發(fā)動(dòng)機(jī)原理課件-第五章汽油機(jī)混合氣形成與燃燒1

本章重點(diǎn)：1、汽油機(jī)正常燃燒過(guò)程。2、爆燃和表面點(diǎn)火。3、影響燃燒的因素。了解：＊汽油機(jī)混合氣的形成＊有害排放物的生成機(jī)理與控制＊汽油機(jī)燃燒室。第五章汽油機(jī)混合氣形成與燃燒引言

1.燃燒過(guò)程的重要性

燃料燃燒完全的程度，直接影響到熱量產(chǎn)生的多少和排出的廢氣的成分；而燃燒時(shí)機(jī)又關(guān)系到熱量的利用程度。所以，燃燒過(guò)程是影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排氣污染的主要過(guò)程，同時(shí)與噪聲、振動(dòng)、啟動(dòng)性能和使用壽命也有重大關(guān)系。2.對(duì)燃燒過(guò)程的要求

1）燃燒完全，釋放出盡可能多的熱能，減少?gòu)U氣中的有害物質(zhì)。2）燃燒及時(shí)，使放熱集中在上止點(diǎn)附近，提高熱功轉(zhuǎn)換能力。3.燃燒過(guò)程的研究方法

高速攝影法、示功圖法第一節(jié)汽油機(jī)混合氣的形成1、傳統(tǒng)化油器式汽油機(jī)混合氣形成一般采用下吸式化油器混合氣形成初始位置：喉管處※喉管處，空氣的流速約為燃油流速的20~30倍，燃油被粉碎成直徑約0.1mm的油滴，增大了空氣與燃油的接觸面積。1、汽油噴射式汽油機(jī)混合氣形成一般采用多點(diǎn)、間歇燃油噴射噴射系統(tǒng)的壓力一般為：200~300kpa噴射時(shí)間排氣終了上止點(diǎn)前：10~100°CA混合氣形成初始位置：進(jìn)氣門(mén)處。※進(jìn)氣門(mén)處，噴油器將燃油以霧狀噴入，與進(jìn)入的空氣形成均質(zhì)預(yù)混合氣。1、火花塞跳火2、缸內(nèi)壓力線(xiàn)偏離純壓縮線(xiàn)的始點(diǎn)3、缸內(nèi)最高壓力點(diǎn)θ-點(diǎn)火提前角一、示功圖上的關(guān)鍵點(diǎn)

Ⅰ-著火延遲Ⅱ-顯燃期Ⅲ-后燃期

汽油機(jī)的燃燒過(guò)程第二節(jié)汽油機(jī)的正常燃燒汽油機(jī)的燃燒過(guò)程：指從點(diǎn)火開(kāi)始到燃料基本燒完為止的過(guò)程。二、燃燒過(guò)程的幾個(gè)階段

1、滯燃期（著火落后期或著火延遲期）-火焰發(fā)展階段

從火花塞開(kāi)始跳火到火焰中心形成→著火落后期。

或：從火花塞開(kāi)始跳火到缸內(nèi)的壓力明顯脫離壓縮線(xiàn)。＊火花塞跳火（10-15kV）后，氧化反應(yīng)需要一定時(shí)間。當(dāng)混合氣局部溫度升高到一定程度后（3000K），形成發(fā)光區(qū)，即火焰中心。＊缸內(nèi)的壓力線(xiàn)與壓縮線(xiàn)基本重合。影響著火落后期的因素：

燃料的性質(zhì)、混合氣濃度(=0.85～0.95最短)、火花塞跳火時(shí)缸內(nèi)壓力及溫度、電火花強(qiáng)度等。另外，與殘余廢氣量、缸內(nèi)混合氣的運(yùn)動(dòng)等因素有關(guān)。※從火花塞跳火瞬時(shí)到活塞行至上止點(diǎn)時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角，稱(chēng)為點(diǎn)火提前角，用表示。一般為20—35oCA。2、急燃期（明顯燃燒期或顯燃期）

