第四章 汽油機混合氣的形成和燃燒

1、第三章 汽油機混合氣的形成和燃燒3-1 汽油機的燃燒過程燃燒過程是將燃料的化學能轉變?yōu)闊崮艿倪^程。 對燃燒過程的要求： （1）完全：充分利用燃油的熱能；減少廢氣排放。 （2）及時：在上止點附近燃燒，循環(huán)功最多。 （3）正常：正常燃燒，才能保證發(fā)動機工作穩(wěn)定、可靠。一般汽油機是預混合燃燒，即到壓縮行程終了時已大致形成均質混合氣，并以電火花點火燃燒。 一、汽油機的正常燃燒 電火花點燃均勻的可燃混合氣, 形成火焰中心, 并且火焰從此中心按一定的速率 （一般為5080 m/s ） 連續(xù)地傳播到整個燃燒室空間, 在此期間火焰?zhèn)鞑ニ俾? 火焰前鋒形狀均沒有急劇的變化, 稱之為正常燃燒。 正常燃燒分三個階段

2、：著火落后期、明顯燃燒期和補燃期。（一） 著火延遲期 （ 或著火延遲角i ） 12i 從電火花跳火 形成火焰中心。 1 點以前為壓縮過程, 缸內(nèi)壓力升高不大。1 火花塞跳火。2 缸內(nèi)壓力脫離壓縮線開始急驟增高。點火提前角 1 點 上止點的曲軸轉角。 為什么要提前：因為要使著火在上止點附近完成為什么要提前：因為要使著火在上止點附近完成, , 壓力最高點出現(xiàn)在上止點后某一角度。壓力最高點出現(xiàn)在上止點后某一角度。著火延遲期任務：低溫氧化反應。這一段占整個燃燒過程的 15%左右。著火落后期的長短與以下因素有關：1.混合氣成分混合氣過量空氣系數(shù)=0.80.9 時，著火落后期最短。2.開始點火時的缸內(nèi)氣體

3、溫度和壓力開始點火時缸內(nèi)氣體溫度和壓力越高，著火落后期越短。3.缸內(nèi)氣體流動加強紊流運動，會加快混合氣的氧化反應速度，著火落后期縮短。4.火花能量加大火花能量，著火落后期縮短。5.殘余廢氣量殘余廢氣對燃燒反應起阻礙作用，使著火落后期變長，所以應盡量減少殘余廢氣。6.燃料本身分子結構和物化性質著火落后期，每一循環(huán)都可能有變動，有時最大值可達最小值的數(shù)倍。希望著火落后期盡量縮短并保持穩(wěn)定。（二）明顯燃燒期（二）明顯燃燒期 （ 急燃期急燃期 ） 23 這一階段為燃燒過程的主要階段。 在此時間內(nèi), 火焰迅速傳遍整個燃燒室, 混合氣的絕大部分在此時期內(nèi)完成燃燒 （ 80%以上 ） ，燃料的熱能絕大部分在

4、此時間內(nèi)放出 （ 這與柴油機不同, 柴油機隨噴隨燃, 在上止點以后還在向缸內(nèi)噴入燃料 ） 。缸內(nèi)壓力、溫度迅速升高, , CAMpapdeg/4 . 02 . 0代表工作粗暴的程度, 它與火焰?zhèn)鞑ニ俾视嘘P。pTu 。Tup 工作粗暴，噪聲。ppmax 但 不正常燃燒趨勢。Tu 氣流運動 Tu 所以, 在汽油機中, 火焰?zhèn)鞑ニ俾适且粋€重要參數(shù), 它直接影響不正常燃燒的抑制, 從而影響發(fā)動機的功率、效率和使用壽命。 3 點為點, 3點為, 往往 3點與 3 點重合。pmaxTmax 若取放熱效率驟然下降的時刻作為急燃期的終點則更合理 （ 3 點稍后一點 ）, 但這一點不易確定, 故我們通常以使的

