05內(nèi)燃機(jī)混合氣形成與燃燒解析

1、第五章內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成和燃燒第一節(jié)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的氣體流動(dòng)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)混合氣形成和燃燒過程有決定性影響，因而也影響著發(fā)動(dòng)饑的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒噪聲和有害廢氣的排放。組織良好的缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)提高汽油機(jī)的火焰?zhèn)鞑ニ俾?、降低燃燒循環(huán)變動(dòng)、適應(yīng)稀燃或?qū)尤加兄匾饔?；?duì)提高柴油機(jī)的燃抽空氣混合速率，提高燃燒速率，促進(jìn)燃燒過程中空氣與未燃燃料的混合（熱混合作用）有重要作用。因此，深入了解內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)出氣運(yùn)動(dòng)燃燒過程的影響和作用，對(duì)于組織良好的燃燒過程，開發(fā)具有高性能和低污染的發(fā)動(dòng)機(jī)具有重要意義。一、渦流1、進(jìn)氣渦流在世氣過程中形成的，繞氣缸軸線有組織的氣流運(yùn)動(dòng)，稱為進(jìn)氣渦流；由于存在氣流之間的內(nèi)磨擦

2、耗損和氣流與缸壁之間的摩擦，將使進(jìn)氣渦流在壓縮過程逐漸衰減。一般情況下，在壓縮終了時(shí)，約約1/41/3的初始動(dòng)量矩?fù)p失掉。當(dāng)活塞接近于上止點(diǎn)，大量空氣被迫進(jìn)入位于活塞頂部的燃燒室內(nèi)，使凹坑內(nèi)的切線速度有所增加。進(jìn)氣結(jié)束時(shí)，汽缸內(nèi)旋流速度的分布表明，小于某一半徑時(shí)，切線速度隨半徑的增加而增大，速度呈剛體流分布；越過這一半徑時(shí)，切線速度隨半徑的增加而減小，速度呈勢流分布。當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，剛體流動(dòng)明顯增強(qiáng)，勢流運(yùn)動(dòng)明顯減弱，可以認(rèn)為此時(shí)燃燒室凹坑內(nèi)的旋流運(yùn)動(dòng)力剛體流。研究表明，進(jìn)氣過程所產(chǎn)生的旋流可以持續(xù)到燃燒膨脹過程。在柴油機(jī)上，進(jìn)氣渦流主要用于增強(qiáng)噴油油束與空氣的混合，提高燃油與空氣混合速率

3、，這有助于柴油機(jī)的快速燃燒。在汽油機(jī)上，進(jìn)氣渦流主要用于增加火焰?zhèn)鞑ニ俾?，?shí)現(xiàn)快速燃燒。進(jìn)氣渦流的大小由進(jìn)氣道形狀和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。2、進(jìn)氣渦流的產(chǎn)生方法進(jìn)氣渦流的產(chǎn)生方法有：（1）、采用帶導(dǎo)氣屏的進(jìn)氣門（圖51a）強(qiáng)制空氣從導(dǎo)氣屏的前面流出,依靠氣缸壁面約束，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流。由鹵52b可知，由于導(dǎo)氣屏的存在，使在導(dǎo)氣屏占據(jù)的氣門周長范圍內(nèi)氣流不進(jìn)入氣缸，增人了導(dǎo)氣屏對(duì)面的氣流速度，從而形成對(duì)氣缸中心O的動(dòng)量矩。顯然，改變導(dǎo)氣屏包角P的大小和導(dǎo)氣屏安裝角口（OO導(dǎo)氣屏對(duì)稱中心線與氣缸軸線的夾角，見圖52b）的大小，均可改變渦流強(qiáng)度。P角一般常選80一一120,口角在90一270附近可望形成較強(qiáng)的

4、渦流（兩者產(chǎn)生的渦流轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反）。導(dǎo)氣屏在試驗(yàn)時(shí)調(diào)整比較方便，常在單缸機(jī)上作調(diào)試用，為新氣道的設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。其缺點(diǎn)是：1）由于導(dǎo)氣屏減小氣流流通截面，流動(dòng)不對(duì)稱，使流動(dòng)阻力增加，充量系數(shù)降低。2）由于氣門上有導(dǎo)氣屏，為保證工作時(shí)氣流的旋轉(zhuǎn)方向和強(qiáng)度，進(jìn)氣門必須有導(dǎo)向裝置，以防工作時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，這都使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本增加。3）氣門盤剛度不均勻，變形大，氣門在工作時(shí)又個(gè)能轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣門容易偏磨,對(duì)氣門密封不利。民5產(chǎn)生進(jìn)氣漏流的方法H）導(dǎo)氣屏b）切向氣道C）螺旋氣道（2）、切向氣道（圖5-1b）切向氣道形狀比較平直，在氣門座前強(qiáng)烈收縮，引導(dǎo)氣流以單邊切線方向進(jìn)入氣缸，從而造成氣門口速度分布的不均勻

5、。它相當(dāng)于在平直無旋氣道速度分布的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)沿切向氣道方向的速度u（圖5-2c）0切向進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)簡單、在對(duì)進(jìn)氣渦流要求低時(shí)，流動(dòng)阻力不大，但當(dāng)對(duì)渦流要求高時(shí)，由于氣門口速度分布過于不均勻，氣門流通面積實(shí)際上得不到充分利用，氣道阻力將很快增加，因此切向氣道適用于要求進(jìn)氣渦流強(qiáng)度不高的發(fā)5-2各類氣道出口處的速度分布示意圖a）平直無旋氣道b）帶導(dǎo)氣屏的進(jìn)氣道c）切向氣道d）純螺旋氣道（3）、螺旋氣道（圖5-1c）在氣門座上方的氣門腔內(nèi)做成螺旋形，使氣流在螺旋氣道內(nèi)就形成一定強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)，其氣門口處氣流的情況相當(dāng)于在乎直氣道出口速度分布的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)切向速度5,合成后的速度圖（圖52d）是一

6、個(gè)對(duì)稱圖形。因此，除了螺旋氣道本身形成的動(dòng)量矩外，速度分布團(tuán)對(duì)氣缸中心不再形成動(dòng)量矩了，這種氣道稱為純螺旋氣道。事實(shí)上，由于在氣缸蓋上布置氣道時(shí)，螺旋室高度值不能很大，氣流流入氣缸時(shí)必然會(huì)含有一部分切向氣流的成分，因此實(shí)際使用的螺旋氣道中的空氣旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均由兩部分組成。采用強(qiáng)渦流螺旋氣道燃燒室的性能與氣道質(zhì)量的關(guān)系極為密切，因此就大大提高了對(duì)鑄造工藝和加工的要求，例如對(duì)氣道泥芯的變形、定位、氣道出口和氣門座圈的同心度等必須嚴(yán)格控制。3.氣道的評(píng)定方法為了增加進(jìn)氣充量，氣道的流動(dòng)阻力越小越好。氣道的質(zhì)量指標(biāo)主要有流動(dòng)阻力和渦流強(qiáng)度，我們希望在盡可能小的阻力下有足夠的渦流強(qiáng)度。在穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺(tái)（圖5

7、3）上評(píng)定渴流強(qiáng)度的方法基本相近，一般采用葉片風(fēng)速儀則量模擬氣缸內(nèi)禍流的轉(zhuǎn)速或用角動(dòng)量矩直接測出渦流的角動(dòng)量，氣體流量用流量計(jì)測定。測量方法一般采用定壓差法，在不同的氣門升程下測量葉片的轉(zhuǎn)速和氣體流量。為使不同形狀和尺寸氣道的流動(dòng)特性具有對(duì)比性，采用無量綱流量系數(shù)評(píng)價(jià)不同氣門升程下氣道的阻力特性或流通能力，用無量綱渦流數(shù)評(píng)價(jià)不同氣門行程下氣道形成渦流的能力。圖5-3氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)1-試驗(yàn)缸蓋2-模擬氣缸3-葉片風(fēng)速儀4-計(jì)數(shù)器5-壓差計(jì)6-孔板流量計(jì)7-穩(wěn)壓*f8-鼓風(fēng)機(jī)9-流量調(diào)節(jié)閥在評(píng)價(jià)方法上我國普遍采用Ricardo方法，其無量綱流量系數(shù)CF定義為流過氣門座的實(shí)際空氣流量與理論空氣流量之

