汽車發(fā)動機原理第3章-發(fā)動機的燃料與燃燒課件

1、 汽車發(fā)動機原理 2022/7/242 目錄第一章 發(fā)動機的性能第二章 發(fā)動機的換氣過程第三章 燃料與燃燒第四章 汽油機混合氣的形成和燃燒第五章 柴油機混合氣的形成和燃燒第六章 汽車發(fā)動機特性第七章 車用發(fā)動機廢氣渦輪增壓第八章 發(fā)動機排氣污染與噪聲控制第九章 新型汽車動力裝置第十章 發(fā)動機動力學第三章 燃料與燃燒 在發(fā)動機的工作過程中，氣缸內的工作物質是成分和比例不斷變化的混合氣體：空氣、燃料蒸氣及燃料燃燒后的混合物（氣體、固體、燃料液滴等）。 發(fā)動機的燃料占有重要的地位，它是發(fā)動機動力的來源。發(fā)動機的存在與發(fā)展，不同類型的發(fā)動機在結構與性能上的差異，發(fā)動機排放物對環(huán)境造成的污染等等，都與發(fā)

2、動機燃料的種類和品質有著密切的關系。第一節(jié) 發(fā)動機的燃料 并非所有燃料都可以被用作汽車發(fā)動機燃料，汽車發(fā)動機燃料必須滿足以下條件：1）儲量豐富，供應充足而且價格適當；2）燃料理化性能適應發(fā)動機燃燒及車輛行駛的綜合性能的要求；3）燃料本身對人體健康影響小，有害排放物及噪聲通過一定措施能達到有關法規(guī)要求；4）能量密度高，能滿足較長距離行駛的要求，燃料儲運、使用及管網(wǎng)設置安全、方便；5）燃料對發(fā)動機壽命及可靠性無不良影響，供給及燃燒裝置不能過于昂貴。發(fā)動機傳統(tǒng)的燃料是汽油與柴油，它們是石油的煉制品。石油的主要成分是碳、氫兩種元素，含量約占97%-98%，其它還有少量的硫、氧、氮等等。石油產(chǎn)品是以多種

3、碳氫化合物的混合物的形式出現(xiàn)的，分子式為CnHm，通常稱為烴。 利用沸點不同直接進行分餾，依次得到石油氣-汽油-煤油-輕、重柴油-渣油原油的蒸餾（Distillation）蒸餾塔瀝青潤滑油柴油煤油汽油石油氣原油2022/7/24發(fā)動機原理7C原子數(shù) 沸點 品種 相對分子質量 理化性質的變化趨勢 質量 揮發(fā)性 粘度 化學安定性 自燃性 點燃性 C1-C4 常溫 石油氣 16-58 輕 易 小 好 難 易 C4-C12 40-210 汽油 95-120 C11-C19 180-300 煤油 100-180 C16-C23 250-360 輕、重柴油 180-200 C23以上 360以上 渣油 2

4、20-280 重 難 大 差 易 難 第二節(jié) 燃料的使用特性汽油、柴油不是單一成分和結構的物質，都是由幾百種有機物組成的混合物。最初使用的汽油、柴油是原油直餾時不同分餾段的產(chǎn)物。近代汽油、柴油中，直餾成分已占到很少的比例。為了提高燃料的使用特性，汽油、柴油中都加入了大量的熱裂解、催化裂解和加氫裂解的產(chǎn)物。同時，還有改善各種性能的添加劑?？梢姡?、柴油是工藝復雜的高技術產(chǎn)品。 圖32 燃料蒸餾曲線1輕柴油； 2煤油； 3車用汽油； 4航空汽油一、汽油的性能1.辛烷值 在汽油機燃燒過程中，由于壓縮比及氣缸內氣體溫度的升高，可能出現(xiàn)一種不正常的燃燒現(xiàn)象，稱為爆燃。影響汽油機爆燃的關鍵因素之一是

5、燃料的品質。辛烷值是用來表征汽油抗爆性的一項指標。汽油的辛烷值越高，抗爆震能力越強。國產(chǎn)汽油就是用辛烷值來標號的。為了提高汽油的辛烷值，常使用抗爆添加劑四乙鉛Pb(C2H5)4和溴化乙烷（C2H4Br2）組成的混合物，由于四乙鉛有毒，現(xiàn)已禁止使用2022/7/24發(fā)動機原理10測量燃料的辛烷值是在專門的試驗發(fā)動機上進行的。測定時，用容易爆震的正庚烷C7H16（辛烷值定為0)和抗爆性好的異辛烷C8H18（其辛烷值定為100）的混合液與被測定的汽油作比較。當混合液與被測汽油在專用的發(fā)動機上的抗爆程度相同時，則混合液中異辛烷含量的體積百分數(shù)就是被測定汽油的辛烷值。CCCCCCCHHHHHHHHHHH

