發(fā)動機原理第五章汽油機混合氣的形成和燃燒

1、第五章第五章 汽油機混合氣的形成和燃燒汽油機混合氣的形成和燃燒 發(fā)動機的燃燒過程是將燃料的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^程。 對燃燒過程的要求： （1）完全：燃燒完全，才能充分利用燃油的熱能；同時影響排出廢氣的成分。 （2）及時：在上止點附近燃燒（即在上止點后1215CA燃燒完畢），循環(huán)功最多。 （3）正常：正常燃燒，才能保證發(fā)動機穩(wěn)定、可靠的工作。 （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。 點火提前角：是指從火花塞跳火到上止點間的曲軸轉(zhuǎn)角?？捎闷浔硎军c火時刻。(二）明顯燃燒期 從形成火焰中心到最高壓力出現(xiàn)

2、。 在均值混合氣中，當火焰中心形成之后，火焰向四周傳播，形成一個近似球面的火焰層，即火焰前鋒，從火焰中心開始層層向四周未燃混合氣傳播，直到連續(xù)不斷的火焰前鋒掃過整個燃燒室。 火焰?zhèn)鞑ニ俣龋夯鹧媲颁h相對于未燃混合氣向前推進的速度。車用汽油機，燃燒室的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_50-80m/s。p 式中：p明顯燃燒期始點和終點的氣體壓力差（kPa）; 明顯燃燒期始點和終點相對于上止點的曲軸轉(zhuǎn)角差（CA）。 汽油機的p在200400 kpa/()的范圍內(nèi)。pp 明顯燃燒期是汽油機燃燒的主要時期。明顯燃燒期愈短，愈靠近上止點，汽油機經(jīng)濟性、動力性愈好，但可能導致壓力升高率值過高，工作粗暴，對排污亦不利。 一般明

3、顯燃燒期約占2040曲軸轉(zhuǎn)角，燃燒最高壓力出現(xiàn)在上止點后1215曲軸轉(zhuǎn)角，p=175250kpa/()為宜。 在此階段參加燃燒的燃料主要有（1）火焰前鋒后未及燃燒的燃料再燃燒。（2）貼附在缸壁未燃混合氣層的部分燃燒。壁面溫度低，對火焰具有熄火作用，這樣在熄火存在大量未燃烴，在隨后的膨脹中部分未燃烴繼續(xù)燃燒。（3）高溫分解的燃燒產(chǎn)物（H2、O2、CO等）重新氧化。燃燒產(chǎn)物CO2、H2O中，有少部分在高溫的作用下，分解成H2、O2、CO等產(chǎn)物，在膨脹過程中，因工質(zhì)溫度下降，熱分解產(chǎn)物又繼續(xù)燃燒、放熱。這種燃燒已遠離上止點，應盡量減少。 二、燃燒速度 燃燒速度是指單位時間燃燒的混合氣量，可以表達為

4、TTTAdtdm式中 t未燃混合氣密度； t火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?At火焰前鋒面積。 控制燃燒速度就能控制明顯燃燒期的長短及其相對曲軸轉(zhuǎn)角的位置。 影響燃燒速度的因素有： 1. 火焰?zhèn)鞑ニ俣萾 火焰?zhèn)鞑ニ俣仁菦Q定明顯燃燒期長短的主要因素。現(xiàn)代汽油機的t可高達5080m/s。影響t的主要因素是：燃燒室中氣體的紊流運動、混合氣成分和混合氣初始溫度。 （1） 紊流運動：紊流運動是由一定運動方向的渦流和無規(guī)則的氣體脈動所組成。渦流運動可使火焰前鋒表面扭曲，甚至分隔成許多火焰中心，使火焰前鋒燃燒區(qū)加厚，如圖所示，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?。紊流強烈紊流較弱 （2）混合氣成分不同，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫裁黠@不同，如圖所示為實驗所

5、得火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c過量空氣系數(shù)的關系。 當at=0.850 95時，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?，燃燒速度最快，功率也最大，稱為功率混合比。 當at=1.03 1-1時，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^大，氧氣又充足，燃燒完全，稱為經(jīng)濟混合比。 火焰?zhèn)鞑ハ孪蓿篴t1.3-1.4時，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，甚至不能傳播?火焰?zhèn)鞑ド舷蓿篴t0.4-0.5時，混合氣過濃，也使火焰不能傳播。 為了保證可靠的工作，汽油機的at在0.6-1.2范圍，即空燃比A/F=9-18。 （3）混合氣初始溫度：混合氣初始溫度高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾印?2火焰前鋒面積At 利用燃燒室?guī)缀涡螤罴捌渑c火花塞位置的配合，可以改變不同時期火焰前鋒掃過的面積，以調(diào)整燃