8、比，即QCfAo式中，Q為試驗(yàn)測得的實(shí)際空氣流量；A為氣門座內(nèi)截面面積(5-2)2A-：dVn/4dv為氣門座內(nèi)徑；n為進(jìn)氣門數(shù)目；”為理論進(jìn)氣速度，0=J2%（5-3）式中，Ap為進(jìn)氣道壓力降，一般取2.5kPa；P為氣門座處氣體的密度（kg/m3）Ricardo無量綱渦流數(shù)NR為Nr為：rDNr=-（5-4）-0式中，Er為葉片旋轉(zhuǎn)角速度；D為缸徑。Ricardo渦流比Q為e式中，名為發(fā)動(dòng)機(jī)族轉(zhuǎn)角速度。一、擠流在壓縮過程后期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋彼此靠近時(shí)所產(chǎn)生的徑向或橫向氣流運(yùn)動(dòng)稱為擠壓流動(dòng)，又稱擠流。擠流強(qiáng)度主要由擠氣面積和擠氣間隙的大小決定。擠流在汽油機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，汽袖

9、機(jī)緊湊型燃燒室都利用較強(qiáng)的擠流運(yùn)動(dòng)，以增強(qiáng)燃燒室內(nèi)的湍流強(qiáng)度，促進(jìn)混合氣快速燃燒。當(dāng)活塞下行時(shí)，燃燒室中的氣體向外流到環(huán)形空間，產(chǎn)生膨脹流動(dòng)，稱為逆擠流。逆擠流在柴油機(jī)上有助于將燃燒室內(nèi)的混合氣流出，使其進(jìn)一步和氣缸內(nèi)的空氣混合燃燒，對(duì)改善燃燒和降低排放十分有利?？s口形燃燒室就是充分利用了較強(qiáng)的擠流和逆擠流。二、渦流在壓縮過程中形成的有組織的旋轉(zhuǎn)空氣運(yùn)動(dòng)，稱為壓縮渦流。如在渦流室柴油機(jī)的壓縮過程中，氣缸內(nèi)的空氣通過通道被壓人渦流室中，形成有組織的旋流運(yùn)動(dòng)，這種壓縮渦流可促進(jìn)噴入渦流室中的燃料與空氣的混合，渦流大小由渦流室形狀、通道尺寸、位置和角度決定。三、滾流在進(jìn)氣過程中形成的，續(xù)垂直于氣缸軸

10、線的有組織的空氣旋流，稱為滾流或橫軸渦流。滾流較適宜于在四氣門汽油機(jī)上使用，滾流在壓縮過程中其動(dòng)量衰減較少。當(dāng)活塞接近于上止點(diǎn)時(shí)，大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強(qiáng)度和湍流動(dòng)能增加，大大提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能（圖54）。在四氣門汽油機(jī)中，在兩個(gè)進(jìn)氣道的一個(gè)進(jìn)氣道中安裝旋流控制閥，通過改變旋流控制閥的升度，即可形成不同角度的斜向旋流，斜向旋流可以認(rèn)為是出進(jìn)氣渦流和滾流兩部分組成的。滾流在近幾年來獲得了光泛的應(yīng)用，特別是在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上具有十分重要的地位。a)hf圖5-4滾流的基本過程G進(jìn)氣過程b)壓縮過程0)壓縮終了四、湍流在氣缸內(nèi)形成的無規(guī)則的氣流運(yùn)動(dòng)稱為湍流。采用統(tǒng)計(jì)的

11、方法定義湍流特性參數(shù)，在統(tǒng)計(jì)定常的湍流場中，某方向上的當(dāng)?shù)厮矔r(shí)流速U可以寫為U(t)=Uu(t)(5-6)式中，U為平均速度；u(t)為流速的脈動(dòng)分量。1t0.U-lim-U(t)dtt式中，T為時(shí)間；t0為起始時(shí)間。湍流強(qiáng)度定義為脈動(dòng)速度分量的均方根值，即11t0二22u=lim：_-toudt此外，還使用一些長度尺度和時(shí)間尺度表征湍流特性,(5-7)(5-8)具有代表性的有以下幾種。1.積分尺度li和積分時(shí)間尺度,積分尺度是指流場中最大尺度結(jié)構(gòu)的量度，即大渦的尺度。積分尺度可用氣流中相鄰任意兩點(diǎn)脈動(dòng)速度的自相關(guān)系數(shù)的積分值來表示(圖55),即(5-9)式中，只Rx為自相關(guān)系數(shù)，定義為（5-

12、10）D11mU（X0）U（X0十x）Rx=-Nm-1iU（X0）U（X0x）式中，Nm為測量次數(shù)。圖5-5湍流流動(dòng)中的長度尺度出上述定義可知，為了確定li需要同時(shí)測定流場中兩個(gè)點(diǎn)的速度脈動(dòng)值，這就增加了試驗(yàn)工作的復(fù)雜性。因此在實(shí)際工作中，一般均先求出積分時(shí)間尺度%,然后計(jì)算li。在統(tǒng)計(jì)定常流動(dòng)中，可固定空間一點(diǎn)，用兩個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)相關(guān)來定義積分時(shí)間尺度ii=0Rdt式中，R為時(shí)間相關(guān)系數(shù)，定義為（5-11）1：mU（t0）U（t。t）Nm-1yU（t0）U（t0t）（5-12）若湍流在通過測定點(diǎn)時(shí)沒有很大的畸變，而且湍流本身較弱，則積分長度尺度11和積分時(shí)間尺度之間存在以下關(guān)系11=U1（5-

13、13）如果在氣流中發(fā)生大渦結(jié)構(gòu)對(duì)流現(xiàn)象，7可認(rèn)為是大渦通過該點(diǎn)的時(shí)間；在沒有平均流動(dòng)的氣流中，可以視作大渦結(jié)構(gòu)的壽命。2. Kolmogorow長度尺度1k和時(shí)間尺度（疊加在大尺度氣流亡有許許多多很小尺寸的渦，這些渦是大渦不斷破裂歷形成的、這些小渦使當(dāng)?shù)貧饬鞯牧餍脱杆侔l(fā)生變化，湍流能量的耗散即發(fā)生在這些最小的結(jié)構(gòu)中。而分子粘性起著把小尺寸渦的動(dòng)能耗散為熱能的作用，這一最小的湍流流動(dòng)結(jié)構(gòu)尺寸可用Kolmogorow長度尺度1k表示，它決定丁單位質(zhì)量能量的耗散速率8和流體運(yùn)動(dòng)帖度V。為此，定義Kolmogorow長度尺度1K為1匕3V1k=I（5-14）IwJKolmogorow時(shí)間尺度7K表示最

14、小湍流結(jié)構(gòu)的動(dòng)量擴(kuò)散時(shí)間，它的定義為(5-15)3. Taylor微觀長度尺度幾和時(shí)間尺度微觀長度尺度1m被認(rèn)為是發(fā)生粘性耗散的很薄的剪切層的大致間距。時(shí)間尺度即可由時(shí)間自相關(guān)曲線求出(5-16)對(duì)于均勻的和等嫡的湍流，微觀長度尺度1m和時(shí)間尺度Tm之間存在如下關(guān)系(5-17)湍流在汽油機(jī)上主要用于提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，在柴油機(jī)上組織適當(dāng)?shù)耐牧骺梢愿纳迫加停ㄈ绫诿娓浇娜加停┡c空氣的混合。第二節(jié)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒一、點(diǎn)火過程與著火落后期1 .火花點(diǎn)火過程火花點(diǎn)火過程十分復(fù)雜，至今仍有許多方面還不清楚，圖56示出了常規(guī)高壓線圈點(diǎn)火系統(tǒng)工作時(shí)電壓與電流的變化情況，圖上標(biāo)明的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的組成及元件的參數(shù)