6、HHHHH異辛烷Iso-OctaneC8H18 Octane number 100辛烷值100正庚烷n-HeptaneC7H16 Octane number 0辛烷值0CCCCCHHHHHHHHH測量燃料辛烷值的CFR發(fā)動機辛烷值的測定方法:馬達法與研究法。馬達法規(guī)定的試驗轉速及進氣溫度比研究法高，所以用馬達法測定的辛烷值（MON）比研究法辛烷值（RON）低。 國產(chǎn)汽油是以辛烷值（研究法）來標號的 市面上常見的汽油標號：90、93、97 92 95 98 北京2012年5月，實行了新的汽油標號 京V標準將硫含量指標限值由50mg/kg降低為10mg/kg，將車用汽油的錳含量指標限值由0.006

7、g/L降低為0.002g/L。同時根據(jù)汽油辛烷值的變化，京V標準汽油牌號由90號、93號、97號分別調整為89號、92號、95號。 研究法的數(shù)值比馬達法要高出8-10單位 用下面這個公式可以換算：馬達法辛烷值=研究法辛烷值0.8+10美國認為用辛烷值指數(shù)ONI，即（RONMON）2來表征在各種道路行駛（工作情況）時的抗爆性能，并將汽油按ONI分為85、87、89、91、93、95、97共七個等級 2.餾程 汽油餾出溫度的范圍稱為餾程。餾程是用來評價汽油蒸發(fā)性的一項指標。 為了評價汽油的揮發(fā)性，常以10、50和90的餾出溫度作為幾個有代表意義的點。 （1）10的餾出溫度 （70） 汽油餾出10的

8、溫度標志著它的起動性。 餾出10的溫度低，說明發(fā)動機使用這種燃料時，容易冷車起動。但是此溫度過低，就會使管路輸送中的汽油，受到發(fā)動機溫度較高部位的加熱而變成蒸氣，在管路中形成“氣阻”，從而使發(fā)動機斷火，影響正常運轉。（2）50的餾出溫度 （120） 汽油餾出50的溫度標志著它的平均蒸發(fā)性。此溫度高低直接影響著發(fā)動機的暖車時間、加速性以及工作穩(wěn)定性。此溫度較低，說明這種汽油的揮發(fā)性較好，在較低溫度下可以有大量的燃料揮發(fā)而與空氣混合，這樣可以縮短暖車時間，而且從較低負荷向較高負荷過渡時，能夠及時供應所需的混合氣。（3）90的餾出溫度 （190） 汽油餾出90的溫度標志著它的含有難于揮發(fā)的重質成分的

9、數(shù)量。此溫度低，燃料中所含的重質成分少，進入氣缸中能夠完全揮發(fā)，有利于燃燒過程的進行。此溫度過高，燃料中含有較多的重質成分，在氣缸中不易揮發(fā)而附著在氣缸壁上，燃燒容易形成積炭；或者沿著氣缸壁流入油底殼，稀釋機油，破壞軸承部位的潤滑。二、柴油的性能 柴油分為輕柴油和重柴油。高速柴油機中使用輕柴油，中、低速柴油機中使用重柴油。車用柴油機中主要使用輕柴油。 凝點是指柴油失去流動性開始凝結的溫度。輕柴油的牌號按凝點不同分為10號、0號、10號、20號、35號、50號六級，其凝點分別不高于10、0、10、20、35、50。選用柴油時，應按最低環(huán)境溫度高出凝點5以上，即20號柴油適用于最低環(huán)境溫度為15的

10、場合。 對于車用輕柴油，影響柴油機性能的關鍵性指標主要有以下一些： 1十六烷值 十六烷值就是評定柴油自燃性好壞的一項指標。它與發(fā)動機的粗暴性及起動性均有密切關系。 對于自燃性好的燃料，著火延遲期短，在著火延遲期內，氣缸中形成的混合氣少，著火后壓力升高速度低，工作柔和，冷起動性能亦隨之改善。 測定柴油的十六烷值，采用由十六烷和甲基萘混合制成的混合液。十六烷容易自燃，規(guī)定它的十六烷值為100，a甲基萘最不容易自燃，其十六烷值定為0。十六烷值CetaneC16H34HCCHHHH. . . . . . .HCCHHHHCetane numberCN = 100CCCCCCCCCCHHHHHHHCH3

11、Cetane numberCN = 0a甲基萘a MethylnaphtaleneC11H10十六烷-甲基苯容易自燃最不容易自燃十六烷值為100十六烷值為0待測柴油所配置混合液自燃性十六烷的體積百分比十六烷值測量燃料十六烷值的CFR發(fā)動機當被測定柴油的自燃性與所配制的混合液的自燃性相同時，則混合液中十六烷的體積百分數(shù)就定為該種柴油的十六烷值。國產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定在40-50之間2022/7/24發(fā)動機原理192、餾程 表示柴油的蒸發(fā)性，用燃油餾出某一百分比的溫度范圍來表示，與燃燒完善程度及起動性能有密切關系燃料餾出50%的溫度（300） 此溫度低，說明這種燃料輕餾分多、蒸發(fā)快，有利于混合氣形

