内燃机学课件第五章1涂德浴.ppt

1、,第五章 内燃机混合气的形成和燃烧,第一节 内燃机缸内的气体流动 第二节 点燃式内燃机的燃烧 第三节 点燃式内燃机的燃烧室 第四节 压燃式内燃机的燃烧 第五节 压燃式内燃机的燃烧室,本章重点内容：,（1）进气涡流 （2）点燃式内燃机的燃烧过程 （3）火焰传播速率和燃烧速率 （4）不同工况下燃烧过程的特点 （5）压燃式内燃机的燃烧过程,内燃机缸内空气运动的作用： 1、对混合气形成和燃烧过程有决定性作用，影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气排放。 2、良好的缸内空气运动可以提高汽油机火焰传播速率、降低燃烧循环变动，适应稀燃或层燃过程； 3、合适的缸内空气运动可以加快柴油机燃油空气混合速

2、率，提高燃烧速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合。 因此，深入了解内燃机缸内空气运动对燃烧过程的影响和作用，对于组织良好的燃烧过程，开发具有高性能和低污染的发动机具有重要意义。 内燃机缸内空气运动的形式； 基本上分为四大类-涡流、挤流、滚流和湍流,第一节 内燃机缸内的气体流动,内燃机缸内 气体运动方式,涡流,挤流,滚流,湍流,定义：在进气过程中形成的，绕气缸轴线有组织的气流运动，称为进气涡流。其大小由进气道形状和发动机转速决定。 进气涡流的进程及特点： 在压缩过程逐渐衰减（因气流内摩擦、气流与缸壁摩擦），一般在压缩终了时，约有1/41/3的初始动量矩损失掉。 接近于上止点时，活塞顶部凹坑内

3、的切线速度有所增加（因大量空气被压入顶部燃烧室内）。 可以持续到燃烧膨胀过程。 进气结束时缸内气流旋流速度分布： 小于某一半径时，速度呈刚体流分布-即半径增加，切线速度增大； 超过这一半径时，速度呈势流分布-即半径的增加，切线速度减小（可以认为是缸壁摩擦造成）； 当活塞接近于上止点时，刚体流体明显增强，势流运动明显减弱，可以认为此时燃烧室凹坑内的旋流运动为刚体流。,一、涡流,1、进气涡流,在柴油机上，进气涡流主要用于增强喷油油束与空气的混合，提高燃油与空气混合速率，这有助于柴油机的快速燃烧。 在汽油机上，进气涡流主要用于增加火焰传播速率，实现快速燃烧。 进气涡流的大小由进气道形状和发动机转速决

4、定。,2、进气涡流 的产生方法,采用带导气屏 的进气门,切向气道,螺旋气道,(1) 采用带导气屏的进气门,图51a 强制空气从导气屏的前面流出, 依靠气缸壁面约束，产生旋转气流。由图52b可知，由于导气屏的存在，使在导气屏占据的气门周长范围内气流不进入气缸，增大了导气屏对面的气流速度，从而形成对气缸中心O的动量矩。,带导气屏进气门出口速度分布特点 图b是气门出口速度分布示意图（图a是平直无旋气道气门出口速度分布-均匀分布），其特点： a、 导气屏占据的气门周长范围内气流不进入气缸，增大了导气屏对面的气流速度，形成对气缸中心O的动量矩。 b、改变导气屏包角和导气屏安装角a（OO导气屏对称中心线与

5、气缸轴线的夹角），均可改变涡流强度。 c、可以形成较强的涡流（在a角90与270附近调整，可得到 转向相反的两股涡流）。 d、试验时调整方便，常在单缸机使用，为新气道设计提供数据,导气屏 进气门,1)由于导气屏减小气流流通截面，流动不对称，使流动阻力增加，充量系数降低。 2)由于气门上有导气屏，为保证工作时气流的旋转方向和强度，进气门必须有导向装置，以防工作时转动，这都使结构复杂，制造成本增加。 3)气门盘刚度不均匀，变形大，气门在工作时又不能转动，使气门容易偏磨，对气门密封不利。,导气屏缺点,切向气道形状比较平直，在气门座前强烈收缩，引导气流以单边切线方向进入气缸，从而造成气门口速度分布的不

6、均匀。它相当于在平直无旋气道速度分布的基础上，增加个沿切向气道方向的速度 (图5-2c)。 切向进气道结构简单，在对进气涡流要求低时，流动阻力不大，但当对涡流要求高时，由于气门口速度分布过于不均匀，气门流通面积实际上得不到充分利用，气道阻力将很快增加，因此切向气道适用于要求进气涡流强度不高的发动机上。 切向气道对气口的位置较敏感，泥芯误差对气道的质量影响较大。,(2) 切向气道(图51b),特点 在气门座上方的气门腔内做成螺旋形，使气流在螺旋气道内就形成定强度的旋转，其气门口处气流的情况相当于在平直气道出口速度分布的基础上，增加个切向速度，合成后的速度图(图52d)是一个对称图形。 除了螺旋气

7、道本身形成的动量矩外，速度分布图对气缸中心不再形成动量矩了，这种气道称为纯螺旋气道。,（3）螺旋气道 (图51c),事实上，由于在气缸盖上布置气道时，螺旋室高度值不能很大，气流流入气缸时必然会含有一部分切向气流的成分，因此实际使用的螺旋气道中的空气旋转运动均由两部分组成。 缺点：采用强涡流螺旋气道燃烧室的性能与气道质量的关系极为密切，因此就大大提高了对铸造工艺和加工的要求，例如对气道泥芯的变形、定位、气道出口和气门座圈的同心度等必须严格控制。,为了增加进气充量，气道的流动阻力越小越好； 气道的质量指标主要有流动阻力和涡流强度； 希望在尽可能小的阻力下有足够的涡流强度。,3气道的评定方法,为使不