15、選擇有關(guān)。只是說明大致的量級(jí)。整個(gè)放電過程對(duì)分為三個(gè)階段：（1）擊穿階段火花塞電極在很高的電壓（約1015kv）作用下，擊穿電極問隙內(nèi)的混合氣，離子流從火花塞的一個(gè)電極奔向另一個(gè)電極，這時(shí)間隙阻抗迅速下降，一個(gè)很窄的（直徑大約40Rm）的圓柱狀的離子化的氣體通道建立起來，電能幾乎可以無損失地通過離子流，使它的溫度升至60000K,壓力上升到幾十個(gè)MPa,從而產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的激波向四周傳播，使等離子通道的體積迅速膨脹（絲膨脹到直徑2mm）,而它的壓力、溫度迅速下降，這一階段稱為擊穿階段。這時(shí),通過火花塞間隙的峰值電流高達(dá)200A,但整個(gè)擊穿階段的時(shí)間很短，約10nsoIfeA”鄴髭w於sooo1I

16、1-h一定呼壬超H王OVIFLI51LI1J-I.哲xfeM-)送出圖5-6常規(guī)高壓線圈點(diǎn)火工作時(shí)，電壓和電流隨時(shí)間的變化（2）電弧階段擊穿階段的木期造成了電極間的電流通道，因此電弧放電的電壓較低（50l00v）,但電流仍很高，與擊穿階段的電極間電流通道內(nèi)的氣體完全離解或離子化相反，在電弧階段放電帶的中心部分的離解程度仍很高，但離子化程度比較低（約1%）。在陰極和陽極上的電壓降是電弧放電電壓降的主要部分。電能儲(chǔ)存在這些電極的表層區(qū)域，出金屬電極導(dǎo)走，這是電弧總能量的一個(gè)重要部分。此外，電弧要求有灼熱的陰極，因此就造成了陰極材料的蒸發(fā)蝕損（出廣擊穿階段抹期等離子體體積膨脹、體外的熱交換和擴(kuò)散作用

17、增強(qiáng)，使電弧中心區(qū)溫度下降到6000K）,一般認(rèn)為，在電弧階段火焰?zhèn)鞑ラ_始發(fā)生。（3）輝光放電階段輝光放電階段的特征是電流低于200mAo在陰極上有大的電壓降（300500V）,且溫度較高，離子化程度很低（低于0.01%）,點(diǎn)火系統(tǒng)和儲(chǔ)能裝置（如點(diǎn)火線圈）的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)將決定這一階段的進(jìn)程，絕大部分的點(diǎn)火能量在此時(shí)放出，但能量損失比電弧階段更大，氣體的最高平衡溫度下降到3000K。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下，對(duì)靜止的具有化學(xué)計(jì)量比的混合氣點(diǎn)火能量只需要0.2mJo對(duì)于較稀或較濃的混合氣，以及電極處混合氣有較高流速時(shí)，需要點(diǎn)火能量為3mJ,但為能使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種上況下都能可靠點(diǎn)火，常規(guī)點(diǎn)火系統(tǒng)供給的能量一般為

18、3050mJ。2 .滯燃期要準(zhǔn)確定義點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的滯燃期比較困難，因?yàn)辄c(diǎn)火瞬間即開始火焰?zhèn)鞑?，因此可以說幾乎沒有滯燃期。目前所指的滯燃期一般用以下三種方法定義：1）從火花點(diǎn)火至氣缸內(nèi)壓力明顯脫離壓縮線時(shí)的時(shí)間或曲軸轉(zhuǎn)角。2）火花點(diǎn)火開始后觀察氣缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ブ聊骋辉O(shè)定的小的半徑時(shí)所需的時(shí)間。為試驗(yàn)方使，一般先求出火焰半徑與時(shí)間的關(guān)系曲線，用外推法求出所設(shè)定的小半徑的相應(yīng)時(shí)間。3）從火花點(diǎn)火開始直到氣缸內(nèi)10%的燃料燃燒完了的時(shí)間或曲軸轉(zhuǎn)角（又名火餡發(fā)展角）。應(yīng)當(dāng)指出的足，以上三種方法測出的滯燃期在數(shù)值上差別較大，在使用時(shí)應(yīng)指明采用何種定義的滯燃期。二、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)中的正常燃燒（一）定容燃燒彈中

19、的燃燒可燃混合氣在定容燃燒彈中的燃燒與汽油機(jī)的燃燒比較接近。在圖57上把定容燃燒彈分成相等的四部分，其中包含等量的可燃混合氣（圖57a）,其狀態(tài)為（p。，T。）。當(dāng)?shù)谝徊糠秩紵院?，壓力溫度升高，壓縮其余末燃部分，區(qū)域1的溫度從1上升到了Ti,其余部分由于壓縮與傳熱的影響，溫度與壓力也有所提高（圖57b）。當(dāng)區(qū)域2開始燃燒時(shí)，該部分的混合氣是在比始?jí)簆0、始溫T0較高的壓力溫度下燃燒的。燃燒時(shí)，這部分氣體要膨脹，進(jìn)而壓縮已燃燒氣體1和未燃燒氣體3和4,使它們的壓力溫度再升高，然后依次燃燒3和4部分的混合氣。由上述物理模型利以得出以下結(jié)論：1）火焰沿燃燒室不斷傳播，相繼投入燃燒的各層混合氣，將比

20、前一層混合氣有更高的密度，因此在圖5-7所示等截面燃燒室內(nèi)，燃燒速率也是不相等的II1I00.250.5075L0b)圖5-7燃燒部分的膨脹和對(duì)已燃、未燃部分的壓縮2）由f各部分混合氣在投入燃燒前的狀態(tài)不同，燃燒后受壓縮的情況也不同，因而最終使燃燒室內(nèi)各處的燃?xì)鉁囟炔幌嗟龋拷鸹ㄈ哪遣糠只旌蠚?，最先在較低的溫度下燃燒，在低壓下膨脹，最后在高壓下回到原來的體積，這部分氣體除獲得燃燒的化學(xué)能外，還獲得壓縮功，因而最終溫度較高。相反，最后燃燒的那部分混合氣，要損失一部分功，因而溫度較低，兩者相差可達(dá)數(shù)百度。這也可以說明，用高速攝影記錄燃燒過程（在火焰?zhèn)鞑ソ咏K點(diǎn)）時(shí)，火花塞附近又發(fā)生所謂“后輝”

21、現(xiàn)象的原因。3）由于燃燒室內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ鸬膲嚎s一膨脹作用，即使在氣流靜止的燃燒室內(nèi)也會(huì)引起氣流的運(yùn)動(dòng)，而且燃燒初期的運(yùn)動(dòng)方向與燃燒末期是相反的。這將使火焰?zhèn)鞑ニ俣犬a(chǎn)生先加速后減速的傾向。止匕外，由于遠(yuǎn)離火焰中心的混合氣所受壓縮與傳熱時(shí)間最長，在火焰前鋒到達(dá)前，先期反應(yīng)已有較大的發(fā)展，因而火焰前鋒的速度越來越大，但在接近缸壁時(shí)，由于缸壁的冷卻作用而變慢。（二）預(yù)混燃燒與擴(kuò)散燃燒在燃燒過程中，如果混合過程比燃燒反應(yīng)要快得多或者在火焰到達(dá)之前燃料與空氣已充分混合，這種可燃混合氣的燃燒稱之為預(yù)混燃燒。汽油機(jī)和氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的可燃混合氣的燃燒基本上屬預(yù)混燃燒。在柴油機(jī)中，燃料是借助于噴油裝置在接近壓縮