12、成。90%和95%餾出溫度（355， 365） 標志柴油中所含難于蒸發(fā)的重餾分的數(shù)量。如果重餾分過多，在高速柴油機中來不及蒸發(fā)和形成均勻混合氣，燃燒不容易及時和完全。 車用高速柴油機使用輕餾分柴油，但餾分太輕也不好，因為輕質燃料容易蒸發(fā)，在著火前形成大量油氣混合氣，一旦著火壓力猛增，將使柴油機工作粗暴。 3、 粘度 是燃料流動性的尺度，是表示燃料內部摩擦力的物理特性。影響燃料噴射霧化的質量。 當其它條件相同時，粘度越大，霧化后油滴的平均直徑也越大使燃油和空氣混合不均勻，燃燒不及時或不完全，燃油消耗率增加，排氣帶煙。粘度霧化油滴平均直徑燃燒不及時或不完全燃油消耗率增加，排氣帶煙噴油泵柱塞、噴油器

13、的噴針都是靠燃油潤滑，所以柴油應具有一定的粘度。一般輕柴油的運動粘度在20時為（2.58）10-6m2/s。 2022/7/24發(fā)動機原理21 三、汽油、柴油性能差異對發(fā)動機的影響 混合氣形成上的差異 著火上的差異 燃燒上的差異汽油機汽油揮發(fā)性強，能在較低溫度下以較充裕的時間在氣缸外部進氣管中形成均勻的混合氣，控制混合氣的數(shù)量便能調節(jié)汽油機的功率，是量調節(jié) 汽油自燃溫度較高，適宜外源點火 防止自燃，促使其有規(guī)律的燃燒，混合氣均勻，著火后，以火焰?zhèn)鞑サ姆绞较蚓鶆虻幕旌蠚庹归_ 柴油機柴油蒸發(fā)性差，但粘性好，適宜用油泵油嘴向氣缸內部噴油，靠調節(jié)供油量來調節(jié)負荷，吸入的空氣量基本不變，是質調節(jié) 柴油化

14、學安定性差，易自燃，采用壓燃的方式 柴油噴射及與空氣的混合，既短暫又不均勻，常有隨噴隨燒的現(xiàn)象，燃燒時間延長 2022/7/24發(fā)動機原理22 歸納（汽油、柴油性能差異對發(fā)動機的影響） 混合氣形成上的差異 著火上的差異 燃燒上的差異汽油機1、外部形成2、均勻混合氣3、 過量空氣系數(shù)比較小4、量調節(jié)（負荷）1、外源點火2、單火源發(fā)火1、以火焰?zhèn)鞑シ绞綖橹?、接近等容燃燒柴油機1、內部形成2、非均勻混合氣3、過量空氣系數(shù)比較大4、質調節(jié)（負荷）1、自行著火2、多火源著火1、以擴散燃燒方式為主2、接近先等容后等壓燃燒2022/7/24發(fā)動機原理23第三節(jié) 燃燒熱化學 內燃機的燃燒過程是一個復雜的過程

15、，為了給車用發(fā)動機經(jīng)驗設計及調試提供依據(jù)，需要進行燃燒熱化學的分析。燃料的燃燒，本質上是燃料中的碳、氫元素與空氣中的氧氣進行氧化反應的放熱過程。對于已知的燃料，各元素的含量易于測得，而空氣中氧和氮的比例又是固定的，因此，按照完全燃燒的化學反應式，可以求出燃料燃燒的基本關系。一、燃料完全燃燒所需的理論空氣量 組成發(fā)動機燃料的主要元素是碳（C）、氫（H）、氧（O），其它元素含量很少，計算時可略去不計。 設1kg燃料中各元素的質量組成為： gC+gH+gO=1 式中：gC、gH、gO分別為1kg燃料的C、H、O的質量。空氣中的主要元素是氧（O）和氮（N）。按體積計（即按物質的量計），O2約占21，N

16、2約占79；按質量計，O2約占23，N2約占77。 燃油中的C、H完全燃燒，其化學反應方程式分別是： 按照化學反應的當量關系，可求出1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量標準狀況下以體積表示的理論空氣量為：可得：汽油的理論空氣量為14.8（kg/kg）， 柴油的理論空氣量為14.5(kg/kg)。二、過量空氣系數(shù)a 發(fā)動機工作過程中，燃燒1kg燃料實際提供的空氣量L與理論上所需空氣量L0之比，稱為過量空氣系數(shù)a。 a是發(fā)動機工作過程的一個重要參數(shù)。過量空氣系數(shù)a值的大小與發(fā)動機類型、混合氣形成的方法、燃料的種類、工況（負荷與轉速）、功率調節(jié)的方法等因素有關。對于進氣道噴射的汽油機，由于燃燒時用的是

