第四章第一节汽油机的燃烧.ppt

1、第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,燃烧过程是将燃料的化学能转化为热能的过程。 进入气缸的燃料燃烧完全的程度，直接影响到热量产生的多少和排出废气的成分； 燃烧时间或燃烧相当于曲轴转角的位置，影响到热量的利用和气缸压力的变化。 所以它将影响发动机经济性、动力性和排气污染的主要过程，与噪声、振动、起动性和使用寿命也有重大关系。,第一节 汽油机燃烧过程,一 、正常燃烧过程 （一）正常燃烧过程进行情况 研究方法：测取燃烧过程的展开示功图。,根据压力变化的特点，分为三个阶段：着火延迟期、明显燃烧期、后燃期。,(1) 着火延迟期（滞燃期）,从火花塞点火（点1）至气缸压力明显脱离压缩而急剧上升时（点2）的时间

2、或曲轴转角。火花塞点火电压1015kV，能量最多在4080mJ，局部温度可达到3000K。,着火延迟期时间长短的影响因素：混合气成份（=0.80.9时最短）、开始点火时气缸内温度压力、气缸内气体流动、火花能量和残余废气量等有关，希望尽量缩短着火延迟期并保持稳定。,滞燃期的长短与下列因素有关： 1）燃料本身的分子结构和物理化学性能。 2）开始点火时气缸内气体的压力、温度。它与压缩比有关，压缩比高，滞燃期短。 3）过量空气系数。试验表明，汽油-空气混合气在0.8-0.9 时滞燃期最短。 4）残余废气量增加，滞燃期增加。 5）气缸内混合气运动强，则滞燃期稍有增加。 6）火花能量大，滞燃期缩短。,(2

3、) 明显燃烧期（急燃期）,从形成火焰中心到火焰传遍整个燃烧室，示功图上常指压力达到最高点（点3）。,火焰前锋在均质混合气中，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。火焰速度UT火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度。,UT影响因素： 层流火焰速度和混合气紊流状态,层流火焰传播速率：火焰前锋相对于未燃混合气的相对速率。,绝大部分燃料在这一阶段燃烧，活塞又靠近上止点，所以气缸压力急剧上升。用平均压力上升速度来表示：MPa/（）,p3、p2第二阶段起点和终点的压力（MPa）,第二阶段终点和起点相对上止点的曲轴转角,汽油机p/=0.20.4MPa/（） 明显燃烧期愈短，愈靠近上止

4、点，汽油机经济性、动力性越好,但可能导致p/过高，噪声、振动大，工作粗暴，对排污不利。 一般明显燃烧期占2040度曲轴转角，最高压力出现在上止点后1215度。p/=0.1750.25MPa/（）为宜。,(3)后燃期,它是指明显燃烧期以后的燃烧，主要是火焰前锋后未及时燃烧的燃料的再燃烧，贴附在气缸壁上未燃混合气层的部分燃烧及高温分解的燃烧产物（H2、CO等）的重新氧化。这种燃烧已远离上止点，应尽量避免。,（二）燃烧速度,燃烧速度是指单位时间燃烧的混合气量，表示为 AT火焰前锋面积 T未燃混合气密度 UT火焰速度 发动机转速一般4000-8000r/min,燃烧时间极短 仅0.001-0.002s

5、，要求有足够的燃烧速度。,影响燃烧速度的因素:,1. 火焰速度UT 火焰速度UT决定明显燃烧期长短的主要因素。现代汽车的火焰速度 UT可高达5060m/s，影响UT因素是： 燃烧室气体的紊流运动； 燃混合成分； 混合气初始温度。,（1）燃烧室气体的紊流运动 紊流运动由具有一定运动方向的涡流运动和无数小气团的无规则脉动所组成。 紊流使平整的火焰前锋表面严重扭曲，甚至分割为许多燃烧中心，导致火焰前锋的厚度增加，火焰速度加快。,图,火焰前锋燃烧区,(2) 混合气成分的影响,=0.8595时 火焰速度最大,燃烧速度快,功率也最大,称为功率混合比 =1.031.1时 火焰速度降低不多,有因为有足够的氧气

6、而是燃烧完全, 经济性最好,成为经济混合比。 1.31.4时 火焰难以传播，汽油机不能工作火焰传播下限。 0.40.5时 严重缺氧火焰传播上限。 汽油机=0.81.2 (3) 混合气初始温度高火焰速度增加,2 火焰前锋面积AT,利用燃烧室几何形状和火花塞位置的配合,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情况。,3 可燃混合气浓度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,均可加大燃烧速度。,(三) 不规则燃烧,各循环间的燃烧变动、各缸间燃烧差异。 1、各循环间的燃烧变动,1、各循环间的燃烧变动 原因：火

7、花塞附近的混合气浓度和气体紊流的性质、程度在各循环均有变动，致使火焰中心形成的时间不同，即由有效着火时间变动而引起的。 这种变动，使汽油机混合气浓度和点火提前角调整对每一循环都不可能处于最佳，因而引起油耗上升，功率下降，不正常燃烧倾向增大，整个汽油机性能下降。,各循环间燃烧变动现象：,（1）=0.80.9时循环燃烧变动最小，混合气加浓和减稀，变动均增大。 （2）在中等负荷以上变动较小；低负荷时，废气量增大变动更为明显。 （3）加强紊流有助于减少变动，因此转速增大，一般燃烧变动减小。 （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。,2 各缸间燃烧差异

