燃烧过程 电控技术的应用有利于改善瞬态响应性能 多点顺序喷射，改善了各缸分配的均匀性 取消

4、了化油器喉管，提高了充气效率 5.1 汽油机混合气的形成第10页/共65页 3. 分类（1） 缸内喷射 喷嘴开启压力35 Mpa 进气过程上止之后3050 开始喷油。 压缩冲程上止点 停止喷油。 喷油持续近2冲程 火花点火, 火焰传播。5.1 汽油机混合气的形成第11页/共65页 （2） 进气管内喷射（1） 单点喷射 大喷咀位于节气门之前的化油器位置, 安装空气计量装置和电子控制喷油装置, 可以克服14的不足, 但5仍存在。（2） 多点喷射 小喷咀安装于各个进气歧管之中, 可克服15的不足, 但结构复杂, 成本高。5.1 汽油机混合气的形成第12页/共65页第二节 汽油机的燃烧过程第13页/共

5、65页 电火花点燃均匀的可燃混合气, 形成火焰中心, 并且火焰从此中心按一定的速率 （一般为2060 m/s ） 连续地传播到整个燃烧室空间, 在此期间火焰传播速率, 火焰前锋形状均没有急剧的变化, 称之为正常燃烧。1.燃烧过程的分段 正常燃烧分三个阶段。一、汽油机的正常燃烧5.2 汽油机的燃烧过程第14页/共65页I 滞燃期 II 急燃期第II阶段23称为急燃期（明显燃烧期）这一阶段为燃烧过程的主要阶段。 在此时间内, 火焰迅速传遍整个燃烧室, 混合气的绝大部分在此时期内完成燃烧 （ 80%以上 ），燃料的热能绝大部分在此时间内放出 。缸内压力、温度迅速升高, dp/d=0.20.4MPa/

6、(CA代表工作粗暴的程度, 它与火焰传播速率有关。 。 工作粗暴，噪声。 但 不正常燃烧趋势。 气流运动 所以, 在汽油机中, 火焰传播速率是一个重要参数, 它直接影响不正常燃烧的抑制, 从而影响发动机的功率、效率和使用寿命。pusppmaxpususIII34称补燃期（后燃期）3点 燃料基本燃烧完的4点。 3点过后, 燃烧速度下降, 活塞下行, 使p, 在3点过后的燃烧主要为：1 在火焰传播期火焰前锋面没有燃烧掉的燃料继续燃烧。2 粘附在缸壁上的混合气层继续燃烧。3 由于汽油机燃烧温度高, 高温分解严重。产生的, , CO, 在补燃期内, 由于温度降低, 重新燃烧生成,， , 放出热量。 第

7、15页/共65页 2.燃烧速度 定义:指单位时间内燃烧的混合气数量。 式中： m混合气的质量； AT火焰前锋面积； T未燃混合气密度； UT火焰传播速度。TTTAUtmdd5.2 汽油机的燃烧过程第16页/共65页燃烧速度影响因素v火焰速度UT 气体的紊流运动气体的紊流运动 混合气成分混合气成分 混合气初始温度混合气初始温度 n 火焰前锋面积AT n 可燃混合气密度T 5.2 汽油机的燃烧过程第17页/共65页5.2 汽油机的燃烧过程第18页/共65页 3.不规则燃烧 1）循环间的燃烧变动 产生原因： 气体运动的循环变动 混合气成分的变动，主要与点火过程（滞燃期）有关。 2）各缸间的燃烧差异5

8、.2 汽油机的燃烧过程第19页/共65页 二、汽油机的不正常燃烧 不正常燃烧 注意：爆燃和表面点火产生机理的差异、影响因素爆爆 燃燃表面点火表面点火 续 走5.2 汽油机的燃烧过程第20页/共65页 （一） 爆燃 1 爆燃现象： 根据对发动机理想循环的分析, 我们知道 。但, 则爆震倾向 , 限制了 的提高。t5.2 汽油机的燃烧过程第21页/共65页 2 产生的原因 终端混合气自燃 电火花点火后, 火焰以正常的传播速度20 60 m 向前推进, 未燃混合气受到强烈的压缩和热幅射。处于最后燃烧位置上的那部分终燃混合气（ End gas ）, 由于热幅射作用, 促使先期反应加速进行, 并放出部分

9、热量, 又使本身的温度不断升高, 以致在正常火焰尚未到达时, 终端混合气最适于发火的部位已经形成了一个或几个火焰中心。以远大于正常燃烧火焰前锋面推进的速度向周围传播。因此，因此， 轻微爆燃 = 100 300 m/s 强烈爆燃 = 800 2000 m/s 若自燃区占整个燃烧室容积的5%, 则为强烈爆燃。5.2 汽油机的燃烧过程第22页/共65页 3. 示功图的比较 （1） 正常燃烧与爆震燃烧的比较5.2 汽油机的燃烧过程第23页/共65页 汽油机的爆燃现象就是终端混合气的自燃现象, 它与柴油机的工作粗暴性, 在燃烧本质上是一致的, 均是可燃混合气自燃的结果。但两者发生的部位不一致。 柴油机工