17、預先混合好的均勻混合氣，過量空氣系數(shù)只在狹小的范圍內變化（a0.81.2）。當負荷變化時，a略有變化。對于柴油機，其負荷是靠質調節(jié)的（即混合氣濃度調節(jié)），a的變化范圍很大。由于混合氣形成不均勻，所以a總是大于1的。一般車用高速柴油機，a1.21.6；增壓柴油機，a1.82.2。 圖33 a隨負荷的變化關系除了用a表示混合氣的濃度以外，也可用燃燒時空氣量與燃料量的比例，即空燃比來表示的： 對于汽油，理論上完全燃燒時（a1）的空燃比=14.8。對于柴油機，當轉速一定時，進入缸內的空氣量基本保持不變，空燃比的大小取決于供油量的多少（質調節(jié)）。當a = 1 ，即按理論空氣量燃燒時，該空燃比稱為理論空燃

18、比。汽油和柴油的理論空燃比分別為14.8和14.5 ?；旌蠚獾目杖急却笥诶碚摽杖急葧r為稀混合氣，小于理論空燃比時為濃混合氣。 三、 a1時完全燃燒產(chǎn)物的數(shù)量 考慮內燃機燃燒過程的復雜性，為保證燃油的充分燃燒，提高燃燒的熱效率，一般情況，供給氣缸的空氣量總是大于理論空氣量，因此，過量空氣系數(shù)a1。 1.燃燒前混合氣的數(shù)量 對于汽油機，燃燒前新鮮混合氣由空氣和燃料蒸氣組成，若燃料相對分子質量為MrT,則1kg燃料形成的混合氣量（kmol/kg燃料）是： 對于柴油機是在壓縮終點向氣缸內噴人液體狀態(tài)的燃料，體積不及空氣體積的1/10000，可忽略不計，認為燃燒前的工質是空氣M(kmol/kg燃料)2.

19、燃燒后燃燒產(chǎn)物的數(shù)量 在a1的情況下，完全燃燒的產(chǎn)物是由CO2、H2O、剩余的O2及未參與反應的N2組成，即根據(jù)前面的化學反應方程式，很方便地求出M2（kmol/kg燃料）四、燃燒熱值與混合氣熱值 1.燃燒熱值 燃料的熱值指1kg燃料完全燃燒所放出的熱量。 汽油的燃料低熱值為44000kJ/kg， 輕柴油的燃料低熱值為42500kJ/kg。（指未計入水的汽化潛熱 ）2. 混合氣熱值 當氣缸工作容積和進氣條件一定時，每循環(huán)加給工質的熱量取決于單位體積可燃混合氣的熱值，而不是決定于燃料的熱值?？扇蓟旌蠚獾臒嶂狄詋J/kmol或kJ/m3（標準）計。1kg燃料形成可燃混合氣的數(shù)量為M1，它所產(chǎn)生的熱

20、量是燃料的低熱值hu。因此，單位數(shù)量可燃混合氣的熱值（kJ/kmol）是 M1隨過量空氣系數(shù)a而變化，當a1時，燃料與空氣所形成的可燃混合氣熱值稱為理論混合氣熱值。汽油在標準狀態(tài)下的理論混合氣熱值為3750kJ/m3，輕柴油在標準狀態(tài)下的理論混合氣熱值也為3750kJ/m3 第四節(jié) 燃燒的基本知識燃燒過程的完善程度很大程度上決定于發(fā)動機運轉性能的優(yōu)劣。汽油與柴油都屬于多種碳氫化合物（烴）的混合物，由于它們的相對分子質量與分子結構不一樣，在物理化學性質上有差異，因而，在發(fā)動機的混合氣形成、著火與燃燒等方面引起許多質的不同。一、燃燒現(xiàn)象 燃燒是一種放熱的氧化反應，一個完整的燃燒過程包括著火和燃燒兩

21、部分。所謂著火，是指可燃混合氣在一定的壓力、溫度、濃度的條件下，氧化反應自動地加速，并產(chǎn)生溫升，以致引起火焰出現(xiàn)的現(xiàn)象。對于發(fā)動機的著火過程的解釋，目前有兩種理論：熱著火理論和鏈式反應理論。所謂燃燒，是指可燃混合氣中的燃料與空氣中的氧化劑進行劇烈放熱的氧化反應過程。燃燒實際上是火焰?zhèn)鞑ァU散的混合過程，這一過程中往往伴有復雜的傳熱、流動和化學反應現(xiàn)象。熱著火理論 熱著火理論認為，燃料燃燒的原因在于熱量的積累。因此，具有適當溫度、壓力的可燃混合氣，在沒有外部能量引入的情況下，依靠混合氣自身的反應自動加速，就能自發(fā)地引起火焰的過程。這也就是我們在柴油機壓縮燃燒過程中的自燃現(xiàn)象。 熱著火理論從簡單化