5、3 點作為急燃期的終點。pmax3 點的到來時刻非常重要, 太早, 則壓縮負功 。太遲, 則熱量利用 t。t 因為汽油機的燃燒與柴油機不同, 可以人為控制, 故可用調整點火提前角的方法來調整 3點的到達時刻。 注意：示功圖的上下止點不容易測, 目前全世界尚無一準確、標準、權威的測量方法。（三） 補燃期 34 3 點 燃料基本燃燒完的 4 點。 3 點過后, 燃燒速度下降, 活塞下行, 使 p, 在 3 點過后的燃燒主要為1 在火焰?zhèn)鞑テ诨鹧媲颁h面沒有燃燒掉的燃料繼續(xù)燃燒。2 粘附在缸壁上的混合氣層繼續(xù)燃燒。3 由于汽油機燃燒溫度高, 高溫分解嚴重。產(chǎn)生的, , CO, 在補燃期內(nèi), 由2H2O

6、 于溫度降低, 重新燃燒生成, , 放出熱量。2COOH2 補燃 ，熱負荷, 經(jīng)濟性。t排T 希望補燃期。但汽油機不象柴油機隨噴隨燃, 燃料在以后還有噴入，補燃情況要小pmax得多。 總結：為了保證汽油機工作柔和, 動力性好, 一般應使 2 點處于上止點前 1215 。3 點處于上止點后 1215, 。CAMpapdeg/25. 0175. 0二、汽油機的不規(guī)則燃燒兩種：各循環(huán)之間的燃燒差異和各缸之間的燃燒差異。（1）各循環(huán)之間的燃燒差異各循環(huán)之間的燃燒差異主要是燃燒的不穩(wěn)定性，使得同一氣缸各個循環(huán)出力不均，表現(xiàn)為各循環(huán)的壓力波動。危害：這種循環(huán)間的燃燒變動使汽油機空燃比和點火提前角調整對每一

7、循環(huán)都不可能處于最佳狀態(tài)，因而油耗上升，功率下降，不正常燃燒傾向增加，使汽油機性能下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：火花塞附近混合氣的混合比和氣體紊流性質、程度在各循環(huán)均有變動，致使火焰中心形成所用的時間不同，即由有效著火時間變動而引起的。（2）各缸之間的燃燒差異各缸之間的燃燒差異主要是由于燃料分配不均使空燃比不一致造成的，使得各個氣缸出力不均，表現(xiàn)為各個氣缸的壓力波動。危害：危害：由于各缸混合氣成分不同，使各缸不可能都處于經(jīng)濟混合氣或功率混合氣工作，則發(fā)動機功率下降，油耗上升，排放污染嚴重。影響因素：影響因素：與進氣系統(tǒng)所有零件的設計和安裝均有關系，任何不對稱和流動阻

8、力不同的情況都會破壞均勻分配，進氣管的影響最大。3-2 汽油機的不正常燃燒不正常燃燒：爆燃、表面點火一、爆震燃燒（一） 1.1.外部特征外部特征汽油機在運轉過程中有時會聽到氣缸內(nèi)有明顯的金屬敲擊聲。這種聲音如果持續(xù)較長時間以后, 會引起發(fā)動機的功率, 沖擊載荷, 摩擦, 熱負荷, 使用壽命, 排氣冒煙, 經(jīng)濟性。 根據(jù)對發(fā)動機理想循環(huán)的分析, 我們知道 。但, 則爆震傾向, 限制了的提高。t 所以, 克服爆燃現(xiàn)象, 是汽油機的重要議題之一。2.2.產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因 末端混合氣自燃 電火花點火后, 火焰以正常的傳播速度 50 80 m/s 向前推進, 未燃混合氣受到強烈的壓縮和熱幅射。處于最