8、同形状和尺寸气道的流动特性具有对比性，采用无量纲流量系数评价不同气门升程下气道的阻力特性或流通能力，用无量纲涡流数评价不同气门行程下气道形成涡流的能力。,在稳流气道试验台(图53)上评定涡流强度的方法：一般采用叶片风速仪测量模拟气缸内涡流的转速或用角动量矩直接测出涡流的角动量，气体流量用流量计测定。测量方法一般采用定压差法，在不同的气门升程下测量叶片的转速和气体流量。,Q为试验测得的 实际空气流量,A为气门座内截面面积,无量纲流量系数定义 为流过气门座 的实际空气流量 与理论空气流量之比,dv为气门座内径,n为进气门数目,0为理论进气速度,为进气道压力降，一般取2.5kPa,为气门座处气体的密

9、度(kgm3),Ricardo方法,D为缸径,0为理论 进气速度,Ricardo无量纲涡流数NR为:,为叶片旋转 角速度,e为发动机旋转 角速度,Ricardo涡流比 为,二、挤流,定义（形成）：在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。 挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。 挤流在汽油机上得到了广泛的应用，汽油机紧凑型燃烧室都利用较强的挤流运动，以增强燃烧室内的湍流强度，促进混合气快速燃烧。 当活塞下行时，燃烧室中的气体向外流到环形空间，产生膨胀流动，称为逆挤流。 逆挤流在柴油机上有助于将燃烧室内的混合气流出，使其进一步和气

10、缸内的空气混合燃烧，对改善燃烧和降低排放十分有利。 缩口形燃烧室就是充分利用了较强的挤流和逆挤流。,另外，在压缩过程中，形成的有组织空气旋转运动，称为压缩涡流。如在涡流室柴油机的压缩过程中，气缸内空气通过通道被压入涡流室中，形成有组织的旋流运动，这种压缩涡流可促进喷入涡流室中的燃料与空气的混合，涡流大小由涡流室形状、通道尺寸、位置和角度决定。,缩口型燃烧室,三、滚流和横轴涡流,在进气过程中形成的，绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流，称为滚流或横轴涡流。滚流较适宜于在四气门汽油机上使用，滚流在压缩过程中其动量衰减较少。当活塞接近于上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡，使湍流强度和湍流动能

11、增加，大大提高火焰传播速率，改善发动机性能(图54)。,滚流适合在四气门汽油机上使用，在两个进气道的一个进气道中安装旋流控制阀，改变旋流控制阀开度，可形成不同角度的斜向旋流（由进气涡流和滚流两部分组成）。滚流近几年来，获得了广泛的应用，特别是在缸内直喷汽油机上，有十分重要地位,滚流气道,缸内滚流的发展,在气缸内形成的无规则的气流运动称为湍流。采用统计的方法定义湍流特性参数，在统计定常的湍流场中，某方向上的当地瞬时流速U（t)可以写为,式中， 为平均速度；u(t)为流速的脉动分量。,式中，为时间；t0为起始时间。,湍流强度定义为脉动速度分量的均方根值，即,此外，还使用些长度尺度和时间尺度表征湍流

12、特性，,四、湍流,五、热力混合,直接喷射式燃烧室内的空气运动在压缩上止点附近接近刚体流，即燃烧室中气流切向速度随燃烧室半径的增大而增大，中心部分压力低，外围压力高； 燃烧室内的流体受离心力作用，向外运动；受压差作用，推向燃烧室中心； 对于液体油滴或燃油蒸汽，密度比空气大，离心力起主导作用，呈向外运动趋势；已燃气体密度比空气小，向内推力起主导作用，呈向内运动趋势。 在旋转气流中火焰向燃烧室中心运动，又将部分的新鲜空气挤向外壁，促进空气与未燃燃料混合的作用称为热力混合作用。,第二节 点燃式内燃机的燃烧,火花点火过程十分复杂，至今仍有许多方面还不清楚，图56出示了常规高压线圈点火系统工作时电压与电流

13、的变化情况，图上标明的数据与系统的组成及元器件的参数选择有关，只是说明大致的量级，整个放电过程可以分成三个阶段：,一、点火过程与着火落后期（滞燃期）,1火花点火过程,1高压连接端； 2Al2O3陶瓷绝缘体； 3外壳； 4隔热带； 5导电玻璃密封剂； 6外部卡口垫圈； 7Ni/Cu合金中心电极； 8接地电极,(1) 击穿阶段 火花塞电极在很高的电压(约1015kv)作用下，击穿电极间隙内的混合气，离子流从火花塞的一个电极奔向另一个电极，这时间隙阻抗迅速下降，一个很窄的(直径大约40m)的圆柱状的离子化的气体通道建立起来，电能几乎可以无损失地通过离子流，使它的温度升至60000K，压力上升到几十个

14、MPa，从而产生一个强烈的激波向四周传播，使等离子通道的体积迅速膨胀(约膨胀到直径2mm)，而它的压力、温度迅速下降，这一阶段称为击穿阶段。这时，通过火花塞间隙的峰值电流高达200A，但整个击穿阶段的时间很短，约10ns。,(2) 电弧阶段 击穿阶段的末期造成了电极间的电流通道，因此电弧放电的电压较低(50l00v)，但电流仍很高，与击穿阶段的电极间电流通道内的气体完全离解或离子化相反，在电弧阶段放电带的中心部分的离解程度仍很高，但离子化程度比较低(约1)。在阴极和阳极上的电压降是电弧放电电压降的主要部分。电能储存在这些电极的表层区域，由金属电极导走，这是电弧总能量的个重要部分。此外，电弧要求