22、合物反應中兩個活性分子相互碰撞的機理出發(fā)，導出反應放出熱量的速度與溫度成指數(shù)關系，而系統(tǒng)向環(huán)境散熱的速度與溫度是一個線性關系。在著火過程中，只有當放熱速率dq1/dt散熱速率dq2/dt的時候，有了熱量積累，才可能著火。如圖34所示，存在下列三種可能性：1）dq1/dtdq2/dt時，必然著火，如圖中散熱速率線明顯低于dq1/dt。2）dq1/dt與dq2/dt相切時，存在臨界著火條件，TC稱為臨界溫度，見圖中散熱速率線。3）dq1/dtdq2/dt時，不可能著火，見圖中散熱速率線。 因此，著火的臨界條件應當是，反應放熱曲線與散熱曲線相切。反之，如果達不到這一條件，便不能著火。 影響燃料著火的

23、因素有： 1）著火溫度 著火溫度不僅與可燃混合氣的物理化學性質有關，而且與環(huán)境溫度、壓力、容器形狀及散熱情況等有關。即使同一種燃料，因條件不同，著火溫度也可能不同。 2）臨界壓力和溫度 如圖3-5所示，臨界壓力和溫度明顯地影響到著火區(qū)域。在低壓時，要求很高的著火溫度，反之也是一樣。 3）可燃混合物的濃度 如圖3-6所示，存在著一個有關可燃混合物著火的百分比濃度上限（富油極限）與下限（貧油極限）。隨著溫度、壓力升高，著火的濃度界限有所加寬；但溫度、壓力上升得再高，著火界限的加寬也是很有限的。另一方面，當溫度、壓力過低（低于臨界值），則無論在什么濃度下均不能著火。2. 鏈式反應理論 熱著火理論是建

24、立在分子碰撞理論基礎上的，并不能解釋所有著火現(xiàn)象。試驗表明烴燃料的著火區(qū)域在低溫、低壓區(qū)，表現(xiàn)出與高溫完全不同的著火規(guī)律性。鏈式著火理論認為，高溫并不是引起著火的唯一原因，只要以某種方式（如輻射、電離）激發(fā)出活性中心，然后通過鏈式反應，就能引起著火。 由于汽車發(fā)動機的傳統(tǒng)燃料，大部分都是由單烴組成的混合物，因此，首先，對烴的氧化反應來加以了解。 烴的氧化反應，可以寫成 烴的氧化反應進行的非常快，根據(jù)鏈鎖反應的機理，它可以分為鏈引發(fā)、鏈傳播及鏈中斷等三個階段。所謂鏈引發(fā)，就是反應物分子受到某種因素激發(fā)（如受熱裂解、受光輻射），分解成為自由原子或自由基，這種自由原子或自由基（如H、O、OH等等）具

25、有很強的反應能力，成為反應中的活性中心，使新的化學反應得以進行。所謂鏈傳播，就是指已生成的自由原子或自由基繼續(xù)與反應物作用，一方面將反應推進一步，另一方面同時生成新的自由原子或自由基。 1）如果在每一步中間反應中，都是由一個活性中心與反應物作用產(chǎn)生一個新的活性中心，整個反應以恒定速度進行，這樣的反應稱為直鏈反應。 2）如果由一個活性中心引起的反應，同時生成兩個以上的活性中心，這時，鏈就發(fā)生了分支，反應速度將急劇地增長，這種反應稱為支鏈反應。 不少烴的氧化反應是先通過直鏈反應，生成一個新的活性中心和某種過氧化物或高級醛的中間產(chǎn)物，然后再由過氧化物或高級醛引起新的支鏈反應。所謂鏈中斷，就是指在鏈鎖

26、反應中，可能由于具有很大反應能力的自由原子或自由基與容器壁面或惰性氣體分子碰撞，使反應能力減小，不再引致反應。每一次鏈的中斷都會引起總體反應速度減慢，以及減少反應繼續(xù)發(fā)展的可能性，在某些不利的場合下還可以使反應完全停止。2022/7/24發(fā)動機原理41例如：氫的燃燒化學方程：2H2+O22H2O實際過程是：鏈引發(fā)：H2 2H鏈傳播(鏈爆炸)：H+O2 OH+O O+H2OH+H 2OH+H2 2H2O+2H鏈中斷：H+H+M H2+M（M是惰性氣體分子） H+OH+M H2O+M H+O+M OH+M混合氣的著火往往不是單一機理進行，二者機理同時存在相互促進。一般說，在高溫下以熱爆炸為主，在低

27、溫下以鏈爆炸為主。 大量的試驗研究表明，烴類燃料的氧化反應過程中，存在著高溫和低溫條件下的不同的著火規(guī)律，如圖37所示。（1）低溫多階段著火 這種在低溫下特殊的著火規(guī)律，實際上就是退化支鏈反應引起的一種現(xiàn)象，通常稱為“著火半島”。通過光譜分析發(fā)現(xiàn)，烴燃料低溫下著火需經(jīng)歷三個階段：冷焰誘導階段（1）、冷焰（2）、藍焰（3）（圖38）。圖38 烴燃料的低溫多階段著火過程 （2）高溫單階段著火 在較高溫度下，著火過程不經(jīng)過冷焰而直接進入藍焰熱焰階段。由于這兩個階段很短，也很難區(qū)分，所以統(tǒng)稱為高溫單階段著火。 柴油機的壓縮著火和汽油機的爆燃具有低溫多階段著火的特點；而汽油機的火花點燃和柴油機著火后噴入