22、終了時(shí)噴人氣缸，經(jīng)過一個(gè)很短的滯燃朗后即開始著火。在滯燃期內(nèi)，若噴入氣缸的燃料在著火前已蒸發(fā)并與空氣混合，那么這部分燃料的燃燒可以看作是預(yù)混燃燒。柴油機(jī)的大部分燃料是在著火后噴入氣缸的，它處于一邊與空氣混合、一邊燃燒的情況下，由于混合過程比反應(yīng)速率慢，因此燃燒速率取決于混合速率。換句話說，混合過程控制了燃燒速率，這就是所謂的擴(kuò)散燃燒。擴(kuò)散燃燒的顯著特征是，它的燃燒速率取決于使燃料和氧化劑達(dá)到適宜進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所需要的擴(kuò)散速率。（三）點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程為研究方便起見，一般人為地把點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的實(shí)際進(jìn)展分成三個(gè)階段圖（58）o第I階段稱為著火階段，是指電火花跳火到形成火焰中心的階段。電火

23、花在上止點(diǎn)前日角跳火以后，混合氣中并不立即產(chǎn)生火焰。高速攝影表明，在1點(diǎn)（圖58）亮后，至I2點(diǎn)再亮，這段時(shí)間約占整個(gè)燃燒時(shí)間的15%左右，但一般是按氣缸壓力開始與壓縮壓力相分離的2點(diǎn)計(jì)算的，2點(diǎn)與2點(diǎn)相差甚微，它與底片的感光性能及測壓儀器的靈敏度有關(guān)。滯燃期G的長短與下列因素有關(guān):1）燃料本身的分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能。2）開始點(diǎn)火時(shí)氣缸內(nèi)氣體的壓力溫度。它與壓縮比有關(guān)，壓縮比高，滯燃期短。3）過量空氣系數(shù)電。試驗(yàn)表明，汽油一空氣混合氣在a=0.80.9時(shí)，卻圖5-8汽油機(jī)的燃燒過程圖5-9混合氣濃度對(duì)滯燃期Ti的影響日-點(diǎn)火提前角耳-滯燃角92-有效燃燒角鳥-燃燒角(03-d+仇)4)殘余廢

24、氣量增加，虧增加。5)氣缸內(nèi)混合氣運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，則和稍有增加。電極間隙處，也可能在電極間隙附近。6)火花能量大，.縮短。對(duì)于電火花點(diǎn)火的汽油機(jī)而言，氣缸內(nèi)著火的時(shí)間(2點(diǎn))可以用控制點(diǎn)火提前角的辦法來達(dá)到，所以滯燃期的長短對(duì)汽油機(jī)工作的影響不大，這一點(diǎn)是與柴油機(jī)完全不同的。第II階段23稱為急燃期，是指火焰由火焰中心燒迫整個(gè)燃燒室的階段，因此也可稱為火焰?zhèn)鞑ルA段。在這一階段內(nèi)，壓力升高很快，壓力升高率dp/d5=0.20.4MPa/(C)(CA)。一般用壓力升高率代表發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴的程度。振動(dòng)和噪聲水平、火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c壓力升高率密切相關(guān)，因此火焰?zhèn)鞑ニ俾矢叩目扇蓟旌蠚饩偈筪p/d邛增加，同樣火花塞

25、位置、燃燒室型式對(duì)壓力升高率也有影響。急燃期終點(diǎn)一般為最高壓力點(diǎn)3或最高溫度點(diǎn)3(有時(shí)3和3點(diǎn)重合)；當(dāng)然，若取放熱率驟然下降的時(shí)刻作為急燃期終點(diǎn)則更為合理。最高燃燒壓力點(diǎn)3到達(dá)的時(shí)刻，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、經(jīng)濟(jì)性有重大影響。如3點(diǎn)到達(dá)過早，則混合氣必然過早點(diǎn)燃，從而引起壓縮過程負(fù)功的增加，壓力升高率增加，最高燃燒壓力過高。相反，如3點(diǎn)到達(dá)過遲，則膨脹比將減小，同時(shí)，燃燒高溫時(shí)期的傳熱表面積增加，也是不利的。3點(diǎn)的位置可以用點(diǎn)火提前角”g來調(diào)整。第III階段34稱為后燃期，它相當(dāng)于急燃期終點(diǎn)3至燃料基本上完全燃燒點(diǎn)4為止。p平圖上的點(diǎn)3表示燃燒室主要容積已被火焰充滿，混合氣燃燒速度開始降低，加上活塞

26、向下止點(diǎn)加速移功，使氣缸中比力從點(diǎn)3開始下降。在后燃期中上要是湍流火焰前鋒后面沒有完全燃燒掉的燃料，以及附在氣缸壁面亡的混合氣層繼續(xù)燃燒。止匕外，汽油機(jī)燃燒產(chǎn)物中CO2和H2O的離解現(xiàn)象比柴油機(jī)嚴(yán)重，在膨脹過程中溫度下降后又部分復(fù)合舊放出熱量，一般也作后燃看待。為了保證汽油機(jī)工作柔和、動(dòng)力性能良好，一般應(yīng)使點(diǎn)2在上止點(diǎn)前12；15；(CA)0最高燃燒壓力點(diǎn)3在上止點(diǎn)后121CA(到達(dá)，(dp/dm)a=0.175-M.P205CA()()(四)燃燒過程按已燃質(zhì)量分量劃分圖510表示了每循環(huán)的已燃質(zhì)量百分?jǐn)?shù)與曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)曲線。在火花點(diǎn)火以后，燃料-空氣混合氣的燃燒速率從很低的數(shù)值立即在燃燒過程

27、的中途達(dá)到最大，然后當(dāng)燃燒終了時(shí)接近于零。利用已燃質(zhì)最百分?jǐn)?shù)表示燃燒過程各階段極為方便，并以此可定義發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的各個(gè)階段。根據(jù)此曲線，目前常用的表征點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的特征是：1）火焰發(fā)展期（或角），是指從火花點(diǎn)火到燃料化學(xué)能釋放10%之間的曲軸轉(zhuǎn)角間隔期。點(diǎn)火開始1.總摒燒期一_-,S賽器饕酶整-20火批發(fā)展期1020曲軸轉(zhuǎn)用，。匚A快速盛燒期圖5-10火炳發(fā)展期和快速燃燒期的定義圖2）快速燃燒期（或角），指大量工質(zhì)燃燒所需的曲軸轉(zhuǎn)角間隔。它定義為從火焰擴(kuò)展階段（通常指已燃質(zhì)量百分?jǐn)?shù)達(dá)到10%）到火焰?zhèn)鞑ミ^程終點(diǎn)（通常指已燃質(zhì)量百分?jǐn)?shù)達(dá)到90%）之間的曲軸轉(zhuǎn)角間隔期。3）總?cè)紵冢ɑ蚪牵?