-火焰的傳播階段從火焰中心形成到示功圖上的壓力達(dá)到最高點(diǎn)為止稱(chēng)為明顯燃燒期。

或：從火焰中心形成到火焰?zhèn)鞅檎麄€(gè)燃燒室

＊火焰前鋒掃過(guò)整個(gè)燃燒室，一般占20—30oCA。＊混合氣約80—90%在此期間燃燒完畢。＊溫度、壓力迅速升高，出現(xiàn)最高壓力點(diǎn)(＜5MPa)與最高溫度點(diǎn)。＊最高壓力點(diǎn)與最高溫度點(diǎn)有時(shí)重合。＊出現(xiàn)最高壓力點(diǎn)的時(shí)刻對(duì)功率和經(jīng)濟(jì)性有重大影響?！罡邏毫Φ奈恢梅浅Ｖ匾∩现裹c(diǎn)后12℃A~15℃A循環(huán)功最多在均質(zhì)混合氣中，當(dāng)火焰中心出現(xiàn)后，與其臨近的一薄層混合氣首先燃燒即形成極薄的火焰層，稱(chēng)為火焰前鋒?；鹧?zhèn)鞑ァ曰鸷藶橹行某是蛎娌ㄐ问较蛑車(chē)鷶U(kuò)展。分：層流火焰?zhèn)鞑?、湍流火焰?zhèn)鞑恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萔L：火焰前鋒相對(duì)于未燃混合氣向前推進(jìn)的速度。（火焰層薄，VL=0.4～0.5m/s）影響VL因素：溫度、壓力、Φa（0.85～0.95最快）、Φr、燃料等(當(dāng)n=5000～8000r/min時(shí)，燃燒時(shí)間1～2ms，要求速率30～70m/s)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣萔T—汽油機(jī)火焰?zhèn)鞑ヒ酝牧骰鹧娣绞竭M(jìn)行

湍流不高時(shí)：VT=VL(1+0.00197n)＊火焰前鋒皺折，火焰層厚，湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣纫话?0—80m/s＊湍流不高時(shí)，與湍流強(qiáng)度成線(xiàn)性；高時(shí)成非線(xiàn)性＊提高湍流強(qiáng)度可改善燃燒，但太強(qiáng)，VT降低，會(huì)出現(xiàn)火焰猝熄，HC排放增加。**湍流—是一種高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動(dòng)。在湍流中的流體的速度、壓力、溫度等都隨時(shí)間與空間發(fā)生隨機(jī)的變化。從物理結(jié)構(gòu)上，是由各種不同尺度的渦旋疊合而成的，這些漩渦的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨機(jī)的。壓力升高率（λP）

：即曲軸每轉(zhuǎn)1度時(shí)，缸內(nèi)氣體壓力的平均升高量。

λP=dp/dφ＊λP表征壓力變化的急劇程度。＊顯燃期內(nèi)平均壓力升高率—衡量發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴程度的指標(biāo)＊發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲、火焰?zhèn)鞑ニ俾逝cλP相關(guān)。＊汽油機(jī)λP在0.2～0.4ＭＰa/℃A，工作柔和，性能好。明顯燃燒期內(nèi)平均壓力升高率：燃燒速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間燃燒的混合氣量。ρT-未燃混合氣密度AT-火焰前鋒面積3、后燃期（補(bǔ)燃期）

從最高壓力點(diǎn)到燃燒結(jié)束為后燃期。＊火焰前鋒后面沒(méi)有燃燒的燃料，以及附在氣缸壁上的混合氣層繼續(xù)燃燒，此外，以及部分燃燒及高溫分解的燃燒產(chǎn)物（H2、O2、CO等）重新氧化放熱。＊在膨脹過(guò)程中的燃燒，活塞遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，壓力下降。＊遠(yuǎn)離上止點(diǎn)放熱，熱能不能充分利用。＊后燃期長(zhǎng)，則使ηit↓，Pe↓，be↑，且排氣溫度↑，散熱量↑。過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，排氣管“放炮”。＊希望后燃期盡可能短，后燃放熱量盡可能少。第三節(jié)汽油機(jī)的不正常燃燒(一)特征1.出現(xiàn)尖銳的金屬敲擊聲，發(fā)出3000—7000Hz的金屬振音；2.油膜破壞,機(jī)件磨損加劇；3.燃燒室、冷卻系、排氣溫增加；4.嚴(yán)重爆震時(shí)Pe下降、be升高；（輕微爆震時(shí)Pe上升、be下降）5.排污增加，嚴(yán)重時(shí)排氣冒黑煙；6.振動(dòng)加劇，壓力線(xiàn)出現(xiàn)爆震波。爆燃時(shí)的示功圖常見(jiàn)的不正常燃燒:爆震燃燒和表面點(diǎn)火。一、爆震燃燒（二）原因