28、氣缸內的燃料著火具有高溫單階段著火的特性。 應該指出的是，內燃機的著火過程是非常復雜的，有的資料上提出“鏈式熱力著火”的說法，即開始是鏈反應，當熱量積累到一定程度后，按熱著火過程進行。 二、在預混氣體中的火花點燃與火焰?zhèn)鞑?汽油機中的可燃混合氣，在著火前經(jīng)過化油器（或進氣道汽油噴射霧化）、進氣管、缸內氣體運動等環(huán)節(jié)，燃料蒸氣和空氣的濃度已達到十分均勻的程度，成為以一定比例預先混合好的預混氣體。它的點燃，是利用電火花在可燃混合氣中產(chǎn)生火焰核心并因而引起火焰?zhèn)鞑サ倪^程?；鹧?zhèn)鞑ニ俣鹊拇笮∪Q于預混合氣體的物理化學性質、熱力狀態(tài)以及氣體的流動狀況。1. 火花點燃 火花點燃過程是一極短的瞬間過程。在火

29、花點火以后，靠火花提供的能量，不僅使局部混合氣溫度進一步升高，而且引起了火花附近的混合氣電離，形成活性中心，出現(xiàn)了明顯發(fā)熱、發(fā)光的小區(qū)域，這就是火焰核。 正因為火焰核的形成，是局部混合氣吸收電火花能量后，經(jīng)化學反應過程的累積所致，所以這部分混合氣的組成和吸收火花能量情況的不同，以及氣流擾動對火焰核的干擾，使火焰核形成所用的時間不同。造成在實際汽油機的同一氣缸中，連續(xù)諸循環(huán)的情況不可能完全一致，因而產(chǎn)生了燃燒的循環(huán)變動。這種燃燒不穩(wěn)定的情況，在汽油機低負荷及在稀薄混合氣中尤為突出。2. 火焰?zhèn)鞑?火花點燃過程中形成的火焰核，順序點燃周圍的混合氣，火焰范圍逐漸擴大，并伴隨著熱量的釋放，稱為燃燒現(xiàn)象

30、的火焰?zhèn)鞑?。根?jù)氣體流動的狀況，火焰?zhèn)鞑シ绞娇煞譃閷恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ヅc湍流火焰?zhèn)鞑ァ?）層流火焰?zhèn)鞑?在預燃氣體靜止或流速很低的狀態(tài)下，用電火花點燃混合氣而局部著火后，火焰就會向四周傳播開來，形成一個球狀的火焰面，稱為火焰前鋒面。 p-預熱區(qū) c-化學反應區(qū) 火焰面溫度與濃度的變化，在火焰面內出現(xiàn)了一定的溫度梯度與濃度梯度，造成火焰在空間的移動。 圖3-10 放大的火焰前鋒面的構造 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葀L 很低，受到預混氣體理化性質的影響，其中，a影響很大。試驗表明（圖3-11），在過量空氣系數(shù) a0.80.9時，反應溫度最高，vL最大；如果a1，vL下降10；a1.1，vL下降15；當混合氣成分過稀

31、或過濃，則反應溫度均過低，不能維持火焰?zhèn)鞑ァ?圖3-11 a對vL的影響 2）湍流火焰?zhèn)鞑?層流火焰?zhèn)鞑ニ俣群艿?，遠遠不能滿足實際發(fā)動機燃燒的要求。由于氣流的湍流運動可以大大加速火焰?zhèn)鞑ニ俣?，因此，實際汽油機中的火焰?zhèn)鞑ナ且酝牧骰鹧娣绞竭M行的，此時vT2070m/s。 所謂湍流，是粘性氣流由于壁面邊界的阻礙作用，或者外部擾動，在傳播過程中進行的無規(guī)則的脈動運動。 湍流的變化在空間上與時間上呈現(xiàn)出無秩序性，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是微元氣體變化的隨機性，二是整體上表現(xiàn)出符合力學規(guī)律的確定性。 湍流運動的變化常用以下參數(shù)決定：（1）湍流尺度 它可分為宏觀湍流與微觀湍流兩種，湍流的力學性質主要由宏觀湍