28、整個(gè)燃燒過程的持續(xù)期，它是火焰發(fā)展期與快速燃燒期之和。（五）火焰?zhèn)鞑ヂ手泻腿紵俾士扇蓟旌蠚庵鹨院?，即形成火?中心，由此中心以一定的速率傳播到整個(gè)燃燒室。1、層流火焰?zhèn)鞑ニ俾蔛L層流火焰?zhèn)鞑ニ俾识x為火焰前鋒相對(duì)于未燃混合氣的相對(duì)速率，其表達(dá)式為：dmbSl=d-（5-18）Afu式中，Af為火焰面積，P為未燃混合氣密度，dmb為質(zhì)量燃燒率dt對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的混合氣，具值在0.41.8ms之間。在實(shí)際計(jì)算Sl（cm/s）時(shí)常采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式T0=5。庭p/101.3(5-19)式中，Slo=30.5-54.9(*-1.21)2;a=21.80.8。1);P=0.16+0.22(41);e為當(dāng)量

29、比(化學(xué)計(jì)量燃空比的倒數(shù))；P為壓力(kPa);Tu為火焰前鋒面前未燃?xì)怏w溫度(K)。2、湍流火焰速率St由于缸內(nèi)存在湍流，大標(biāo)尺的湍流將使火焰前鋒面發(fā)生扭曲，除使其面積增大外，還可使火焰前鋒分裂成許多燃燒中心，導(dǎo)致湍流火焰速率大大增加；小標(biāo)尺的湍流也可大大增加焰面中分子與新鮮混合氣中的分子的相互滲透，因此也使湍流速率增加(圖511)。FSR為為火焰速率比，定義為FSR=0/Sl。因此，湍流速率與層流速率存在如下關(guān)系St=SlFSR(520)當(dāng)缸內(nèi)湍流強(qiáng)度不高時(shí)，Mattavi給出了便于計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式St=(1+0.001n97(5-21)式中，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)。應(yīng)當(dāng)指出，在發(fā)動(dòng)

30、機(jī)的實(shí)際燃燒過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c湍流強(qiáng)度之間的關(guān)系并不一定是線性的。湍流強(qiáng)度不高時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c湍流強(qiáng)度之間呈線性義系；湍流增加到一定強(qiáng)度時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S湍流強(qiáng)度的增加而呈非線性增加趨勢；如果湍流強(qiáng)度太強(qiáng)，火焰?zhèn)鞑ニ俾视锌赡軙?huì)隨湍流強(qiáng)度的增加而降低。因此,在汽油機(jī)中，組織適當(dāng)強(qiáng)度的湍流有助于提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，但太?qiáng)的湍流不僅不利于提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，反而?huì)使傳播中的火焰淬熄。新鮮混合氣圖5-11在不同湍流下的火焰前鋒厚度Ga)湍流較弱b)湍流強(qiáng)烈3、火焰?zhèn)鞑ニ俾蔛f火焰?zhèn)鞑ニ俾识x為火焰前鋒相當(dāng)于燃燒室壁面?zhèn)鞑サ慕^對(duì)速率，在發(fā)動(dòng)機(jī)可用下式計(jì)算Sf=0+Se(5-22)式中，Se為已燃區(qū)膨脹

31、速率，由下式給出-ApSp(5-23)式中，Ap、Sp分別是己燃區(qū)在活塞上的投影面積和活塞運(yùn)動(dòng)速度；乂為已燃區(qū)體積；co為曲軸角速度。（六）著火界限或可燃范圍當(dāng)可燃混合氣過濃或過稀時(shí)，在電火花放電以后，并不能形成火焰中心及產(chǎn)生火焰?zhèn)鞑?。電火花首先點(diǎn)燃電極間隙內(nèi)這一體積的可燃混合氣，要使它放出的熱量大于向四周混合氣的散熱量，火焰才能傳播發(fā)展；反之，將自行熄滅。由于過濃的混合氣燃燒不完全、放熱量少，過稀混合氣的熱值低、放出的熱量少，因而均不能點(diǎn)火。這兩個(gè)界限的混合氣濃度稱為可燃范圍或著火界限。要使混合氣正常燃燒，必須保證混合氣濃度在可燃范圍內(nèi)。幾種燃料的可燃范圍大致如下：燃料1amin1amax燃

32、料6.1amin1amax汽油0.51.30酒精0.41.700.41.25醴0.41.25各種燃料著火界限的數(shù)值是不同的，所有影響可燃混合氣初期放熱速率和散熱速率的因素，都會(huì)影響著火界限。例如，可燃混合氣初始溫度增高，有利于放熱速率的提高和散熱速率的降低，因此擴(kuò)大了著火界限。止匕外，由于殘余廢氣中含有大量的惰性分子門（N2、CO2、水蒸氣等），當(dāng)殘余廢氣系數(shù)增加時(shí)，著火界限將縮小。在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)，由于各處的溫度、壓力并不完全相同，空氣、燃料及殘余廢氣的混合也不一定絕對(duì)均勻，因此著火界限比上面列出的范圍窄。例如，在火花塞間隙附近的氣體，若主要是濃度合適的新鮮可燃混合氣，就比較容易著火；著火

33、后，即使其他部分的混合氣的廢氣成分高一些，由于著火后缸內(nèi)溫度、壓力均升高，火焰?zhèn)鞑ヒ脖容^容易。相反，如果燃燒室設(shè)計(jì)不好，在火花塞附近的殘余廢氣不能很好清掃，著火界限就變窄，以致不能著火?，F(xiàn)代汽油機(jī)在較高負(fù)荷且工作正常時(shí)的著火界限大致為Gmax=1.31.4,一般當(dāng)句=1.251.35時(shí),汽油機(jī)工作循環(huán)已不穩(wěn)定，燃油消耗率迅速上升，混合氣冉稀一些，發(fā)動(dòng)機(jī)即自行熄滅。電min的數(shù)值在汽油機(jī)工作中無實(shí)際意義上的限制。在汽油噴射、分層燃燒的汽油機(jī)以及柴油機(jī)中，由于整個(gè)燃燒室內(nèi)混合氣分布不均勻。因此按平均意義上的過量空氣系數(shù)表示的可燃范圍就失去意義。（七）不同工況下燃燒過程的特點(diǎn)1、點(diǎn)火提前角不同時(shí)的燃

34、燒過程影響汽油機(jī)最佳點(diǎn)火提前角的因素很多，如轉(zhuǎn)速、過量空氣系數(shù)、進(jìn)氣壓力和溫度等，它只能在試驗(yàn)中予以測定。在汽油機(jī)上，保持節(jié)氣門開度、轉(zhuǎn)速以及混合氣濃度一定，記錄功率、燃油消耗率、排氣溫度隨點(diǎn)火提前角的變化，稱為汽油機(jī)點(diǎn)火提前特性（圖512）。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)每一上況都存在一最佳點(diǎn)火提前角，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率最大，燃油消耗率最低。已經(jīng)確定，最佳點(diǎn)火提前角相當(dāng)于使最高燃燒壓力在上止點(diǎn)后1215&A時(shí)達(dá)到，這時(shí)實(shí)際示功圖與理論示功圖最為接近（時(shí)間損失最?。?。選擇最住點(diǎn)火提前角時(shí)，要考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行范圍能保證最大功率而無爆燃發(fā)生。2、混合氣濃度不同時(shí)的燃燒過程在汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度保持一定，點(diǎn)火提前

35、角為最佳值時(shí)調(diào)節(jié)供油量，記錄功率、燃油消耗率、排氣溫度隨過量空氣系數(shù)的變化曲線，稱為汽油機(jī)在某一轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度下的調(diào)整特性（圖513）。圖多13汽油機(jī)的調(diào)整特性加52點(diǎn)火提前幃性）節(jié)氣門全開h）Tt=1600r/tniii前面已指出，在公=0.80.9時(shí)，滯燃期最短，火焰?zhèn)鞑サ钠骄俾首罡叽送?，由于?的混合氣燃燒以后的實(shí)際分子變更系數(shù)增大以及燃料蒸發(fā)量增多，使進(jìn)氣溫度下降，充量系數(shù)有所增大，因此這時(shí)最高爆發(fā)壓力、最高燃燒溫度、壓力升高率和功率均達(dá)到最大值，但同時(shí)由于不完全燃燒，燃油消耗率較高在電=1.031.1時(shí)，燃油消耗率達(dá)較佳值，這主要是因?yàn)闅飧變?nèi)燃料、空氣和殘余廢氣不能絕對(duì)均勻混合，