15、有灼热的阴极，因此就造成了阴极材料的蒸发蚀损(由于击穿阶段末期等离子体体积膨胀、体外的热交换和扩散作用增强，使电弧中心区温度下降到6000K)，一般认为，在电弧阶段火焰传播开始发生。,(3) 辉光放电阶段 辉光放电阶段的特征是电流低于200mA。在阴极上有大的电压降(300500V)，且温度较高，离子化程度很低(低于0.01)，点火系统和储能装置(如点火线圈)的设计细节将决定这一阶段的进程，绝大部分的点火能量在此时放出，但能量损失比电弧阶段更大，气体的最高平衡温度下降到3000K。 在发动机运行条件下，对静止的具有化学计量比的混合气点火能量只需要0.2mJ。对于较稀或较浓的混合气，以及电极处混

16、合气有较高流速时，需要点火能量为3mJ，但为能使发动机在各种上况下都能可靠点火，常规点火系统供给的能量一般为3050mJ。,要准确定义点燃式内燃机的滞燃期比较困难，因为点火瞬间即开始火焰传播，因此可以说几乎没有滞燃期。目前所指的滞燃期一般用以下三种方法定义： 1) 从火花点火至气缸内压力明显脱离压缩线时的时间或曲轴转角。 2) 火花点火开始后观察气缸内的火焰传播至某一设定的小的半径时所需的时间。 为试验方便，一般先求出火焰半径与时间的关系曲线，用外推法求出所设定的小半径的相应时间。 3) 从火花点火开始直到气缸内10的燃料燃烧完了的时间或曲轴转角(又名火馅发展角)。 应当指出的足，以上三种方法

17、测出的滞燃期在数值上差别较大，在使用时应指明采用何种定义的滞燃期。,2滞燃期,二、点燃式内燃机中的正常燃烧,(一) 定容燃烧弹中的燃烧 (二)点燃式发动机的燃烧过程 (三)燃烧过程按已燃质量分量划分 (四)火焰传播率中和燃烧速率 (五)利用示功图获取的燃烧特征参数 (六) 着火界限 (七) 不同工况下燃烧过程的特点 (八) 燃烧的循环变动,(一) 定容燃烧弹中的燃烧,可燃混合气在定容燃烧弹中的燃烧与汽油机的燃烧比较接近。在图57上把定容燃烧弹分成相等的四部分，其中包含等量的可燃混合气(图57a)，其状态为( p0 ，T0 )。当第一部分燃烧以后，压力温度升高，压缩其余未燃部分，区域1的温度从

18、T0 上升到了 T1，其余部分由于压缩与传热的影响，温度与压力也有所提高(图57b)。当区域2开始燃烧时，该部分的混合气是在比始压 p0 、始温T0 较高的压力温度下燃烧的。燃烧时，这部分气体要膨胀，进而压缩已燃烧气体1和未燃烧气体3和4，使它们的压力温度再升高，然后依次燃烧3和4部分的混合气。,由上述物理模型以得出以下结论,1) 火焰沿燃烧室不断传播，相继投入燃烧的各层混合气，将比前一层混合气有更高的密度，因此在图57所示等截面燃烧室内，燃烧速率也是不相等的。,2) 由于各部分混合气在投入燃烧前的状态不同，燃烧后受压缩的情况也不同，因而最终使燃烧室内各处的燃气温度不相等，靠近火花塞的那部分混

19、合气，最先在较低的温度下燃烧，在低压下膨胀，最后在高压下回到原来的体积，这部分气体除获得燃烧的化学能外，还获得压缩功，因而最终温度较高。相反，最后燃烧的那部分混合气，要损失一部分功，因而温度较低，两者相差可达数百度。这也可以说明，用高速摄影记录燃烧过程(在火焰传播接近终点)时，火花塞附近又发生所谓“后辉”现象的原因。,3) 由于燃烧室内火焰传播所引起的压缩一膨胀作用，即使在气流静止的燃烧室内也会引起气流的运动，而且燃烧初期的运动方向与燃烧末期是相反的。这将使火焰传播速度产生先加速后减速的倾向。此外，由于远离火焰中心的混合气所受压缩与传热时间最长，在火焰前锋到达前，先期反应已有较大的发展，因而火

20、焰前锋的速度越来越大，但在接近缸壁时，由于缸壁的冷却作用而变慢。,(二) 点燃式发动机的燃烧过程,I 着火阶段,II 急燃期,III 后燃期,第I阶段称为着火阶段，是指电火花跳火到形成火焰中心的阶段。电火花在上止点前角跳火以后，混合气中并不立即产生火焰。高速摄影表明，在1点亮后，到2点再亮，这段时间约占整个燃烧时间的15左右，但一般是按气缸压力开始与压缩压力相分离的2点计算的，2点与2点相差甚微，它与底片的感光性能及测压仪器的灵敏度有关。,第II阶段23称为急燃期，是指火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段，因此也可称为火焰传播阶段。在这一阶段内，压力升高很快，压力升高率为 dp/d=0.20.4

21、MPa/()（CA） 一般用压力升高率代表发动机工作粗暴的程度。振动和噪声水平、火焰传播速率与压力升高率密切相关，因此火焰传播速率高的可燃混合气均促使压力升高率增加，同样火花塞位置、燃烧室型式对压力升高率也有影响。 急燃期终点一般为最高压力点3或最高温度点3(有时3和3点重合)；当然，若取放热率骤然下降的时刻作为急燃期终点则更为合理。 最高燃烧压力点3到达的时刻，对发动机的功率、经济性有重大影响。如3点到达过早，则混合气必然过早点燃，从而引起压缩过程负功的增加，压力升高率增加，最高燃烧压力过高。相反，如3点到达过迟，则膨胀比将减小，同时，燃烧高温时期的传热表面积增加，也是不利的。3点的位置可以