在火焰前鋒到達(dá)之前,末端混合氣受壓縮和輻射的作用使溫度、壓力超過(guò)其臨界溫度、壓力，產(chǎn)生自燃。＊末端混合氣自燃，形成新的火焰中心,火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_(dá)800—1000m/s（強(qiáng)烈爆震）,缸內(nèi)局部壓力、溫度急劇升高,壓力來(lái)不及平衡,形成沖擊波（激波）,沖擊波反復(fù)撞擊缸壁（頻率可達(dá)3000Hz-5000Hz）,發(fā)出尖銳的敲缸聲。＊激波來(lái)回反射，在示功圖上形成鋸齒形。＊大于5%的混合氣自燃，足以引起激烈的爆燃。※重載爬坡、急加速時(shí)易爆震，換低擋以提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可消除爆震。（三）危害（強(qiáng)烈爆震）1、機(jī)件過(guò)載沖擊負(fù)荷大，機(jī)件的機(jī)械負(fù)荷增加，使機(jī)件變形損壞。噪聲增大。2、機(jī)件燒損汽油機(jī)燃燒終了的溫度為2000~2500℃，由于冷卻水和氣體附面層的作用，活塞頂、燃燒室壁和缸壁的溫度保持在200~300℃。爆燃沖擊波破壞燃燒室內(nèi)附面層和局部高溫，使活塞頭和氣門(mén)等燒損，同時(shí)會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱。3、潤(rùn)滑變差發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，使?jié)櫥Ч儾?，使磨損加劇。4、積碳增多高溫裂解產(chǎn)生的碳粒形成積炭，5、Pe下降、be上升另外，高溫裂解使燃燒產(chǎn)物分解為CO、H2、O2、NO及游離碳增多，排氣冒煙嚴(yán)重。CO、H2、O2等膨脹過(guò)程中重新燃燒，使排溫增高。（四）影響爆燃的因素

有燃料因素、使用因素、結(jié)構(gòu)因素等。為便于分析，假定：t1

-從火焰中心形成起到火焰前鋒傳到末端混合氣為止的時(shí)間。t2

-從火焰中心形成起到末端混合氣自行著火的時(shí)間。所以：

當(dāng)t1<t2不爆燃，當(dāng)t1>t2，爆燃。1、燃料因素

汽油機(jī)的壓縮比，應(yīng)適應(yīng)汽油辛烷值的要求。2、運(yùn)轉(zhuǎn)因素＊點(diǎn)火提前角（BTDC）

↑，混合氣的溫度和壓力↑—易爆燃；＊轉(zhuǎn)速↑，進(jìn)氣速度↑，壓縮終了氣體紊流度↑，火焰?zhèn)鞑ニ俣取?，—爆燃程度減弱；＊負(fù)荷↑，進(jìn)氣量↑，混合氣的溫度和壓力↑—易爆燃；＊?dú)堄鄰U氣Φr↑，混合氣自燃溫度↑，著火延遲期↑—爆燃減弱；＊混合氣濃度，Φa在0.85~0.95時(shí)，自燃溫度低，著火延遲期短—爆燃最嚴(yán)重＊缸內(nèi)積碳↑，使熱阻加大，壁面溫度升高，實(shí)際壓縮比增加—爆燃加重（五）減輕爆燃的措施①降低水溫和進(jìn)氣溫度②降低末溫③降低壓縮比④推遲點(diǎn)火⑤增多殘余廢氣3、結(jié)構(gòu)因素＊燃燒室結(jié)構(gòu)能使壓縮終了氣體紊流速度提高，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤鼙苊獗?；＊火花塞的位置和?shù)目使火焰行程縮短，可減少爆燃；＊使末端氣體接觸的燃燒室壁強(qiáng)冷卻，可減少爆燃；＊采用小直徑的氣缸，不易爆燃。二、表面點(diǎn)火或熱面點(diǎn)火定義：在火花點(diǎn)火式汽油機(jī)中，凡是不依靠火花塞點(diǎn)火，而是由燃燒室內(nèi)熾熱表面（如過(guò)熱的火花塞電極、排氣門(mén)、積碳）點(diǎn)燃混合氣的現(xiàn)象。早燃或早火—在火花塞跳火之前后燃或后火—在火花塞跳火之后分非爆燃性表面點(diǎn)火爆燃性表面點(diǎn)火1、非爆燃性表面點(diǎn)火-火焰以正常速度傳播1）后燃＊點(diǎn)火后或不點(diǎn)火，熾熱表面在火焰到達(dá)前點(diǎn)燃混合氣；＊