6、燒速度。它直接影響到明顯燃燒期相當曲軸轉(zhuǎn)角的位置及燃燒速度變化的情況，與壓力上升密切相關。 3.可燃混合氣密度t增大未燃混合氣密度，可以提高燃燒速度，因此增大壓縮比和進氣壓力等，均可加大燃燒速度。 （三）、汽油機的不規(guī)則燃燒 汽油機的不規(guī)則燃燒是指在穩(wěn)定正常運轉(zhuǎn)情況下，各循環(huán)之間的燃燒差異和各缸之間的燃燒差異。前者稱為循環(huán)波動，后者稱為各缸工作不均勻。 （一）、各循環(huán)之間（一）、各循環(huán)之間的燃燒差異的燃燒差異 各循環(huán)之間的燃燒差異主要是燃燒的不穩(wěn)定性，表現(xiàn)為循環(huán)的壓力波動。如圖示出不同循環(huán)的氣缸壓力變化情況。從中可以看到變化較大，低負荷時情況更嚴重。 這種循環(huán)間的燃燒變動使汽油機空燃比和點火提

7、前角調(diào)整對每一循環(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：火花塞附近混合氣的混合比和氣體紊流性質(zhì)、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。 對各循環(huán)之間的燃燒變動的現(xiàn)象的機理至今還不十分清楚，但可以肯定（1）at=0.8-0.9時循環(huán)燃燒變動最小，混合氣加濃或減稀變動均增加。因此，為了減少排氣中的CO而運用稀混合氣時，即使在較高負荷也容易發(fā)生循環(huán)變動，成為用稀混合氣的障礙。（2）在中等負荷以上變動較小，低負荷時，殘余廢氣量相對增多，變動更為明顯。（3）加強紊流有助于減少變動，因此

8、轉(zhuǎn)速增加，一般變動減小。（4）加大點火能量，采用多點點火，情況有所改善。（5）點火時刻和點火位置對燃燒變動很敏感。 （ 二）二） 各缸之間的燃燒差異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。 影響混合氣分配不均勻的因素很多，總的來說，與進氣系統(tǒng)所有零件的設計和安裝位置都有關系，任何不對稱和流動阻力不同的情況都會破壞均勻分配，其中影響最大的是進氣管的設計。 第二節(jié)第二節(jié) 汽油機的不正常燃燒汽油機的不正常燃燒 汽油機的不正常燃燒主要是爆燃和表面點火。 一、爆燃一、爆燃 （一）爆燃的外部特征 氣缸內(nèi)發(fā)出特別尖銳的金屬敲擊聲，亦稱為敲缸。輕微敲缸時，發(fā)動機功率上

9、升，油耗下降，但嚴重時會產(chǎn)生冷卻水過熱，功率下降，油耗上升，發(fā)動機磨損加劇，排放污染增加（主要是排氣冒黑煙）。 （二）爆燃產(chǎn)生的原因（二）爆燃產(chǎn)生的原因 正常燃燒：有明顯的火焰前鋒，且逐層向外傳播，直至燃燒完畢。 爆燃：火焰前鋒未到，未燃混合氣的溫度達到其自燃溫度而著火燃燒，形成新的火焰中心，產(chǎn)生新的火焰?zhèn)鞑ァ?正常燃燒與爆燃的不同 正常燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?080m/s，無壓力波，壓力升高率在200400 kpa/()的范圍內(nèi)。 爆燃的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋狠p微爆燃時，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s 為 1 0 0 m / s 3 0 0 m / s ， 強 烈 爆 燃 時 可 高 達800m/s1000m/s。使

10、未燃混合氣瞬時燃燒完畢，局部壓力、溫度很高，形成強烈的壓力沖擊波。沖擊波反復撞擊燃燒室壁，發(fā)出尖銳的敲缸聲。 (三 (三三) 爆燃的危害爆燃的危害 1機件過載 強烈爆燃時的沖擊波能使缸壁、缸蓋、活塞、連桿、曲軸等機件的機械負荷增加，使機件變形甚至損壞。 2機件燒損 汽 油 機 燃 燒 終 了 時 的 溫 度 可 達 到20002500, 而活塞頂、燃燒室壁及缸壁的溫度僅為200300，除了冷卻水的作用外，能夠維持如此低溫度的原因，還包括在這些壁面上形成了氣體的附面層，它起到隔熱的作用。而強烈爆燃時的沖擊波會破壞這一附面層，使機件直接與高溫燃氣接觸。而嚴重爆燃時，局部燃氣溫度可高達4000以上，