36、因而不可能剛好在用=1時(shí)獲得完全燃燒。止匕外，混合氣稍稀時(shí)，最高燃燒溫度下降，使燃燒產(chǎn)物離解等不良影響減少，有利于提高熱效率，但是過稀的混合氣使燃燒速率降低，燃燒時(shí)間拉長，同樣使熱效率下降。3、負(fù)荷不同時(shí)的燃燒過程在汽油機(jī)上，轉(zhuǎn)速保持不變，通過改變節(jié)氣門開度來調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的混合氣量來到達(dá)不同的負(fù)荷要求。當(dāng)節(jié)氣門關(guān)小時(shí)，充星系數(shù)急劇下降，但留在氣缸內(nèi)的殘余廢氣量不變，使殘余廢氣系數(shù)增加，滯燃期增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾氏陆担罡弑l(fā)壓力、最高燃燒溫度、壓力升高比均下降，冷卻水散熱損失相對(duì)增加，因而燃油消耗率增加：因此，隨著負(fù)荷的減小，最佳點(diǎn)火提前角要提早（圖514）。在汽油機(jī)中，均用點(diǎn)火提前真空洞節(jié)器來

37、自動(dòng)調(diào)整。4、速不同時(shí)的燃燒過程當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，氣缸中湍流增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾蚀篌w與轉(zhuǎn)速成正例增加，因而最高爆發(fā)壓力、壓力升高比隨轉(zhuǎn)速的變化不大。止匕外，在轉(zhuǎn)速升高時(shí)，由于散熱損失減少，進(jìn)氣被加熱，使氣缸內(nèi)混合得更均勻，有利于縮短滯燃期。但另一方面，出于殘余廢氣系數(shù)增加，流吹走電火花的傾向增大，又使滯燃期增加。以上兩種因素使以秒計(jì)的滯燃期與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不大，但是按曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的滯燃期卻隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。因此，在汽油機(jī)上均設(shè)有點(diǎn)火提前角的離心自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，使在轉(zhuǎn)速增加時(shí)，增大點(diǎn)火提前角。圖5-14最佳點(diǎn)火提前角隨負(fù)荷的變化點(diǎn)火提前角對(duì)汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性影響較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果點(diǎn)火提前角鋼離最佳值5“CA),

38、熱效率下降1%;偏離10：(CA),熱效率下降5%;偏離20：(CA),熱效率下降16%。傳統(tǒng)的真空和離心調(diào)節(jié)裝置只能隨轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的變化對(duì)點(diǎn)火提前角作近似控制；止匕外，影響最佳點(diǎn)火提前角的因素較多(如大氣壓力、溫度、濕度、缸體溫度、燃料辛烷值、空燃比、殘余廢氣系數(shù)、排氣再循環(huán)等)，傳統(tǒng)的點(diǎn)火控制裝置只考慮了其中的兩個(gè)因素。為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火提前角的精確控制，近年來發(fā)展了一種點(diǎn)火時(shí)間的電子控制，它大體上分成兩類。一類是計(jì)算機(jī)開環(huán)控制，它是一種預(yù)定順序控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器和負(fù)荷傳感器測得的信號(hào)，在存儲(chǔ)器中預(yù)定的特性圖上找出對(duì)應(yīng)于該工況的近似最佳點(diǎn)火提前角來控制點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火。預(yù)定特性圖是事先通過試驗(yàn)得到的近

39、似最佳點(diǎn)火提前角與轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的三維曲線圖或表格，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，若多加幾個(gè)傳感器還可監(jiān)控更多的參數(shù)。另一類是閉環(huán)控制，它是一種自適應(yīng)控制或反饋控制，根據(jù)反饋信息確定下一次點(diǎn)火提前角的調(diào)節(jié)方向。目前作為反饋信息的參數(shù)采用轉(zhuǎn)速較多，具調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角的控制邏輯為：當(dāng)負(fù)荷不變時(shí)，改變點(diǎn)火提前角一個(gè)步長，則：點(diǎn)火提前后，轉(zhuǎn)速增加一一點(diǎn)火再提前點(diǎn)火提前后，轉(zhuǎn)速下降一一點(diǎn)火推遲點(diǎn)火推遲后，轉(zhuǎn)速增加一一點(diǎn)火再推遲點(diǎn)火推遲后，轉(zhuǎn)速下降一一點(diǎn)火提前這兩種系統(tǒng)正在發(fā)展中，并各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者優(yōu)點(diǎn)為響應(yīng)速度快，但不能把所有影響佳點(diǎn)火提前角的影響因素都考慮進(jìn)去，且采用傳感器多則價(jià)格較貴，系統(tǒng)的可靠性下降。后者可使點(diǎn)火提前

40、角自動(dòng)跟蹤到最佳值，但瞬態(tài)響應(yīng)性能有待進(jìn)一步改進(jìn)。（八）燃燒的循環(huán)變動(dòng)1、燃燒循環(huán)變動(dòng)現(xiàn)象燃燒循環(huán)變動(dòng)是點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的一大特征。它的定義是，在發(fā)動(dòng)機(jī)以其某一工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，這一循環(huán)和下一循環(huán)燃燒過程的進(jìn)行情況不斷變化，具體表現(xiàn)在壓力曲線、火焰?zhèn)鞑デ闆r及發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出均不相同（圖515）。圖5-15汽油機(jī)中典型的循環(huán)壓力變動(dòng)情況（=2000r/mint品=9）G稀港合氣包不1.”，節(jié)氣門全平均施示壓力變動(dòng)4.5%,最高爆燒壓力變劭土窈%b）般混合氣大0.3,節(jié)氣門全開，平均指示眼力變動(dòng)二3/,垃高燃燒壓力變動(dòng)10第當(dāng)采用稀薄燃燒和在低負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這種循環(huán)的變動(dòng)會(huì)加劇。有些循環(huán)的

41、燃燒過程進(jìn)行得快，有些循環(huán)進(jìn)行得饅，這將使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動(dòng)，因而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。另外，對(duì)于燃燒快的循環(huán)，氣缸最高爆發(fā)壓力和爆燃的趨勢都增加。因而限制了使用低辛烷值汽油和采用高壓縮比。對(duì)于燃燒慢的循環(huán)，很有可能在排氣門開啟時(shí)混合氣還未燃燒完，因而HC排放及油耗都會(huì)大幅度上升，這種情況更易在稀薄混合氣燃燒或怠速工況時(shí)發(fā)生。由于氣缸壓力的循環(huán)變動(dòng)，對(duì)于每一循環(huán)點(diǎn)火提前角不可能都處在最佳值，因而會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的進(jìn)一步提高。如果消除了氣缸壓力的循環(huán)變動(dòng)，可以降低最高燃燒壓力，改善工作粗暴性和燃油經(jīng)濟(jì)性，降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染。2、燃燒循環(huán)變動(dòng)的表征參數(shù)為了改善點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，必須十

42、分重視燃燒的循環(huán)變動(dòng)，這是因?yàn)椋?）發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)火提前角、空燃比是根據(jù)平均循環(huán)的要求確定的，對(duì)于有循環(huán)變動(dòng)的絕大多數(shù)循環(huán)將不一定是最佳值，發(fā)動(dòng)機(jī)的樂縮比和燃料辛烷值是根據(jù)最傾向于敲缸的要求確定的等等，因此只有減少燃燒循環(huán)變動(dòng)，才有可能獲得最佳的性能。2）導(dǎo)致較高的排氣污染。3）燃燒的循環(huán)變動(dòng)導(dǎo)致平均指示壓力以及輸出轉(zhuǎn)距的變動(dòng)，使車輛的驅(qū)動(dòng)性能惡化。表征燃燒循環(huán)變動(dòng)的參數(shù)大體一可以分成三類：1）與氣缸壓力有關(guān)的參數(shù)，如最高氣缸壓力pmax、相應(yīng)于氣缸最高壓力的曲軸轉(zhuǎn)角（中pmax）、最大壓力升高比（dp/d平）max、相應(yīng)于最大壓力升高比的曲軸轉(zhuǎn)角（唧max）、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的變化可用平均指示