10、作粗暴 发生在急燃期的始点, 汽油机的爆燃是 发生在急燃期的终点5.2 汽油机的燃烧过程第24页/共65页4. 造成的危害 爆燃出现后, 使正常规则的火焰前锋面发生急骤的扭曲。（1） 压力脉冲噪声：压力脉冲在气缸壁面、活塞顶面及缸盖底面之间来回反射, 强迫气缸壁等零件振动而产生高频噪声, 其频率在5000 Hz 以上。 零件寿命 爆燃使缸内压力增加, 活塞, 气缸壁, 气缸盖等各零件机械荷 , 若爆燃时间长, 则零件寿命 。 压力脉冲破坏了壁面上的层流边界层。 但层流边界层被破坏, 使导热量, 则 热应力 零件寿命 ；热损失 热效率 ； 冷却水, 机油温度 润滑 零件磨损5.2 汽油机的燃烧过

11、程第25页/共65页（2） 高温分解 按提高循环热效率的热力学观点看, 爆燃接近于等容燃烧, 热利用好, 是人们所希望的, 事实上也是如此, 当轻微爆燃, 发动机的热效率可以有所提高, 平均有效压力亦有所增长。 但在强烈爆燃时, 会使局部温度, 出现高温分解, 生成CO, H2 , O2 , NO等, 严重时析出游离炭粒，这就是爆震时可能排气冒烟的原因。使油耗, 且热效率反而会下降。产生出的炭粒又会形成累积, 破坏活塞, 活塞环, 火花塞和气阀的正常工作。爆燃还会促使表面点火的发生。5.2 汽油机的燃烧过程第26页/共65页5影响爆燃的因素5.2 汽油机的燃烧过程第27页/共65页 由于上述原

12、因，由于上述原因，爆燃爆燃成为限制火花点火成为限制火花点火发动机发动机功率提高和经济性改善功率提高和经济性改善的一个重要因素。的一个重要因素。 如果没有爆燃，汽油机就可以方便地应用如果没有爆燃，汽油机就可以方便地应用高压缩比或涡轮增压高压缩比或涡轮增压的方法来提高功率和改善的方法来提高功率和改善经济性。因此，长期以来，改进汽油炼制方法，经济性。因此，长期以来，改进汽油炼制方法，在汽油中在汽油中加入辛烷值高加入辛烷值高的含氧化合物以的含氧化合物以增加其增加其抗爆性能抗爆性能，不断改进，不断改进燃烧系统和进气系统燃烧系统和进气系统以减以减少爆燃倾向，少爆燃倾向，采用电控汽油喷射、汽油机缸内采用电控

13、汽油喷射、汽油机缸内直接喷射直接喷射等，已成为提高汽油机性能的一个重等，已成为提高汽油机性能的一个重要方面。要方面。5.2 汽油机的燃烧过程第28页/共65页 （二） 表面点火 在火花点火式发动机中, 凡是不依靠电火花点火, 而是由于炽热表面 （ 如过热的绝缘体电极、排气阀, 尤其是燃烧室表面炽热的沉积物 ） 点燃混合气的不正常燃烧现象, 均称为表面点火或炽热点火。 5.2 汽油机的燃烧过程第29页/共65页表面点火大致可分和两种。5.2 汽油机的燃烧过程第30页/共65页1 非爆燃性表面点火（1） 后火 在火花塞点燃混合气以后, 炽热表面才点燃混合气的现象。形成火焰中心, 但火焰传播速度正常

14、, 虽有时可使补燃 , 但影响不大。（2） 早火 发生在火花塞点火以前, 火焰传播速度很高, ， （ 颇似柴油机工作粗暴 ）。早火太早, 则使压缩末期负功增大, 热效率 , 功率损失 , 功率 。 单缸早火, 往往会导致停车。多缸早火, 会使Ne , 工作粗暴, 寿命 。dp dpmax5.2 汽油机的燃烧过程第31页/共65页2 爆燃性表面点火 （ 激爆 ） 试验指出，此时压力升高比为正常燃烧的5倍，最高燃烧压力为正常燃烧的15倍，气缸内的高温、高压又促使强烈爆燃的产生，发生强烈的震音。5.2 汽油机的燃烧过程第32页/共65页总 结 表面点火和爆燃是两种完全不同的不正常燃烧现象，爆燃是在电