22、用点火提前角来调整,第III阶段34称为后燃期，它相当于急燃期终点3至燃料基本上完全燃烧点4为止。 图上的点3表示燃烧室主要容积已被火焰充满，混合气燃烧速度开始降低，加上活塞向下止点加速移功，使气缸中压力从点3开始下降。在后燃期中主要是湍流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料，以及附在气缸壁面上的混合气层继续燃烧。此外，汽油机燃烧产物中CO2和H2O 的离解现象比柴油机严重，在膨胀过程中温度下降后又部分复合放出热量，一般也作后燃看待。 为了保证汽油机工作柔和、动力性能良好，一般应使点2在上止点前12150 。最高燃烧压力点3在上止点后12150 到达:,(三) 燃烧过程按已燃质量分量划分,图510

23、表示了每循环的已燃质量百分数与曲轴转角的函数曲线。在火花点火以后，燃料-空气混合气的燃烧速率从很低的数值立即在燃烧过程的中途达到最大，然后当燃烧终了时接近于零。利用已燃质最百分数表示燃烧过程各阶段极为方便，并以此可定义发动机燃烧的各个阶段。根据此曲线，目前常用的表征点燃式发动机燃烧过程的特征是：,1) 火焰发展期(或角)，是指从火花点火到燃料化学能释放10之间的曲轴转角间隔期。,2) 快速燃烧期(或角)，指大量工质燃烧所需的曲轴转角间隔。它定义为从火焰扩展阶段(通常指已燃质量百分数达到10)到火焰传播过程终点(通常指已燃质量百分数达到90)之间的曲轴转角间隔期。,3) 总燃烧期(或角)，整个燃

24、烧过程的持续期，它是火焰发展期与快速燃烧期之和。,(四) 火焰传播速率和燃烧速率,1、层流火焰传播速率SL 2、湍流火焰速率ST 3、火焰传播速率Sf,1、层流火焰传播速率SL,层流火焰传播速率定义：火焰前锋（反应区）相对于未燃混合气的相对速率，其表达式为,在实际计算SL（cm/s）时常采用经验关系式,为当量比(化学计量燃空比的倒数)； p为压力(kPa) Tu为火焰前锋面前未燃气体温度(K),2、湍流火焰速率ST,由于缸内存在湍流，大标尺的湍流将使火焰前锋面发生扭曲，除使其面积增大外，还可使火焰前锋分裂成许多燃烧中心，导致湍流火焰速率大大增加；小标尺的湍流也可大大增加焰面中分子与新鲜混合气中

25、的分子的相互渗透，因此也使湍流速率增加(图510)。,定义：FSR=ST/SL，称为火焰（湍/层流）速率比。因此，湍流速率与层流速率存在如下关系 当缸内湍流强度不高时，Mattavi给出了便于计算的经验关系式 式中，n为发动机转速(r/min）。 但在发动机的实际燃烧过程中，火焰传播速率与湍流强度之比的关系并不一定是线性的。 湍流强度不高时，火焰传播速率与湍流强度之间呈线性关系； 湍流增加到一定强度时，火焰传播速率随湍流强度的增加而呈非线性增加趋势； 湍流强度太强，火焰传播速率可能会随湍流强度增加而降低。 在汽油机中，组织适当强度的湍流有助于提高火焰传播速率，对燃烧过程有利；但太强的湍流不仅不

26、利于提高火焰传播速率，反面会使传播中的火焰淬熄。,3、火焰传播速率Sf,定义：火焰前锋相对于燃烧室壁面传播的绝对速率,ST:湍流火焰速率,Se:已燃区膨胀速率,式中，AP、SP分别是已燃区在活塞上的投影面积和活塞运动速度；Vb为已燃区体积；V为汽缸容积；为曲轴角速度。,(五) 着火界限（可燃范围）,当可燃混合气过浓或过稀时，在电火花放电以后，并不能形成火焰中心及产生火焰传播。电火花首先点燃电极间隙内这一体积的可燃混合气，要使它放出的热量大于向四周混合气的散热量，火焰才能传播发展；反之，将自行熄灭。 由于过浓的混合气燃烧不完全、放热量少，过稀混合气的热值低、放出的热量少，因而均不能点火。这两个界

27、限的混合气浓度称为可燃范围或着火界限。 要使混合气正常燃烧，必须保证混合气浓度在可燃范围内。几种燃料的可燃范围大致如下：,各种燃料着火界限的数值是不同的，所有影响可燃混合气初期放热速率和散热速率的因素，都会影响着火界限。例如，可燃混合气初始温度增高，有利于放热速率的提高和散热速率的降低，因此扩大了着火界限。此外，由于残余废气中含有大量的惰性分子（N2、CO2 、水蒸气等），当残余废气系数增加时，着火界限将缩小。,在实际发动机气缸内，由于各处的温度、压力并不完全相同，空气、燃料及残余废气的混合也不一定绝对均匀，因此着火界限比上面列出的范围窄。例如，在火花塞间隙附近的气体，若主要是浓度合适的新鲜可

28、燃混合气，就比较容易着火；着火后，即使其他部分的混合气的废气成分高一些，由于着火后缸内温度、压力均升高，火焰传播也比较容易。相反，如果燃烧室设计不好，在火花塞附近的残余废气不能很好清扫，着火界限就变窄，以致不能着火。现代汽油机在较高负荷且工作正常时的着火界限大致为 ，一般当 时，汽油机工作循环已不稳定，燃油消耗率迅速上升，混合气再稀一些，发动机即自行熄灭。 的数值在汽油机工作中无实际意义上的限制。,（六）利用示功图获得的燃烧特征参数,pmax pmax , Tmax Tmax (dp/d)max， (dQB/d)max 火焰发展期，快速燃烧期及其对应的曲轴转角 放热率曲线面心对应的曲轴转角,(