43、壓力Pmi的變化表示。2）與燃燒速率有關(guān)的參數(shù)，加最大燃燒速率、火焰發(fā)展角中d、快速燃燒角時(shí)。3）與火焰前鋒位置相應(yīng)的參數(shù)，如火焰半徑、火焰前鋒面積、己燃和未燃的容積隨時(shí)間的變化曲線、火焰到達(dá)某一指定位置所需要的時(shí)間。由于壓力參數(shù)比較容易測量，因此常用它來表征燃燒的循環(huán)變動(dòng)。從壓力參數(shù)出發(fā)、可以定義出度量燃燒循環(huán)變動(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)，即平均指示壓力變動(dòng)系數(shù)COVimep（CoefficientofVariation）CoVimep=5mep/imepMl00=y6mi/Ml00（5-24）CoVim磊燃燒穩(wěn)定性和評(píng)價(jià)車輛驅(qū)動(dòng)件的主要參數(shù),一般認(rèn)為此值不應(yīng)超過10%為宜。由于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的循環(huán)

44、變功，每一循環(huán)的氣缸示功圖是不同的，為了獲得有代表性的、可以用來進(jìn)行放熱率分析的平均示功圖，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)燃燒循環(huán)變動(dòng)小、燃燒過程重復(fù)性好的，可取40100個(gè)循環(huán)進(jìn)行平均（對(duì)每一曲軸轉(zhuǎn)角求壓力平均）；在燃燒循環(huán)變動(dòng)較大時(shí)，可取幾百個(gè)（例如254）循環(huán)的平均值。3、產(chǎn)生燃燒循環(huán)變動(dòng)的原因?qū)е曼c(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)的原因很多，以下兩個(gè)因素被認(rèn)為是最主要的：1）燃燒過程中氣缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)狀況的循環(huán)變動(dòng)，在沒有強(qiáng)烈進(jìn)氣渦流的場合，壓縮終點(diǎn)附近氣缸內(nèi)氣流的湍流強(qiáng)度值可達(dá)到和活塞平均速度能比較的大小。由于湍流強(qiáng)度也是作循環(huán)變動(dòng)的，因此在壓縮終點(diǎn)火花塞附近和整個(gè)氣缸內(nèi)的氣流場是作循環(huán)變動(dòng)的。火花點(diǎn)火后形成的火

45、焰中心的軌跡以及火焰的初始生長速率，均隨氣流速度的大小和方向改變。同樣其后的火焰向整個(gè)燃燒室發(fā)展的進(jìn)程，如火焰與壁面的關(guān)系、火焰前鋒面積的變化以及燃燒速率等，也將受到氣流變化的影響。2）每循環(huán)氣缸內(nèi)的混合氣成分（特別是在點(diǎn)火瞬間火花塞附近），由于空氣、燃料、EGR和殘余廢氣之間混合情況的變動(dòng)而造成燃燒的變動(dòng)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行，空氣、燃料、FGR和殘余廢氣不可能獲得充分的混合。在燃燒開始時(shí)氣缸內(nèi)必然存在混合氣組成上的不均勻，在火花塞電極間隙附近混合氣成分的循環(huán)變動(dòng)，會(huì)影響早期火焰的發(fā)展，特別是影響火焰從層流燃燒階段到形成穩(wěn)定火核的過程。總之，氣流速度（平均參數(shù)和湍流參數(shù)）的變動(dòng)混合情況的變動(dòng)，

46、是造成燃燒循環(huán)變動(dòng)的主要原因。4、降低燃燒循環(huán)變動(dòng)的措施1）多點(diǎn)點(diǎn)火有利于減少壓力的循環(huán)變動(dòng)。2）組織進(jìn)氣渦流能增加燃燒速率，從而達(dá)到減少循環(huán)變動(dòng)的目的。3）提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在氣缸內(nèi)形成更強(qiáng)烈的湍流也能減少循環(huán)變動(dòng)。4）采用化學(xué)計(jì)量空燃比，由于火焰溫度和傳播速度比較高，因此壓力變動(dòng)最小。5）采用燃油電控噴射技術(shù)（特別是多點(diǎn)燃油噴射）可改善循環(huán)之間的混合氣濃度不均勻性，達(dá)到降低循環(huán)變動(dòng)的目的。6）采用快燃、速燃燃燒技術(shù)，提高火焰的傳播速率，有助于減小燃燒循環(huán)變動(dòng)；7）加大點(diǎn)火能量、優(yōu)化放電方式、采用大的火花塞間隙，有助于減小循環(huán)變動(dòng)。三、代用燃料的燃燒石油危機(jī)及其價(jià)格的上漲，引起了各國對(duì)新能源開

47、發(fā)和代用燃料研究的重視。由于醉類燃料（甲醇、乙醇）可以從煤、天然氣和植物中提煉，加之它們是液體燃料，可以沿用傳統(tǒng)的石油燃料的運(yùn)輸、儲(chǔ)存系統(tǒng)，因而被認(rèn)為是內(nèi)燃機(jī)最有希望的新的代用燃料。我國煤炭、天然氣資源豐富，醇類燃料的開發(fā)、應(yīng)用有利于發(fā)揮我國煤炭和天然氣的資源憂勢。（-）醇類燃料的主要物理化學(xué)特性和使用性能1、甲醇、乙醇的主要物理化學(xué)性質(zhì)和使用特點(diǎn)表5-1列出了甲醇、乙醇和異辛烷（汽油）物理化學(xué)性質(zhì)的有關(guān)數(shù)據(jù)。霆6”甲薛.乙祥和異辛蜿（汽油）的主要物理化學(xué)性質(zhì).-1仁出物理、化學(xué)性質(zhì)分子代密度43誓汽化港熱:理延空氣盤I，低熱值MJ1理論分子變更系數(shù)自燃混度V研究法辛標(biāo)漁漁合工甲沖CHQH77

48、964.711012fl.261.0664651091丁.乙怦72578.3胸27.Z01.099426LLO74.S坤辛烷3H邛67*125.7297-15.43,97：13H3L0aIS從表5-1所列性質(zhì)可以看到：1）醇類燃料的低熱值比汽油低，甲醇僅為汽油的46%,乙醇為汽油的62%,但甲醇、乙醇燃燒時(shí)的理論空氣量也小，甲醇為汽油的43%,乙醇為汽油的60%。因此，當(dāng)在汽油機(jī)上燃燒甲醇、乙醇時(shí)，需要增大主量孔的直徑或調(diào)整主量孔的因數(shù)，加大燃料供應(yīng)量，從而使混合氣的熱量大體與汽油混合氣的相等，使發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用醇類燃料時(shí)不會(huì)降低其動(dòng)力性能指標(biāo)，同時(shí)也有合適的空燃比。2）醇類燃料的汽化潛熱比汽油大

49、得多，甲醇為汽油的3.7倍，乙醇為汽油的：9倍，從而使混合氣在汽化時(shí)的溫降差異較大（甲醇為汽油的7倍，乙醇為汽油的4.16倍）。醇類燃料較大的混合氣溫降有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充量和動(dòng)力性，但不利于燃料在低溫下的蒸發(fā)，造成冷起動(dòng)困難和暖機(jī)時(shí)間長。3）醇類燃料的辛烷值高，在汽油機(jī)上使用時(shí)，可以提高壓縮比，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。4）由于醇類燃料的汽化潛熱大，進(jìn)入氣缸的混合氣溫度低，滯燃期長，因而應(yīng)適當(dāng)加大點(diǎn)火提前角。2、醇類燃料在汽油機(jī)中的溶解度和助溶劑醇類燃料在汽油機(jī)上使用時(shí)常進(jìn)行一定百分比例的摻燒，即將汽油與一定比例的甲醇或乙醇混合起來成為一種混合燃料（15%甲醇+85%汽油稱為M1