32、流決定，湍流在粘性的影響下能量轉化為熱而消失則由微觀湍流決定。（2）湍流強度 它對湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懞艽?，與湍流的能量有關，常用雷諾數(shù)（脈動速度的均方根）來表示。 湍流運動能強化燃燒，加快火焰?zhèn)鞑?。原因如下?1）宏觀湍流使層流火焰前鋒變得彎曲，產(chǎn)生皺折，從而增大了燃燒的表面積。 2）微觀湍流加強了火焰的傳熱與傳質，在通過預熱區(qū)與反應區(qū)的熱量及活性分子增多的情況下，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌臁?3）雷諾數(shù)Re的增大，使湍流強度提高。當Re2300時，火焰?zhèn)鞑ト詾閷恿骰鹧鎮(zhèn)鞑バ问?，火焰前鋒面薄且圓滑，速度vL較低。當Re23006000時，變?yōu)橥牧骰鹧?，其前鋒面變厚且出現(xiàn)皺折，vT較vL有明顯增長。在R

33、e6000后，轉變?yōu)閺娡牧骰鹧?，湍流強度得到很大提高，前鋒火焰表面皺折破裂，已燃與未燃氣體迅速混合，燃燒放熱率提高。圖3-12 Re對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?混合氣的湍流程度的提高，能有效地改善汽油機的燃燒過程。三、噴射燃料的霧化與擴散燃燒 柴油的燃燒要經(jīng)歷高壓噴射、霧化、混合、壓縮著火以及擴散燃燒幾個階段，噴霧狀態(tài)的好壞對燃燒過程有重要的影響。 1. 噴射燃料的霧化 由于柴油的蒸發(fā)性能比汽油差，因此，只能采用噴射與霧化的方法，將燃料在與空氣混合前先粉碎成許多細小油滴（這些霧狀油滴的集合體通常稱為噴霧），以擴大燃料蒸發(fā)的表面積。 燃油霧化質量主要受到油束射程（也稱貫穿距離），噴霧錐角和液滴平均直徑

34、等的影響。油束要有足夠的貫穿力，穿透火焰到達周圍的空氣區(qū)。貫穿率是常用參數(shù)之一。貫穿率是指油束的貫穿距離與噴孔至燃燒室壁面的距離的比值。對直噴式柴油機，貫穿率一般小于1，以避免燃油噴到壁面上；在強渦流時，貫穿率大于等于1，以確保噴射的油束能到達壁面附近。近年來出現(xiàn)的撞擊噴霧，貫穿率要大于1。噴霧錐角過大，油束射程會減小；而過小，霧化程度又會變差。液滴平均直徑越小，油粒與周圍空氣混合程度越好，可以加速燃料的吸熱和氣化，為燃燒過程的組織提供良好的前提條件。 2. 油滴的蒸發(fā)與燃燒 1）單個油滴的蒸發(fā)與燃燒 燃燒室內的一顆靜止的油滴，在高溫高壓介質作用下，經(jīng)歷如圖313所示的蒸發(fā)與燃燒過程。單個油滴

35、受到周圍高溫高壓空氣的加熱，油滴表面被蒸發(fā)氣化，與空氣混合形成可燃混合氣。單個油滴的蒸發(fā)與燃燒模型 r0-油滴半徑 rf-火焰半徑 T0-油滴表面溫度 Tf-火焰溫度 T-空氣溫度Co-氧含量 CFI-油蒸汽含量 -到油滴中心的距離著火首先在混合氣濃度適宜的位置發(fā)生，并在油滴周圍形成一層球狀的燃燒區(qū)，即火焰鋒面。此后，燃油蒸氣不斷自油滴表面向外擴散，火焰面外的氧氣不斷從四周向火焰面擴散，在火焰面上進行混合燃燒，使燃油濃度Cf1和氧氣濃度Co均變?yōu)榱悖鴾囟冗_到最高。高溫燃燒產(chǎn)物和熱量向火焰面兩側擴散，油滴受到火焰面?zhèn)鱽淼臒崃?，加速進行蒸發(fā)汽化。因此，油滴的擴散燃燒速度，完全取決于燃油蒸氣和空氣

36、向火焰面的擴散速度。 由于油滴和油蒸發(fā)區(qū)將火焰面形成的高溫氣體包圍起來，形成了高溫缺氧區(qū)域，易生成炭煙。 2）油束及油滴群的蒸發(fā)與燃燒實際的噴霧燃燒要比理想的單個油滴在無限氧空間中的蒸發(fā)與燃燒過程復雜得多。噴霧中的大小不等的油滴間相互存在著干擾，燃料的擴散燃燒就成了油滴群的復雜燃燒現(xiàn)象。實驗研究表明，當油滴粒徑在10m以下時，油滴在著火前均已完全蒸發(fā)，著火后可以觀察到的火焰面呈藍色的連續(xù)拋物面形狀，這同前述的預混合氣的火焰?zhèn)鞑ゾ哂邢嗤娜紵绞?。當油滴粒徑?040m時，在連續(xù)的藍色火焰中可以看到白色與黃色的亮點，這表明每個油滴處獨立的擴散燃燒和各油滴間的預混合燃燒同時存在。當油滴粒徑在40m