29、七) 不同工况下燃烧过程的特点,1、点火提前角不同时的燃烧过程 2、混合气浓度不同时的燃烧过程 3、负荷不同时的燃烧过程 4、转速不同时的燃烧过程,1、点火提前角不同时的燃烧过程,影响汽油机最佳点火提前角的因素很多，如转速、过量空气系数、进气压力和温度等，它只能在试验中予以测定。 在汽油机上，保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定，记录功率、燃油消耗率、排气温度随点火提前角的变化，称为汽油机点火提前特性(图512)。 对于发动机每一工况上都存在一最佳点火提前角，这时发动机功率最大，燃油消耗率最低。 已经确定，最佳点火提前角相当于使最高燃烧压力在上止点后120-150 (CA) 时到达，这时实际

30、示功图与理论示功图最为接近(时间损失最小)。 选择最佳点火提前角时，要考虑到发动机的整个运行范围能保证最大功率而无爆燃发生。,2、混合气浓度不同时的燃烧过程,在a=0.80.9时，滞燃期最短，火焰传播的平均速率最高。此外，由于a1的混合气燃烧以后的实际分子变更系数增大以及燃料蒸发量增多，使进气温度下降，充量系数有所增大，因此这时最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高率和功率均达到最大值，但同时由于不完全燃烧，燃油消耗率较高。,在 a=1.031.1时，燃油消耗率达较佳值，这主要是因为气缸内燃料、空气和残余废气不能绝对均匀混合，因而不可能刚好在 a=1时获得完全燃烧。,混合气稍稀时，最高燃烧温度下

31、降，使燃烧产物离解等不良影响减少，有利于提高热效率，但是过稀的混合气使燃烧速率降低，燃烧时间拉长，同样使热效率下降。,3、负荷不同时的燃烧过程,在汽油机上，转速保持不变，通过改变节气门开度来调节进入气缸的混合气量来到达不同的负荷要求。,当节气门关小时，充量系数急剧下降，但留在气缸内的残余废气量不变，使残余废气系数增加，滞燃期增加，火焰传播速率下降，最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高比均下降，冷却水散热损失相对增加，因而燃油消耗率增加。因此，随着负荷的减小，最佳点火提前角要提早(图514)。 在传统汽油机中，采用点火提前真空调节器来自动调整。,4、转速不同时的燃烧过程,当转速增加时，气缸中湍流

32、增加，火焰传播速率大体与转速成正例增加，因而最高爆发压力、压力升高比随转速的变化不大。此外，在转速升高时，由于散热损失减少，进气被加热，使气缸内混合得更均匀，有利于缩短滞燃期。但另一方面，由于残余废气系数增加，气流吹走电火花的倾向增大，又使滞燃期增加。以上两种因素使以秒计的滞燃期与转速的关系不大，但是按曲轴转角计的滞燃期却随转速的增加而增大。因此，在汽油机上均设有点火提前角的离心自动调节装置，使在转速增加时，增大点火提前角。,点火提前角对汽油机的经济性影响较大。据统计，如果点火提前角偏离最佳值5(CA)，热效率下降1；偏离 10(CA) ，热效率下降5；偏离 20(CA) ，热效率下降16。传

33、统的真空和离心调节装置只能随转速、负荷的变化对点火提前角作近似控制；此外，影响最佳点火提前角的因素较多(如大气压力、温度、湿度、缸体温度、燃料辛烷值、空燃比、残余废气系数、排气再循环等)，传统的点火控制装置只考虑了其中的两个因素。,5、点火提前角的控制,为实现点火提前角的精确控制，近年来发展了一种点火时间的电子控制，它大体上分成两类。 一类是计算机开环控制，它是一种预定顺序控制，根据转速传感器和负荷传感器测得的信号，在存储器中预定的特性图上找出对应于该工况的近似最佳点火提前角来控制点火系统点火。预定特性图是事先通过试验得到的近似最佳点火提前角与转速和负荷的三维曲线图或表格，存储在存储器中，若多

34、加几个传感器还可监控更多的参数。,优缺点：响应速度快；不能考虑所有影响因素，若采用多个传感器，则价格较贵，系统的可靠性下降。,另一类是闭环控制，它是一种自适应控制或反馈控制，根据反馈信息确定下一次点火提前角的调节方向。目前作为反馈信息的参数采用转速较多，其调节点火提前角的控制逻辑为：当负荷不变时，改变点火提前角一个步长，则： 点火提前后，转速增加点火再提前 点火提前后，转速下降点火推迟 点火推迟后，转速增加点火再推迟 点火推迟后，转速下降点火提前,优缺点：点火提前角能自动跟踪到最佳值；瞬态响应有待改进,(八)燃烧的循环变动,1、燃烧循环变动现象 2、燃烧循环变动的表征参数 3、产生燃烧循环变动

35、的原因 4、降低燃烧循环变动的措施,燃烧循环变动是点燃式发动机燃烧过程的一大特征。它的定义是，在发动机以其某一工况稳定运行时，这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化，具体表现在压力曲线、火焰传播情况及发动机功率输出均不相同(图514)。,1、燃烧循环变动现象,加剧燃烧循环变动的因素： 稀薄混合气、低负荷、低转速下运转时，循环变动都会加剧,燃烧循环变动的后果,1、转速和输出转矩波动增加：因有些循环燃烧进行得快，有些进行得慢，因而影响发动机的性能，使车辆驱动性能恶化。 2、不能采用低辛烷值汽油和高压缩比：因在燃烧快的循环中，气缸最高爆发压力增加，使爆燃趋势增加。而压缩比和燃料辛烷值是根据最倾

36、向于敲缸的要求确定的。 3、 HC排放及油耗大幅度上升：因在燃烧慢的循环中，可能在排气门开启时混合气还未燃烧完，在稀薄混合气燃烧或怠速工况时更易发生这种现象。 4、点火提前角不能都处在最佳值：因最佳点火提前角是根据平均循环确定的，气缸压力的循环变动，因而会影响发动机性能指标的进一步提高。 改善燃烧循环变动的意义： 消除气缸压力的循环变动，可以降低最高燃烧压力，改善工作粗暴性和燃油经济性，降低发动机排放污染，意义很大。,2、燃烧循环变动的表征参数,表征燃烧循环变动的参数大体上可以分成三类： 1）与气缸压力有关的参数：最高气缸压力pmax及相应的曲轴转角（ pmax）、最大压力升高比dp/d )m