50、5混合燃料，純甲醇稱為M100）o但由于甲醇是極性物質(zhì)，在與非極性物質(zhì)的石油碳?xì)浠衔飺接浕鞎r(shí)，只要有微量的水存在，就可能引起醇與汽油的相分離。為使甲醇一汽油混合燃料在常溫和低溫下保持單相，必須加中、高炭醇、苯、丙酮等作為助溶劑。試驗(yàn)表明，在0匕溶解20%的甲醇，僅需3.5%容積的雜醇。（二）醇類燃料的初步試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)表明，混合燃料中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%以下時(shí)，仍能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。當(dāng)進(jìn)一步增加混合燃料中的甲醇含量時(shí)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)和暖機(jī)過程采取措施，如對(duì)進(jìn)氣管加熱和安裝熱交換器，利用排氣對(duì)進(jìn)氣加熱以縮短暖機(jī)時(shí)間等。在解放牌汽車發(fā)動(dòng)機(jī)CA10B上的試驗(yàn)表明，在不改動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下

51、，燃用摻醇量小于20%的混合燃料，可在動(dòng)力性稍有改善的同時(shí)，降低能耗5%左右，如將壓縮比由原來的6.8提高到了7.3,充分利用混合燃料的抗爆能力，則功率能提高5%7%,能耗率降低6%10%。在東風(fēng)牌汽車發(fā)動(dòng)機(jī)EQ6100上的試驗(yàn)表明，在結(jié)構(gòu)參數(shù)不調(diào)整的情況下，使用M15混合燃料在低速、低負(fù)荷工況時(shí)的動(dòng)力性比純汽油差外，在中速、中負(fù)荷以上時(shí)，動(dòng)力性比燃用純汽油高1%2%,能耗率降低3%左右。若對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整（增大點(diǎn)火提前角、擴(kuò)大主量孔油針圈數(shù)），燃用M15的功率比燃用純汽油的大1.3%,轉(zhuǎn)矩大3%,能耗率降低3.6%。在排放指標(biāo)方面，燃用混合燃料或純甲醇時(shí)，NO2和CO均比燃用汽油時(shí)低，但未

52、燃甲醇和甲醛的排放高于汽油機(jī)。甲醇對(duì)有色金屬、橡膠均有強(qiáng)烈的腐蝕作用，需要對(duì)燃油系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上和材料上采取措施。排放指標(biāo)中，未燃甲醇、甲醛均是有毒氣體，需要對(duì)其凈化措施作深人研究。國外如美國、德國已有混合燃料的加油站，出售醇類燃料與汽油的混合燃料，國內(nèi)醇類燃料在汽油機(jī)上的廣泛應(yīng)用還取決于能源形勢和政策、價(jià)格政策、市場策略等，但在某些煤炭資源豐富及醇類資源豐富的地區(qū)和單位將會(huì)首先使用，我圍山西省已開始建立混合燃料M15的加油站。（三）靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)它是指發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)有幾個(gè)不同燃料（如汽油和中醇或乙醇）的油箱，并可方便地切換使用不同燃料，在燃料油路中裝有醇傳感器，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)切換到醇燃料工作時(shí)，醇傳感器接

53、受信號(hào)，通過存儲(chǔ)器內(nèi)預(yù)定特定曲線改變電控系統(tǒng)在該工況下的點(diǎn)火時(shí)間和循環(huán)噴油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得以另一種燃料工作時(shí)的最佳性能。四、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的不正常燃燒（一）爆燃在某種條件下（如壓縮比過高），汽油機(jī)的燃燒會(huì)變得不正常，在測錄的p-t圖上，出現(xiàn)如圖5-16所示的情況，壓力曲線出現(xiàn)高頻、大幅波動(dòng)，上止點(diǎn)附近的dp/dt值急劇波動(dòng)達(dá)（dp/dt）max=0.2MPa/s或（dp/dt）max=65MPa/二（。CCA）之高，此時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧媲颁h形狀發(fā)生急劇的改變，稱為爆燃。汽油機(jī)爆燃時(shí)一般表現(xiàn)為以下外部特征：1）發(fā)出金屬振音（敲缸）。2）在輕微爆燃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率略有增加；強(qiáng)烈爆燃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降

54、,工作變得不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速下降，發(fā)動(dòng)機(jī)有較大振動(dòng)。3）冷卻系統(tǒng)過熱（冷卻水、潤滑油溫度均上升）。4）氣缸蓋溫度上升。圖5-16正常燃燒與爆燃時(shí)pt圖和dp/出圖的比莪司正常燃燒b）厚鼎發(fā)生爆燃的原因如下：電火花點(diǎn)燃以后，火焰以正常傳播速率（3070m/s）向前推進(jìn)，使得處于最后燃燒位置上的那部分終燃混合氣，在壓縮終點(diǎn)溫度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步受到壓縮和熱輻射，加速其先期反應(yīng)，并放出部分熱量，使本身的溫度不斷升高，以致在正?；鹧嫖吹竭_(dá)前，終燃混合氣內(nèi)部最適宜著火部位已出現(xiàn)一個(gè)或數(shù)個(gè)火焰中心，并從這些中心以100300m/s（輕微爆燃）直到8001000m/s或更高的速率（強(qiáng)烈爆燃）傳播火焰，迅速將終燃混合氣

55、燃燒完畢。因此，汽油機(jī)的爆燃現(xiàn)象就是終燃混合氣的自燃現(xiàn)象，它與柴油機(jī)的工作粗暴性在燃燒本質(zhì)上是一致的，均是可燃混合氣的自燃結(jié)果，但兩者發(fā)生的時(shí)間和氣缸內(nèi)的狀況是有差異的。柴油機(jī)的工作粗暴性發(fā)生在急燃期始點(diǎn)，壓力升高比大，但氣缸內(nèi)壓力還是均勻的；而汽油機(jī)的爆燃是發(fā)生在急燃期的終點(diǎn)，氣缸內(nèi)有壓力波沖擊現(xiàn)象。這樣，對(duì)汽油機(jī)而言是優(yōu)良的燃料，對(duì)柴油機(jī)就是最差的燃料，反之亦然。根據(jù)以上分析，爆燃的發(fā)生與以下條件有關(guān)：1）取決于終燃混合氣的溫度-壓力-時(shí)間歷程。2）終燃混合氣的溫度即使達(dá)到自燃溫度以上，也不能立即著火。由于有滯燃期，在此期間，在火花塞處發(fā)生的火焰如通過了終燃混合氣，就不會(huì)引起爆燃。因此，如火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤蚴腔鹧鎮(zhèn)鞑ゾ嚯x短，即使是著火溫度低的燃料也來不及發(fā)生自燃。3)在終燃混合氣中，從壓縮行程就產(chǎn)生緩慢的氧化反應(yīng)，由此可產(chǎn)生熱量，焰前反應(yīng)的多少和程度對(duì)自燃產(chǎn)生影響，這一點(diǎn)主要與燃料化學(xué)成分和組成有關(guān)。爆燃最容易在燃燒室中離開正常燃燒最遠(yuǎn)的地方以及具有高溫的地方(如排氣門和積碳處)發(fā)生。爆燃發(fā)生前，正常燃燒的混合氣數(shù)量越少，爆燃就在更大的容積內(nèi)進(jìn)行，爆燃也就越強(qiáng)烈。試驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)總充量中只要有大于5%的部分進(jìn)行自燃時(shí)，就足以引起劇烈爆燃。強(qiáng)烈的爆燃燃燒將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)少以下不利影響：(1)輸出功率、熱效率均降低爆燃接近等容燃燒，本是人們所希望的，事實(shí)上，當(dāng)輕微爆燃時(shí)