15、火花点火以后，终燃混合气的自燃现象，而表面点火则是炽热物点燃混合气所致。但两者存在着某种相互促进的关系。强烈的爆燃必然增加向气缸壁的传热，从而促成炽热点的形成，导致表面点火；早火又使气缸压力升高比和最高燃烧压力增加，使未燃混合气受到较大的压缩和传热，从而促使爆燃发生。5.2 汽油机的燃烧过程第33页/共65页1.混合气浓度1 )对 的影响（1） 不同燃料 不同曲线曲线1 加铅芳香族， 抗爆性好， 长。曲线2 加铅烷族，抗爆性较好， 较长。曲线3 正庚烷，抗爆性差， 短。（2） 同一种燃料 一条曲线 ， 三 使用因素对燃烧过程的影响iiiii5.2 汽油机的燃烧过程第34页/共65页这是不同 下

16、的最佳示功图。 1 = 0.84；2 = 0.65； 3 = 1.01； 4 = 1.18。可以看出， = 0.84的示功图曲线下的面最大。 ， 燃烧剧烈程度 爆燃趋势。2) 对示功图的影响3) 对火焰传播速度的影响= 0.850.95 ； ， us,maxus5.2 汽油机的燃烧过程第35页/共65页 4） 值的范围 = 0.40.5 冷起动混合气； = 0.850.95 功率混合气； = 1.051.15 经济混合气。5.2 汽油机的燃烧过程第36页/共65页 2点火提前角1 1, 较大。这时, 点火提前较多。Pmax出现在上止点附近。压缩负功 损失 t 压缩负功 损失 单缸汽油机易熄火。

17、 初期放热 dp/dt Pmax 零件机械负荷。 由于此时缸内p, T较高, 使其终端混合气较为具备着火条件, 到一定程度时, 爆燃出现, 所以, 爆燃趋势。2 2, 较小。点火提前少。Pmax值出现较晚。 dp/dt Pmax Ne 膨胀功损失 t 补燃 t ，热负荷，排放差。 所以, 有一最佳 值。3 3 ，合适。 实践证明, 当 = 1215， 时, 出现在上止点后 = 1215 时，p图曲线下的面积最大，有用功最多。d pdMpaCA ( . .)/deg007024第37页/共65页 点火提前角调速特性：保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，汽油机功率和燃油消耗率随点火提前角改变

18、而变化的关系。5.2 汽油机的燃烧过程第38页/共65页 3转速1 . n 紊流 混合气混合好 i 散热 Tc、Pc i n 易吹散已形成的火焰中心 i 2. n 离心式点火提前角调节装置使 。3 . n 紊流强度 s 爆燃趋势。5.2 汽油机的燃烧过程第39页/共65页 （四） 负荷 1负荷 节气门开度 进入气缸的混合气 废气的比例相对 每循环时间 传热损失 （必须） 2负荷 缸内p，T 爆燃趋势。 （五） 大气状况 1 P0 G 经济性，动力性。 但爆燃趋势。 2 T0 G 经济性，动力性。 易发生气阻。 爆燃趋势 。i5.2 汽油机的燃烧过程第40页/共65页第三节 汽油机的燃烧室第41

19、页/共65页 结构尽量紧凑 火花塞位置适当 燃烧室形状合理分布 具有高的充气效率 形成适当的紊流运动 末端混合气要适当的冷却燃烧室设计原则5.3 汽油机的燃烧室第42页/共65页 一 、分类 按气门布置分类 （一） 顶置 楔型、半球型、浴盆型 结构紧凑，面容比小，火焰传播距离短, 不易爆燃, 但结构较复杂。 （二） 侧置 L型 结构简单, 易维修保养, 但火焰传播距离长, 易爆燃, 故压缩比小。5.3 汽油机的燃烧室第43页/共65页 二、 常用典型燃烧室 （一） L型 里卡多 （ Ricardo ） 公司研制，在老解放车上及某些风冷汽油机上应用。5.3 汽油机的燃烧室第44页/共65页 （二

20、） 楔型 应用较多，性能稳定。 燃烧室侧剖面为楔型。安排激冷区，防止爆燃。燃烧速度高，但噪声、振动大，工作易粗暴。5.3 汽油机的燃烧室第45页/共65页 （三） 倒盆型 （ 浴盆型 ） 性能稳定，应用较多。 挤气面积不能小于30%。5.3 汽油机的燃烧室第46页/共65页（四） 半球型或蓬型1 半球型 应用于高速汽油机中。 流动阻力小，面容比小，散热损失少。激冷区小，HC排放低。5.3 汽油机的燃烧室第47页/共65页 2 蓬型 比半球型高度低。 气流运动强，高速性能更好。可安排四气门机构，充气效率更高。压缩比、空燃比大， = 713，A/F = 1622.5，可实现稀薄燃烧。5.3 汽油机的燃烧室第48页/共65页5.3 汽油机的燃烧室第49页/共65页 三、 采用均质混合气的燃烧室 （一） 射流型 天津大学刘友均教授研制。 挤气面积大, 方可实现强射流, 促使主室内紊流增强。着火后, 混合气和火焰从射流孔