37、ax及相应的曲轴转角（ max）、平均指示压力pmi等。 2）与燃烧速率有关的参数：最大燃烧速率、火焰发展曲轴转角 d、快速燃烧角 b。 3）与火焰前锋位置有关的参数：火焰半径、火焰前锋面积、已燃和未燃容积随时间的变化曲线、火焰到达某一指定位置所需的时间。 实用的度量参数-平均指示压力变动系数CoVpmi (Coefficient of Variation），它是度量燃烧循环变动的一个重要参数。 （因压力参数比较容易测量） CoVpmi是评价燃烧稳定性和车辆驱动性的主要参数，通常不应超过10%,3、产生燃烧循环变动的原因,1) 燃烧过程中气缸内气体运动状况的循环变动 在没有强烈进气涡流的场合，

38、压缩终点附近气缸内气流的湍流强度值可达到和活塞平均速度能比较的大小。由于湍流强度也是作循环变动的，因此在压缩终点火花塞附近和整个气缸内的气流场是作循环变动的 。火花点火后形成的火焰中心的轨迹以及火焰的初始生长速率，均随气流速度的大小和方向改变。同样其后的火焰向整个燃烧室发展的进程，如火焰与壁面的关系、火焰前锋面积的变化以及燃烧速率等，也将受到气流变化的影响。,2) 每循环气缸内的混合气成分(特别是在点火瞬间火花塞附近)，由于空气、燃料、EGR和残余废气之间混合情况的变动而造成燃烧的变动。 由于发动机高速运行，空气、燃料、EGR和残余废气不可能获得充分的混合。在燃烧开始时气缸内必然存在混合气组成

39、上的不均匀，在火花塞电极间隙附近混合气成分的循环变动，会影响早期火焰的发展，特别是影响火焰从层流燃烧阶段到形成稳定火核的过程。,总之，气流速度(平均参数和湍流参数)的变动，空燃比的变动以及空气、燃料和废气混合情况的变动，是造成燃烧循环变动的主要原因。,1) 多点点火有利于减少压力的循环变动。 2) 组织进气涡流能增加燃烧速率，从而达到减少循环变动的目的。 3) 提高发动机转速，在气缸内形成更强烈的湍流也能减少循环变动。 4) 采用化学计量空燃比，由于火焰温度和传播速度比较高，因此压力变动最小。 5) 采用燃油电控喷射技术(特别是多点燃油喷射)可改善循环之间的混合气浓度不均匀性，达到降低循环变动

40、的目的。 6) 采用快燃、速燃燃烧技术，提高火焰的传播速率，有助于减小燃烧循环变动； 7) 加大点火能量、优化放电方式、采用大的火花塞间隙，有助于减小循环变动。,4、降低燃烧循环变动的措施,三、点燃式内燃机的不正常燃烧,(一) 爆燃 (二) 燃料抗爆性能的评定 (三) 发动机主要结构因素与运转因素对爆燃的影响 (四) 防止爆燃的方法 (五) 表面点火 (六) 续走 (七) 部分燃烧、失火及发动机工作稳定性,在某种条件下(如压缩比过高)，汽油机的燃烧会变得不正常，缸内压力曲线出现高频、大振幅波动。 在测录的p-t图上，出现如图5-16所示的情况，压力曲线出现高频、大幅波动，上止点附近的 值急剧波

41、动，此时火焰传播速度和火焰前锋形状发生急剧的改变。,(一）爆燃爆燃的定义及示功图,1) 发出金属振音(敲缸)。 2) 在轻微爆燃时，发动机功率略有增加；强烈爆燃时，发动机功率下降，工作变得不稳定，转速下降，发动机有较大振动。 3) 冷却系统过热(冷却水、润滑油温度均上升)。 4) 气缸盖温度上升。,汽油机爆燃的外部特征,爆燃的原因,电火花点燃以后，火焰以正常传播速率(3070m/s)向前推进，使得处于最后燃烧位置上的那部分终燃混合气，在压缩终点温度的基础上进步受到压缩和热辐射，加速其先期反应，并放出部分热量，使本身的温度不断升高，以致在正常火焰未到达前，终燃混合气内部最适宜着火部位已出现一个或

42、数个火焰中心，并从这些中心以100300ms(轻微爆燃)直到8001000m/s或更高的速率(强烈爆燃)传播火焰，迅速将终燃混合气燃烧完毕。因此，汽油机的爆燃现象就是终燃混合气的自燃现象。,与柴油机的工作粗暴性在燃烧本质上是一致的，均是可燃混合气的自燃结果。 两者发生的时间和气缸内的状况是有差异的。柴油机的工作粗暴性发生在急燃期始点，压力升高比大，但气缸内压力还是均匀的；而汽油机的爆燃是发生在急燃期的终点，气缸内有压力波冲击现象。 对汽油机而言是优良的燃料，对柴油机就是最差的燃料，反之亦然。,汽油机爆燃与柴油机工作粗暴性的异同,爆燃的影响因素,1) 终燃混合气的温度-压力-时间历程。正常传播速

43、率（3070m/s），轻微爆燃（100300m/s），（8001000m/s）强烈爆燃 2) 滞燃期的存在，火焰传播速度。终燃混合气的温度即使达到自燃温度以上，也不能立即着火。由于有滞燃期，在此期间，在火花塞处发生的火焰如通过了终燃混合气，就不会引起爆燃。因此，如火焰传播速度快，或是火焰传播距离短，即使是着火温度低的燃料也来不及发生自燃。 3)燃料化学成分和组成。在终燃混合气中，从压缩行程就产生缓慢的氧化反应，由此可产生热量，焰前反应的多少和程度对自燃产生影响,爆燃最容易在燃烧室中离开正常燃烧最远的地方以及具有高温的地方(如排气门和积碳处)发生。爆燃发生前，正常燃烧的混合气数量越少，爆燃就在更