9、后燃燒位置上的那部分終燃混合氣（ End gas ）, 由于熱幅射作用, 促使先期反應加速進行, 并放出部分熱量, 又使本身的溫度不斷升高, 以致在正?；鹧嫔形吹竭_時, 末端混合氣最適于發(fā)火的部位已經(jīng)形成了一個或幾個火焰中心。以遠大于正常燃燒火焰前鋒面推進的速度向周圍傳播。 輕微爆燃 = 100 300 m/s us 強烈爆燃 = 800 2000 m/s us 爆燃使末端混合氣迅速燃燒完畢。由于爆燃使局部壓力突然增加, 而形成強烈的壓力沖擊波：沖擊波撞擊到燃燒室壁面上就會發(fā)生金屬敲擊聲。強烈時會引起發(fā)動機振動。 若自燃區(qū)占整個燃燒室容積的 5%, 則為強烈爆燃。3.3.示功圖的比較示功圖的比

10、較（1） 正常燃燒與爆震燃燒的比較正常燃燒與爆震燃燒的比較在上止點附近為最高, 過上止點后, 壓力升高慢 （由于 v ）, ddp雖然 0, 但 0 （ 曲線向下 ）, 到了 3 點, P , = 0dpd22dpdpmaxdpd已高于正常燃燒的, 在 3 點后, p 波動很大, 使忽正忽負。pmaxpmaxdpd 破壞了正常的示功圖, 使 Pe（2）汽油機爆燃與柴油機工作粗暴性的比較汽油機的爆燃現(xiàn)象就是終端混合氣的自燃現(xiàn)象, 它與柴油機的工作粗暴性, 在燃燒本質上是一致的, 均是可燃混合氣自燃的結果。但兩者發(fā)生的部位不一致。 柴油機工作粗暴發(fā)生在急燃期的始點, 使 。而汽油機的爆燃是發(fā)dpd

11、pmax生在急燃期的終點, 故 不是非常大。pmax氣缸內(nèi)壓力有沖擊現(xiàn)象。就這一點而言, A 優(yōu)良的柴油, 十六烷值 自燃性 , , idpdpmax但對汽油機：由于初期燃燒不劇烈, 使 爆燃趨向, B 優(yōu)良的汽油, 使 爆燃趨usus向, 對柴油機, 。dpdpmax 所以, 對汽油機而言的優(yōu)良燃料, 對柴油機就是最差的, 反之亦然。4.4. 造成的危害造成的危害 爆燃出現(xiàn)后, 使正常規(guī)則的火焰前鋒面發(fā)生急驟的扭曲。（1）壓力脈沖 正常 deg/ 4 . 02 . 0CAMpap 爆燃 = 0.2 Mpa / degCA maxdpd 可見壓力波動之巨。壓力的突變產(chǎn)生在容積的某一局部, 氣缸

12、內(nèi)壓力來不及平衡, 也就是說這時的化學反應速率遠遠大于氣體膨脹的速率, 從而形成強烈的壓力脈沖, 并以極高的速度 （1000 m / s 左右） 向周圍推進。A 噪聲 壓力脈沖在氣缸壁面、活塞頂面及缸蓋底面之間來回反射, 強迫氣缸壁等零件振動而產(chǎn)生高頻噪聲, 其頻率在 5000 Hz 以上。B 零件壽命爆燃使缸內(nèi)壓力增加, 活塞, 氣缸壁, 氣缸蓋等各零件機械荷, 若爆燃時間長, 則零件壽命。 壓力脈沖破壞了壁面上的層流邊界層。層流邊界層有隔熱作用，缸內(nèi)溫度可達 2500 （ 爆燃時, T 會更高 ）, 而壁面溫度只有 200300, 之所以如此, 主要是層流邊界層在起作用。但層流邊界層被破壞