斷火后發(fā)動(dòng)機(jī)續(xù)轉(zhuǎn)就是這種現(xiàn)象。2）早燃

＊熾熱表面溫度較高，在點(diǎn)火前，點(diǎn)燃混合氣。＊點(diǎn)燃區(qū)域較大，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，P和λP較大；＊發(fā)動(dòng)機(jī)易過(guò)熱。⑴早燃的危害＊壓縮負(fù)功↑，＊缸內(nèi)溫度↑，＊與缸壁接觸面積↑,

→散熱量↑,有效功率↓。＊活塞連桿組的機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷↑,使用壽命↓。

圖5-4早燃時(shí)的示功圖⑵早燃與爆燃的區(qū)別①沉悶的“敲缸聲”（低頻敲缸600—1200Hz）。②被熾熱表面點(diǎn)燃，無(wú)壓力波產(chǎn)生，而爆燃時(shí)為自燃，有壓力波產(chǎn)生。

另外:爆燃早燃缸內(nèi)熾熱表面產(chǎn)生缸內(nèi)溫度、壓力升高※非爆燃性表面點(diǎn)火大體是發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)引起的。2、爆燃性表面點(diǎn)火（激爆）＊熱面點(diǎn)火后火焰以爆燃速度傳播＊由燃燒室沉積物引起的＊壓力升高率高5倍，最高壓力高150%原因：發(fā)動(dòng)機(jī)低速、低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃燒室表面極易形成導(dǎo)熱性很差的沉積物。高速、大負(fù)荷時(shí)，沉積物被高溫火焰包圍，急劇氧化而白熾化，將混合氣點(diǎn)燃。加速時(shí)，氣流吹起已著火的碳粒產(chǎn)生多點(diǎn)著火，使混合氣激烈燃燒。3、影響熱面點(diǎn)火的因素及預(yù)防措施

凡是能使缸內(nèi)的T、P降低的因素，都可預(yù)防熱面點(diǎn)火①選用低沸點(diǎn)汽油和含膠質(zhì)少的機(jī)油。②在燃料中加抑制熱面點(diǎn)火的添加劑。③適當(dāng)降低壓縮比。④選用合格的火花塞、排氣門(mén)。4、小結(jié)：爆燃

表面點(diǎn)火末端混合氣自燃熾熱表面點(diǎn)燃火花塞跳火之后火花塞跳火之前、后有壓力沖擊波無(wú)壓力沖擊波敲擊聲較清脆敲擊聲較沉悶

二者又相互聯(lián)系，相互促進(jìn)。第四節(jié)影響燃燒過(guò)程的因素

一、燃油的影響1、汽油的抗爆性＊辛烷值越高，抗爆性越好。＊填加各種添加劑，可提高汽油的辛烷值。2、汽油蒸發(fā)性＊蒸發(fā)性越強(qiáng)，與空氣混合越均勻，混合氣燃燒速度越快，易于完全燃燒。＊但蒸發(fā)性過(guò)強(qiáng)，易產(chǎn)生氣阻。1.點(diǎn)火提前角θ

θ過(guò)大→發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱；功率↓；缸內(nèi)最高溫度、壓力↑；爆燃傾向↑。

圖5-5點(diǎn)火提前角對(duì)示功圖的影響二.使用因素的影響

θ過(guò)小

則燃燒容積較大，燃?xì)馀c氣缸接觸面積大，損失一部分膨脹功；后燃量增大。導(dǎo)致:→散熱損失大，排氣溫度過(guò)高，發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，功率下降。但缸內(nèi)溫度、壓力的降低,使t2增大,爆燃傾向減小。

※最佳點(diǎn)火提前角：在一定的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速下，對(duì)應(yīng)最大的功率和最低的燃油消耗率的點(diǎn)火提前角。

點(diǎn)火調(diào)整特性：

在一定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、一定的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下，Pe與be隨點(diǎn)火提前角的改變而變化的規(guī)律。a）節(jié)氣門(mén)全開(kāi)b）轉(zhuǎn)速n=1600r/min2．混合氣成份—過(guò)量空氣系數(shù)Фa

Фa對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?）Фa

=0.85-0.95時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣萿最大,發(fā)動(dòng)機(jī)的功率達(dá)最大，故稱(chēng)功率混合氣。＊供給功率混合氣時(shí),爆燃傾向加大＊