8、,原因：在发动机进气管中，混合气比例、大小不一的雾化油粒以及附在管壁上的油膜厚度不同，各缸进气歧管的差别，各缸间进气重叠引起的干涉等现象，导致各缸进气量、进气速度以及气流的紊流状态等不能完全一致。 因此在多缸汽油机上，各缸混合气成分存在差异，化油器式汽油机的这种现象更明显。各缸混合气的不同，使得各缸不可能在最佳调整状况下工作，即各缸不可能都处于经济混合气或功率混合气浓度，使得整个汽油机功率下降，油耗上升，排放恶化。 影响混合气分配不均的主要因素：进气系统所有零件的设计和安装位置。影响最大的是进气管的设计。,（四） 燃烧室壁面的熄火作用,在火焰传播过程中，燃烧室壁对火焰具有熄火作用，即靠近壁面附

9、近的火焰不能传播。这样在熄火区内存在大量的未燃烧的烃，它是汽油机排气中HC的主要来源。缸壁熄火是由链反应中断和冷缸壁使接近缸壁的一层气体冷却所造成的。 当=1时熄火厚度最小；负荷变小时，熄火厚度显著增大；燃烧室温度、压力提高，气缸紊流增大，熄火厚度均减小。 应降低熄火厚度和燃烧室面容比（F/V)，以降低HC排放。,二、不正常燃烧,分类：爆燃和表面点火 （一）爆燃 1 爆燃的外部特征 气缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦称之敲缸(3000-7000Hz)。,2 爆燃产生的原因,原因:末端混合气的快速自燃。在正常火焰传播的过程中,使处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合（常称末端混合气）,进一步受到压缩

10、和辐射热的作用,加速了先期反应，并放出部分热量，使本身的温度不断升高。导致在火焰前锋尚未到达之前,末端混合气已经自燃,且这部分混合气燃烧速度极快, 火焰速度可达每秒百米甚至数百米以上,使局部压力、温度很高, 并伴随有压力波冲击。 位置：燃烧室中离开正常燃烧最远的地方以及具有高温的地方（如排气门和积炭处）。,3 危害 破坏缸壁表面的附面气膜和油膜，使传热增加，气缸盖和活塞顶温度升高，冷却系过热；汽油机功率减少，油耗率增加；甚至造成活塞、气门烧坏；零件应力增加，易使受力件损坏，如造成轴瓦破裂等；促使积炭形成，容易破坏活塞环、气门和火花塞的正常工作；导致润滑油膜破坏，使机件磨损加剧。,爆燃时的示功图

11、,4 影响爆燃的因素,从末端混合气是否易于自燃分析。 1) 燃料性质 辛烷值高的燃料,抗爆燃能力强。 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。如提高压缩比, 则气缸内压力、温度升高，爆燃易发生。 活塞、气缸盖采用轻金属，其导热性能好，末端混合器的温度低，爆燃倾向低。,3)火焰前锋传播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播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。,(二)表面点火,早燃由于提前点火,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

12、于压缩功增大, 向缸壁传热增大，使功率下降, 火花塞、活塞等零件过热。由于活塞、连杆曲轴等运动部件受到冲击负荷，产生震动，因而发出一种比较沉闷的低频敲缸声，（600-1200Hz) 。,表面点火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。 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。,爆燃和早燃相互影响,早燃会引发爆燃, 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,互相促进,危害可能更大。 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引起，没有压力冲击波。敲缸声沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件

13、受到冲击负荷产生振动造成。 凡是能促使燃烧室温度以及促使积炭等炽热点形成的一切条件，都能促成表面点火。,三、使用因素对燃烧的影响,主要有：混合气浓度、点火提前角、转速、负荷、大气状态 1.混合气浓度 在=0.8-0.9时,由于燃烧温度最高，火焰传播速度最大，压力升高率大，动力性好，但爆燃倾向增大。 在=1.03-0.1时，由于燃烧完全，经济性最好，温度高和富氧，NOx上升 1.2时火焰速度慢，部分燃料可能来不及燃烧，因而经济性差，HC排量增大,2 点火提前角,点火提前角过小，燃烧延长到膨胀过程，最高压力和温度下降，传热损失增大，热效率下降，但爆燃倾向降低，NOX降低。,点火提前角调整特性当节气

14、门开度、转速以及混合其浓度一定时，汽油机功率和耗油率随点火提前角改变而变化的规律。 点火提前角过大，大部分可燃混合气在压缩过程燃烧，压缩功增大，且最高压力升高，末端混合气燃烧前的温度升高，爆燃倾向增大。,图,3. 转速,转速增加时,气缸中紊流增强,火焰速度大体与转速成正比增加,以秒计燃烧过程缩短,但由于循环时间亦缩短,一般燃烧过程相当的曲轴转角增加,所以应增大点火提前角，采用离心调节点火提前器。 转速增大，提前角增大。 转速增加时，火焰速度也增强，爆燃倾向降低。,4.负荷,1）负荷 节气门开度 进入气缸的混合气 残余废气量基本不变废气的比例相对混合气稀释程度 火焰速度燃烧恶化。 故在怠速时应供给较