11、這樣會使活塞頭部和氣門等機件燒損。同時熱量傳給冷卻水引起發(fā)動機過熱。 5排氣冒黑煙，補燃增加，排氣排氣冒黑煙，補燃增加，排氣溫度增加溫度增加 爆燃時局部高溫引起熱分解現(xiàn)象嚴重，使燃燒產(chǎn)物分解為CH、H2、O2、NO及游離碳的現(xiàn)象增多，排氣冒煙嚴重。CH、H2、O2等在膨脹過程中重新燃燒又使補燃增加，排氣溫度增高。 爆燃產(chǎn)生的炭粒形成積炭，破壞活塞環(huán)、火花塞、氣門等零件的正常工作，使發(fā)動機可靠性下降。 6輕微爆燃有利輕微爆燃有利 接近等容燃燒，熱效率提高，汽車上坡時駕駛員感覺輕松。 （四）影響爆燃的因素（四）影響爆燃的因素 1燃料的性質(zhì) 辛烷值高的燃料抗爆燃能力強。四乙鉛添加劑能有效地提高燃料的

12、抗爆燃能力，但這會排除有毒的含鉛顆粒，污染大氣并影響催化劑的使用，因此近年來各國都對含鉛汽油的使用 2末端混合氣的壓力和溫度末端混合氣的壓力和溫度 末端混合氣的壓力和溫度增高，則爆燃傾向增大。例如，提高壓縮比，則氣缸內(nèi)壓力、溫度升高，爆燃易發(fā)生；又如，氣缸蓋、活塞的材料使用輕金屬，由于其導熱性好，末端混合氣壓力、溫度低，爆燃傾向小，可提高壓縮比0.40.7單位。 3火焰前鋒傳到末端混合氣的時間火焰前鋒傳到末端混合氣的時間 提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?、縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，都會減少火焰前鋒傳到末端混合氣的時間，有利于避免爆燃。例如，氣缸直徑大時，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x增加，爆燃傾向增大，所以沒有很大缸徑的汽油機。 二、

13、表面點火二、表面點火 在汽油機中，凡是不靠電火花點火而由燃燒室內(nèi)熾熱表面（如排氣門頭部、火花塞絕緣體或零件表面熾熱的沉積物等）點燃混合氣的現(xiàn)象，統(tǒng)稱表面點火。它的點火時刻是不可控制的，多發(fā)生在=9以上的強化汽油機上。 熾 熱 表 面 1后火后火 表面點火出現(xiàn)在火花塞跳火后，并且形成的火焰前鋒仍以正常的火焰?zhèn)鞑ニ俣认蛭慈細怏w推進，稱為后火。出現(xiàn)這種現(xiàn)象時，可在發(fā)動機斷火后發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機仍像有電火花一樣，繼續(xù)運轉(zhuǎn)，直到熾熱點溫度下降到不能點燃混合氣為止，發(fā)動機才停轉(zhuǎn)。 2早燃早燃 是指在火花塞點火之前，熾熱表面就點燃混合氣的現(xiàn)象。 由于早燃提前點火而且熱點表面比火花大，使燃燒速率快，氣缸壓力、溫度增

14、高，發(fā)動機工作粗暴，并且由于壓縮功增大，向缸壁傳熱增加，致使功率下降，火花塞、活塞等零件過熱。 早燃會誘發(fā)爆燃，爆燃又會讓更多的熾熱表面溫度升高，促使更劇烈的表面點火，兩者互相促進，危害可能更大。 與爆燃的不同點：與爆燃的不同點： 1爆燃是火花塞跳火后末端混合氣的自燃現(xiàn)象；表面點火一般是在正?；鹧鏌街坝蔁霟嵛稂c燃混合氣所致。 2爆燃時有強烈的壓力沖擊波，有尖銳的金屬敲擊聲；表面點火沒有壓力沖擊波，敲缸聲比較沉悶，主要是由活塞、連桿、曲軸等運動件受到?jīng)_擊負荷產(chǎn)生振動而造成。 影響熱面點火的因素影響熱面點火的因素 凡是能降低燃燒室溫度和壓力升高率、減少積炭等熾熱點形成的因素都有助于防止熱面點火