44、大的容积内进行，爆燃也就越强烈。试验表明，发动机总充量中只要有大于5的部分进行自燃时，就足以引起剧烈爆燃。,最易爆燃的位置：,强烈的爆燃燃烧对发动机工作的不利影响,1）输出功率、热效率均降低 爆燃接近等容燃烧，本是人们所希望的，事实上，当轻微爆燃时，发动机的功率与热效率可以有所提高，但在强烈爆燃时，由于爆燃处产生局部的压力和温度突升，气缸内压力来不及平衡，也就是说，这时的化学反应速率大于气体膨胀速率，在自燃区形成一个压力脉冲，并以极高的速度(8001000m/s)向四周传播。 在轻微爆燃时，由于压力脉冲值较小，测量不出来，这时火焰传播速率约为150300m/s，也远远超过正常燃烧时的火焰传播速

45、率，这个压力脉冲在气缸壁面、活塞顶而与气缸盖顶面多次反射时产生高频(频率约为5000Hz或更高)振音。由于压力波冲击、破坏气缸壁面的层流边界层，从而使向气缸壁面的传热量大大增加，冷却损失增加，输出功率降低。此外，燃烧室内部高温引起燃烧产物加速离解成CO、H2等，严重时也析出碳粒，因而热效率下降。,(2) 气缸过热 爆燃时，燃烧室局部过热会产生表面点火，即在火焰到达以前，混合气因炽热表面而着火，从而引起气缸近一步过热，最终导致轻合金的气缸盖、活塞发生局部金属变软、熔化或烧损，这种过热是爆燃带来的最大危害。此外，由于燃气向冷却水的传热量增加，排气温度下降。,（3）零件的应力增加 爆燃时，由于压力增

46、长率和最高压力都增加，故在有关零件上的作用力也增加，这往往使连杆大头的轴承合金产生裂纹。,此外，爆燃促使积碳形成，容易破坏活塞环、气门和火花塞的正常工作，压力波冲击缸壁表面，使之不易形成油膜，会导致机件加速磨损。 由于上述原因，爆燃成为限制火花点火发动机功率提高和经济性改善的一个重要出素。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，在汽油中加入辛烷值高的含氧化合物以增加其抗爆性能，不断改进燃烧系统和进气系统以减少爆燃倾向，采用电控汽油喷射、汽油机缸内直接喷射等，已成为提高汽油机性能的一个重要方面。,(二) 燃料抗爆性能的

47、评定,燃料对发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料的抗爆性能。爆燃是燃料在发动机中的自燃现象，它不仅受到燃料本身的影响，而且随发动机型式和运转条件的不同而改变。燃料的抗爆性高，压缩比也能取得大一些，对改善发动机性能有利。,1、研究法辛烷值(RON)和马达法辛烷值(MON),研究法辛烷值和马达法辛烷值是评定汽油抗爆性能的两种方法，我国通常用马达法测定(SYB210659)。评定工作是在专门设计的可变压缩比单缸试验机上进行。 研究法的试验工况规定为：进气温度51.7，冷却水温度100，转速600rmin，点火提前角上止点前13 (CA)，试验时调整到发生强烈爆燃。 马达法的试验工况规定为：转速900r

48、m，冷却水温度100，混合气温度149，点火提前角上止点前12-16 (CA)，试验时调整到中等爆燃。,两种方法试验步骤：先用待测定燃料工作，不断增加压缩比，直到爆燃仪上指示出标准爆燃强度为止；然后保持压缩比不变，换用标准燃料（x异辛烷与（100-x）的正庚烷混合液）进行工作。若能使发动机产生和被测燃料同等强度的爆燃，则称被测燃料的辛烷值为x。,燃料的灵敏度=RON-M0N 目前国际上广泛采用研究法辛烷值和马达法辛烷值的平均值即燃料抗爆指数来表示燃料的抗爆性能 抗爆指数=（RON+M0N）/2 就各类烃而言，直链烷烃的抗爆性最低，芳香烃的抗爆性最高。汽油的MON为58-68，热裂法为63-70

49、，催化裂化法为78-80。链烷烃最低，芳香烃最高。,研究法辛烷值和马达法辛烷值都是在单缸试验机和特定的条件下测定的，并不能完全代表发动机实际使用中的燃料抗爆性能。因此，评定燃料在汽车发动机使用时的抗爆性能时发展了一种“道路辛烷值”，它是在实际发动机上标定的，具体方法可参考有关文献。,2、道路辛烷值,3、抗爆添加剂,为了提高汽油的辛烷值，常常在燃料中加人少量的抗爆添加剂，具体方法是： 1) 在汽油中加入四乙铅，但是由于铅有毒和易使三效催化转换器中毒，所以我国从2000年开始停止使用有铅汽油。 2) 在汽油中掺混一定量的甲醇、乙醇燃料，辛烷值高的醇类燃料可提高汽油的辛烷值。 3)在汽油中掺混一定比

50、例的甲基叔丁基醚(MTBE)或乙基叔丁基醚(ETBE)。增加燃料的辛烷值。,(三) 发动机主要结构因素与运转因素对爆燃的影响,为便于分析，对发动机产生爆燃的条件作如下简化：在火花放电以后，火焰开始传播，同时终燃混合气进行焰前反应，为着火作准备。 如果由火焰中心形成至正常火焰传播到终燃混合气为止所需的时间为t1，由火焰中心形成至终燃混合气自燃所需的时间为t2时，当t1t2时，就不发生爆燃；当t1t2时，则发生爆燃。因此，凡是t1减小、t2增加的因素均可减少爆燃倾向；反之，均使爆燃倾向增加。 先分析运转因素，再分析结构因素,运转因素,点火提前角,转速,负荷,混和气浓度,燃烧室沉积物,结构因素,气缸