37、以上時，火焰面已不連續(xù)了，各油滴獨立燃燒，以單油滴擴散燃燒為主。實際的噴霧燃燒，是上述燃燒形式同時存在并且相互影響的。 油滴群的著火與在整個燃燒室內油氣的宏觀空燃比例無關，因為油滴群在空間分布，形成了許許多多具有著火與燃燒條件的單個油滴，只要在油滴周圍存在著適合燃燒的空燃比區(qū)域，就能在一點或多點同時著火。它的穩(wěn)定燃燒范圍比預混合氣要廣泛得多。四、均質充量壓縮著火燃燒 在往復式發(fā)動機中，除了傳統(tǒng)的火花點燃式（SI）燃燒和壓燃式（CI）燃燒外，還有第3種燃燒方式，即均質充量壓縮著火(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)燃燒。在傳統(tǒng)的SI和CI

38、燃燒方式里，都存在著溫度分布和燃燒過程不均勻的特點，同時實現(xiàn)高效率和低排放都是困難的。HCCI燃燒方式能降低氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）排放，同時能實現(xiàn)較高的熱效率。 均質充量壓縮著火(HCCI)燃燒是一種全新的內燃機燃燒概念，其基本特性是均質混合氣的壓縮著火和低溫燃燒。HCCI方式綜合了傳統(tǒng)汽油機（均質充量火花點燃）和柴油機（非均質充量壓縮著火）燃燒方式的優(yōu)點：類似于傳統(tǒng)汽油機，使用均質混合氣，因而避免了柴油機中濃的擴散火焰，極大地降低了顆粒物排放；類似于柴油機，使用壓燃著火，缸內均質混合氣自燃，避免了汽油機中點火后產(chǎn)生的高溫火焰，降低了氮氧化物的排放。1. HCCI發(fā)動機的主要特點

39、（1）超低的NOx和PM排放。 HCCI發(fā)動機在部分負荷工況下的NOx排放相對于傳統(tǒng)柴油（汽油）機可降低95%98%。由于炭粒形成被抑制，PM排放非常低。（2）熱效率高。HCCI采用稀薄混合氣燃燒，在中、低負荷運行時幾乎實現(xiàn)了等容燃燒，接近理想Otto循環(huán)，具有很高的放熱效率，此外，HCCI發(fā)動機燃燒室內沒有局部高溫區(qū)，熱輻射損失減少，因此，HCCI部分負荷運行具有比直噴柴油機更高的熱效率。（3）HCCI燃燒過程主要受燃燒化學反應動力學控制。其著火與燃料特性和缸內熱氛圍條件密切相關。（4）HCCI發(fā)動機運行范圍較窄。 其燃燒受到失火（混合氣過?。┖捅迹ɑ旌蠚膺^濃）的限制，使發(fā)動機運行范圍變窄

40、。對于高十六烷值燃料，在高負荷工況下（混合氣濃度大）易發(fā)生爆燃。對于高辛烷值的燃料，由于HCCI燃燒為稀薄燃燒，發(fā)動機在小負荷工況下容易失火。 （5）HCCI發(fā)動機HC、CO排放偏高。導致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因之一是由于HCCI燃燒通常采用較稀的混合氣和較強的EGR，缸內燃燒溫度較低；此外，在混合氣形成過程中，一部分燃料會進入燃燒室縫隙中，最終導致HC和CO排放增加?？梢酝ㄟ^催化轉化器進行后處理加以解決。2. HCCI的燃燒特點 HCCI發(fā)動機的燃燒過程是一種受化學動力學控制的自燃過程，其特點是： （1）采用均質混合氣?？諝夂腿加驮谶M氣/或壓縮過程進行預混合，在著火之前形成均質的空氣/燃油混合氣。

41、 （2）采用壓縮點燃。在壓縮沖程中，混合氣溫度升高，達到自燃溫度而自燃，不需要任何點火系統(tǒng)。 （3）具有獨特的兩階段放熱特點。第一階段放熱是低溫化學動力學反應，此時是冷焰、藍焰。在第一階段放熱與主放熱階段之間有一個很短的時間延遲。第二階段燃燒是多點同時進行的，一旦開始著火，燃燒迅速且比較均勻，既沒有局部高溫區(qū)，也沒有明顯的火焰?zhèn)鞑?，因而NOx和炭粒的形成能夠被有效抑制。兩階段放熱現(xiàn)象的出現(xiàn)與燃料的辛烷值或十六烷值有關，使用低辛烷值或高十六烷值燃料很容易觀察到兩階段放熱過程。 （4）火焰?zhèn)鞑ゲ幻黠@。點燃式汽油機和壓燃式柴油機的燃燒都是擴散燃燒過程，具有明顯的火焰?zhèn)鞑ミ^程，其中點燃式汽油機主要是利用熱擴散來實現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ィ瑝喝际讲裼蜋C的主要燃燒是依靠燃油蒸氣和氧氣的擴散產(chǎn)生熱化學反應