15、。 第三節(jié)第三節(jié) 影響燃燒過程的因素影響燃燒過程的因素 一、一、 汽油的品質(zhì)汽油的品質(zhì) 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)性用餾程和蒸氣壓評定。汽油的蒸發(fā)性愈強，愈容易汽化，與空氣混合愈均勻，易于完全燃燒。因而汽油要有良好的蒸發(fā)性，但蒸發(fā)性過強，在炎熱的夏季、高原山區(qū)使用時，易形成供油系“氣阻”，甚至發(fā)生供油中斷現(xiàn)象。 （二）汽油的抗爆性（二）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。 二、混合氣成分二、混合氣成分 在at=

16、0.80.9時，由于燃燒溫度最高，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲螅虼藀z、Tz、p/、Pe均達最高值，且爆燃傾向最大。 在at=1 .031.1時，由于燃燒完全，be最低，但此時缸內(nèi)溫度最高且空氣富裕，Nox排放量大。 使用at1的濃混合氣工作，由于必然產(chǎn)生不完全燃燒，所以CO排放量明顯上升。 當at0.8及at1.2時，火焰?zhèn)鞑ニ俣染徛糠秩剂峡赡軄聿患巴耆紵?，因而?jīng)濟性差，HO排放量增多且工作不穩(wěn)定。 二、點火提前角二、點火提前角 點火提前角是從火花塞跳火到上止點間的曲軸轉(zhuǎn)角。其數(shù)值應視燃料性質(zhì)、轉(zhuǎn)速、負荷、過量空氣系數(shù)等很多因素而定。 點火提前角過小，則燃燒延長到膨脹過程，燃燒最高壓力和溫度下降

17、，傳熱損失增多，排氣溫度升高，功率下降，耗油量增多。 點火提前角過大，則大部分混合氣在壓縮過程中燃燒，活塞上行所消耗的壓縮功增加，發(fā)動機容易過熱，有效功率下降，工作粗爆程度增加。同時由于混合氣的壓力過高，末端混合氣燃燒前的溫度較高，爆燃傾向加大。 點火提前角為最佳值時，壓力生高率不是過高，最高壓力出現(xiàn)在上止點后合適的角度內(nèi)，示功圖面積最大，完成的循環(huán)功最多，發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性最好。 一、 發(fā)動機轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速增加時，氣缸中紊流增強，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤蚨悦胗嫷娜紵^程縮短，由于循環(huán)時間也縮短，一般燃燒過程相當?shù)那S轉(zhuǎn)角增加，應當相應加大點火提前角。為此汽油機裝有離心提前調(diào)節(jié)裝置，使得在轉(zhuǎn)速增

18、加時，自動增大點火提前角，以保證燃燒過程在上止點附近完成。 轉(zhuǎn)速增加時，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤純A向減小。 三、發(fā)動機負荷三、發(fā)動機負荷 轉(zhuǎn)速一定，負荷減小時，進入氣缸的新鮮混合氣量減小，而殘余廢氣量基本不變，故殘余廢氣所占比例相對增加。因為殘余廢氣對燃燒反應起阻礙作用，使燃燒速度減慢。為保證燃燒過程在上止點附近完成，需增大點火提前角，靠真空提前點火裝置來調(diào)節(jié)。 低負荷時，爆燃傾向較小。主要是負荷低時，進氣量少，殘余廢氣相對較多，使燃燒最高壓力和溫度下降，阻止自燃產(chǎn)生。 冷卻水溫過高時，會使燃燒室壁及缸壁過熱爆燃及表面點火傾向增加。同時進入氣缸的混合氣溫度升高，密度下降，充量減小，使發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性下降。 冷卻水溫過低時，傳給冷卻水熱量增多，發(fā)動機熱效率降低，功率下降，耗油率增加；潤滑油粘度增大，流動性差，潤滑效果變差，摩擦損失及機件磨損加?。蝗菀资谷細庵械乃岣退魵饨Y(jié)合成酸類物質(zhì)，使氣缸腐蝕磨損增加；燃燒不良易形成積炭；不完全燃燒現(xiàn)象嚴重，使排污增多。 五、燃燒室積炭五、燃燒室積炭 積炭不易傳熱，溫度較高，在進氣、壓縮過程中不斷加熱混合氣，使溫度升高很快；積炭本身占有體積，減小了燃燒室體積，因而提高了壓縮比，這些都促使爆燃傾向增加。