51、直径,火花塞位置,气缸盖和 活塞材料,燃烧室 结构,气缸直径:气缸直径大，火焰传播距离长，使t1大，同时由于燃烧室冷却面积与容积之比减小，使t2小，因而爆燃倾向增大。,火花塞位置:火花塞位置影响火焰传播距离，也影响终燃混合气在气缸内所处部位上的变动，从而影响终燃混合气的温度。例如，火花塞靠近排气门最不容易引起爆燃。但火花塞离进气门过远，火花塞间隙中的废气不易清除，常常影响到发动机低负荷时工作的稳定性。,气缸盖与活塞的材料 在应用同一辛烷值燃料时，由于轻合金导热好，因而用轻合金活塞可提高压缩比。气缸盖改用轻合金，压缩比也可提高。,燃烧室结构 : 这是影响爆燃最主要的结构参数。燃烧室形状影响到火焰

52、传播距离、湍流强度、向冷却水的散热量以及终燃混合气的数量和温度。凡是火焰传播距离短、湍流强度高、火焰传播速度高的燃烧室结构，均有助于减小爆燃倾向。,防止发动机爆燃的方法很多，如使用抗爆性高的燃料，降低终燃混合气温度，提高火焰传播速度或缩短火焰传播距离，缩短终燃混合气暴露在高温中的时间等。具体措施如下： 1) 推迟点火； 2) 缩短火燃传播距离最小； 3) 终燃混合气的冷却，使离火花塞最远处的可燃混合气冷却得较好，如减小终燃混合气部分的余隙高度； 4) 增加流动，使火焰传播速度增加，且终燃混合气的散热也好； 5) 燃烧室扫气(如加大进、排气重叠期)的冷却作用可减轻爆燃。,(四) 防止爆燃的方法,

53、(五) 表面点火,在点燃式发动机中，凡是不依靠电火花点火，而是由于炽热表面(如过热的火花塞绝缘体和电极、排气门，更多的是燃烧室表面炽热的沉积物)点燃混合气而引起的不正常燃烧现象，称为表面点火或炽热点火。这类表面点火现象较多地发生在压缩比9以上的强化汽油机中。表面点火大致可分正常（非爆燃性）表面点火和爆燃性表面点火两种。,炽热表面有：过热的火花塞绝缘体、电极、排气门，以及燃烧室表面炽热的沉积物,正常（非爆燃性）表面点火-又分后火和早火,(1) 正常(非爆燃性)表面点火,1) 后火 在炽热点的温度较低时，电火花点燃混合气后，在火焰传播的过程中，炽热点点燃其余混合气，但这时形成的火焰前锋仍以正常的速

54、度传播，称为后火。这种现象可以在发动机断火以后发现，发动机仍像有电火花点火一样继续运转，直到炽热点温度下降以后，发动机才停转。后火对发动机影响不大,2) 早火 在炽热点温度较高时，常常在电火花正常点燃以前，炽热点就点燃混合气。由于混合气在进气、压缩行程中长期受到炽热表面的加热，点燃的区域也比较大。一经着火，火焰的传播速度就较高，压力升高比也较大，使压缩行程末期的负功很大并增加向气缸壁的散热，这进一步促使炽热点的温度升高，更早点燃混合气。这样，在单缸汽油机上的早火，往往导致停车；在多缸汽油机上，一个气缸的早火不致停车，但压缩行程末期的高温、高压会引起发生早火的气缸的活塞连杆损坏及气门、火花塞、活

55、塞等零件的过热。 非爆燃性的正常表面点火大体是发动机长时间高速、高负荷运行后，火花塞绝缘体、电极或排气门高温引起的。,(2) 爆燃性表面点火(激爆),激爆是由燃烧室沉积物引起的爆燃性炽热点火，这是一种危害性最大的表面点火现象。,激爆的形成过程,发动机在低速、低负荷时，在燃烧室表面很快形成一层沉积物，它的传热性很差。因此在高压缩比汽油机中，其表面温度可以很高。在沉积物中，或多或少含有碳，混合气中，又有氧气，于是在高温下，碳粒急剧氧化而白炽化并将混合气点燃。,试验发现，点燃区离碳粒表面有一段微小距离，这是因为碳粒要维持白炽状态需消耗一部分氧气，使过分靠近沉积物的混合气缺氧而不能着火。纯碳粒的着火温

56、度是560 左右，在使用乙基汽油时，沉积物中有大量铅化合物，由于铅盐的催化作用，使碳粒的着火温度下降至340 ，这就更容易点燃混合气。在发动机加速时，气流吹起已着火的碳粒，使混合气产生多点点燃的早火现象。这时混合气激烈燃烧，使压力升高比和最高燃烧压力剧增。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。,表面点火和爆燃的区别： 表面点火和爆燃是两种完全不同性质的不正常燃烧现象； 爆燃是终燃混合气自燃产生，时间发生在电火花点火之后； 表面点火是炽热物点燃混合气所致，时间发生在电火花点火之后（后火、爆燃性表面点火）或之前（早火、爆燃性表面点火）； 表面点火和爆燃的联系： 两者存在着某种相互促进的关系； 强烈爆燃必然增加气缸壁传热，促成炽热点形成，导致表面点火； 早火使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，促使爆燃发生。,(3) 影响表面点火的因素和防止措施,燃料本身通过以下两个方面对表面点火产生影响： 1) 燃料形成沉积物的能力； 2) 混合气本身抵抗点燃的能力。,影响因素：燃料本身、发动机结构参数和运转参数三个方面,发动机结构参数和运转参数变化时，凡促进沉积物温度