13、, 使導熱量, 則 熱應力 零件壽命 熱損失 t 冷卻水, 機油溫度 潤滑 零件磨損 磨耗量可達正常燃燒的 27 倍。（2） 高溫分解 按提高循環(huán)熱效率的熱力學觀點看, 爆燃接近于等容燃燒, 熱利用好, 是人們所希望的, 事實上也是如此, 當輕微爆燃, 發(fā)動機的熱效率可以有所提高, 平均有效壓力亦有所增長。 但在強烈爆燃時, 會使局部溫度, 出現(xiàn)高溫分解, 生成 CO, , , NO 等, 嚴重時析出2H2O游離炭粒，這就是爆震時可能排氣冒煙的原因。使油耗, 且熱效率反而會下降。產(chǎn)生出的炭粒又會形成累積, 破壞活塞, 活塞環(huán), 火花塞和氣閥的正常工作。爆燃還會促使表面點火的發(fā)生。 （二） 表面

14、點火 在火花點火式發(fā)動機中, 凡是不依靠電火花點火, 而是由于熾熱表面 （ 如過熱的絕緣體電極、排氣閥, 尤其是燃燒室表面熾熱的沉積物 ） 點燃混合氣的不正常燃燒現(xiàn)象, 均稱為表面點火或熾熱點火。 這類表面點火現(xiàn)象較多在出現(xiàn)在 9 的強化汽油機上, 目前由于控制排放等要求, 汽油機 大都降到 9 以下, 因此對表面點火的重視程度已下降。1. 非爆燃性表面點火（1） 后火 在火花塞點燃混合氣以后, 熾熱表面才點燃混合氣的現(xiàn)象。形成火焰中心, 但火焰?zhèn)鞑ニ俣日? 雖有時可使補燃, 但影響不大, 發(fā)動機后火, 則在斷火的下, 仍繼續(xù)運轉。（2） 早火 發(fā)生在火花塞點火以前, 火焰?zhèn)鞑ニ俣群芨? ，

15、 （ 頗似柴油機工作粗dpdpmax暴 ） 。早火太早, 則使壓縮末期負功增大, 熱效率, 功率損失, 功率。單缸早火, 往往會導致停車。多缸早火, 會使 Ne, 工作粗暴, 壽命。 非爆燃性表面點火, 大體是在發(fā)動機按高速、高負荷長時間運轉以后, 火花塞絕緣體, 電極或排氣閥高溫所引起（不包括積炭） 。2. 爆燃性表面點火 （ 激爆 ） 早火積炭引起, 往往是多點早火, 危害很大, 可比正常值高 5 倍, 可比dpdpmax正常高 150%。 總結：由上所述, 爆燃與表面點火是兩種完全不同爆燃與表面點火是兩種完全不同的不正常燃燒現(xiàn)象的不正常燃燒現(xiàn)象, 爆燃是在電火花點火以后爆燃是在電火花點火

16、以后, 終端混合終端混合氣的自燃現(xiàn)象氣的自燃現(xiàn)象, 而表面點火則是熾熱表面點燃混合氣所致。而表面點火則是熾熱表面點燃混合氣所致。然而然而, 它們之間存在著某種互相促進的內(nèi)在關系。它們之間存在著某種互相促進的內(nèi)在關系。 爆燃促使以后循環(huán)的熾熱表面易點火， 而表面點火亦促使循環(huán)的爆燃傾向增加。1 早火, , dpdpmax2 正常3 后火 , 且出現(xiàn)晚、補燃pmax（三）續(xù)走 發(fā)動機在斷火和節(jié)氣門關閉后仍繼續(xù)運轉。斷火、并關閉節(jié)氣門后, n, 進氣少, 廢氣回流使 T。怠速時, 冷卻水又冷卻不良, 使缸內(nèi) T, 從而使混合氣自燃。 三種不正常燃燒, 主要是爆震燃燒。3-3 影響燃燒過程的因素影響燃

17、燒過程的因素一、 汽油的性能汽油的蒸發(fā)性與抗爆性是影響汽油機燃燒過程的主要使用性能。 （一）汽油的蒸發(fā)性（一）汽油的蒸發(fā)性 汽油的蒸發(fā)性用餾程餾程和蒸氣壓蒸氣壓評定。餾程餾程：汽油餾出一定百分數(shù)時的溫度。10%餾出溫度、50%餾出溫度、90%餾出溫度。10%餾出溫度：標志汽油的冷起動性。50%餾出溫度：標志汽油中間餾分的蒸發(fā)性。 影響發(fā)動機的暖車時間、加速性和工作穩(wěn)定性。90%餾出溫度：標志燃料中含有難于揮發(fā)的重質成分的數(shù)量。餾程餾程蒸發(fā)性蒸發(fā)性。飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓: :油品氣液兩相達到平衡時，液面蒸氣所顯示的最大壓力。 蒸氣壓蒸氣壓 蒸發(fā)性蒸發(fā)性。 汽油要有良好的蒸發(fā)性。 蒸發(fā)性過強，易形

18、成供油系“氣阻”，甚至發(fā)生供油中斷現(xiàn)象。 （二）（二）汽油的抗爆性汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在發(fā)動機氣缸內(nèi)燃燒時抵抗爆燃的能力，用辛烷值評定。汽油的辛烷值愈高，其抗爆性愈好。汽油的牌號以辛烷值劃分。辛烷值確定：單缸試驗機上進行辛烷值確定：單缸試驗機上進行 抗爆性抗爆性 辛烷值辛烷值標準燃料：正庚烷 最差 0異辛烷 最好 100將兩種成分按不同的比例混合即可得到不同辛烷值的標準燃料。汽油的辛烷值在單缸試驗機上通過對比試驗確定。（二） 點火提前角 點火提前角的有效調整可以使我們獲得較為完美的示功圖, 對燃燒過程影響很大, 可以通過人為進行控制。 p圖, 在節(jié)氣門全開, 標定轉速, 混合氣成份

19、不變時, 調整, 得到三條曲線。 1. , 較大。這時, 點火提前較多。出現(xiàn)在上止點附近。1pmax 壓縮負功 損失 t 壓縮負功 損失 單缸汽油機易熄火。 初期放熱 零件機械負荷。dpdpmax 由于此時缸內(nèi) p, T 較高, 使其終端混合氣較為具備著火條件, 到一定程度時, 爆燃出現(xiàn), 所以, 爆燃趨勢。2. , 較小。點火提前少。值出現(xiàn)較晚。2pmax Pe 膨脹功損失 dpdpmaxt 補燃 ，熱負荷，排放差。t 所以, 有一最佳 值。3. ，合適。3 實踐證明, 當 = 1215， 時, 出現(xiàn)在上止3CAMpadpddeg/)24. 007. 0(pmax點后 = 1215 時，p圖

20、曲線下的面積最大，有用功最多。（三） 混合氣濃度 （ 過量空氣系數(shù)值 ）1. 對的影響i（1） 不同燃料 不同曲線 曲線 1 加鉛芳香族，抗爆性好，長。i 曲線 2 加鉛烷族，抗爆性較好，較長。i 曲線 3 正庚烷，抗爆性差，短。i（2） 同一種燃料 一條曲線 ， i2. 對示功圖的影響可以看出， = 0.84 的示功圖曲線下的面最大。 ， 燃燒劇烈程度 爆燃趨勢。3. 對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憉s = 0.850.95 ； ， us,maxus 這是不同 下的最佳示功圖。 1 = 0.84； 2 = 0.65； 3 = 1.01； 4 = 1.18。4. 值的范圍 = 0.40.5 冷起動混合氣； = 0.850.95 功率混合氣； = 1.051.15 經(jīng)濟混合氣。（四） 轉速1.1. n 紊流 混合氣混合好 i 散熱 Tc、 下降不明顯。pcii n 易吹散已形成的火焰中心 iiin6n 每循環(huán)所用時間, 相對于縮短了的循環(huán)時間下降不明顯。i2.2.n 離心