Фa

<0.85為過(guò)濃混合氣＊火焰?zhèn)鞑ソ缦蓿?.5<Фa

<1.32）低負(fù)荷或怠速時(shí)→較濃的混合氣＊?dú)堄鄰U氣多，會(huì)引起斷火；燃燒速度慢，發(fā)動(dòng)機(jī)易過(guò)熱；高溫未燃成分在排氣管口與空氣相遇而激烈氧化，排氣管放炮。＊

Фa

=0.4~0.5為火焰?zhèn)鞑ド舷蕖?）Фa

=1.05-1.15時(shí)，為經(jīng)濟(jì)混合氣＊燃燒最完全，熱效率最高，油耗最低。＊但混合氣過(guò)稀，燃燒緩慢，含氧高的高溫廢氣能點(diǎn)燃進(jìn)氣管新鮮混合氣→化油器回火。＊

Фa

=1.3~1.4為火焰?zhèn)鞑ハ孪?。?/p>

Фa

>1.15為過(guò)稀混合氣4)混合氣成份調(diào)整特性:

＊在汽油機(jī)轉(zhuǎn)速，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度一定，點(diǎn)火提前角最佳時(shí),性能指標(biāo)(功率Pe與燃油消耗率be等)隨混合氣成份而變化的規(guī)律。3.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n

圖5-9渦流狀況對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

a)無(wú)渦流b)有渦流※

n↑→最佳點(diǎn)火提前角↑（圖5-6），所以發(fā)動(dòng)機(jī)上裝有離心式點(diǎn)火自動(dòng)提前裝置。＊

n↑→ηv↓→缸內(nèi)r↑→末端混合氣的焰前反應(yīng)↓→t2↑→爆燃傾向↓。＊所以發(fā)動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)最易發(fā)生爆燃。＊

n↑→缸內(nèi)混合氣的渦流運(yùn)動(dòng)（紊流）↑,燃料與空氣的混合得到改善；壓縮過(guò)程的放熱量↓→缸內(nèi)壓力、溫度↑→火焰?zhèn)鞑ニ俣取鷗1↓

。4.發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷＊負(fù)荷↑→缸內(nèi)溫度、壓力↑，殘余廢氣相對(duì)減少→滯燃期↓→t1

↓→末端混合氣焰前反應(yīng)↑→t2↓→爆燃傾向↑。＊負(fù)荷↑→燃燒所占的曲軸轉(zhuǎn)角↑→最佳點(diǎn)火提前角↓。（圖5-6）※發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷時(shí)，爆燃傾向減小，應(yīng)增大點(diǎn)火提前角，所以發(fā)動(dòng)機(jī)上裝有真空式點(diǎn)火提前裝置。5.其他因素＊進(jìn)氣溫度↑、冷卻水溫度↑、燃燒室壁積碳、進(jìn)氣壓力↑→爆燃傾向↑。總之，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速、大負(fù)荷時(shí)，最易發(fā)生爆燃?！谑褂弥?，調(diào)整點(diǎn)火提前角應(yīng)在低速、大負(fù)荷工況下進(jìn)行。三、結(jié)構(gòu)因素的影響（一）壓縮比

1、ε↑時(shí)：缸內(nèi)燃燒的最高溫度、最高壓力↑，ηit↑

be↓但末端混合氣易自燃，爆燃傾向↑，表面點(diǎn)火傾向↑。

2、ε↑→Pe↑、be↓，但受到爆燃的限制。要防止爆燃：a.改進(jìn)燃燒室的設(shè)計(jì)；b.提高汽油的辛烷值。（二）燃燒室1.對(duì)燃燒室的要求：

1)容積分布要合理

要有適宜的放熱規(guī)律適宜的放熱規(guī)律能夠使燃油釋放的熱量充分利用,發(fā)動(dòng)機(jī)工作柔和，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，即：

＊燃燒初期壓力升高率小，工作柔和；

＊燃燒中期急劇放熱，循環(huán)功大；

＊燃燒后期補(bǔ)燃少，ηit↑※放熱規(guī)律:燃油燃燒時(shí)的放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化的規(guī)律。圖5-10燃燒室容積分布對(duì)燃過(guò)程的影響

2)應(yīng)具有良好的抗爆性。A.結(jié)構(gòu)盡量緊湊面容比?。冶砻娣e與容積之比）火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短，爆燃↓散熱面積小，ηit↑激冷區(qū)小，HC↓

B.燃燒室內(nèi)的混合氣要有適當(dāng)?shù)臏u流強(qiáng)度(進(jìn)氣渦流、擠氣渦流)。進(jìn)氣渦流：利用進(jìn)氣口和進(jìn)氣道的形狀（切線(xiàn)和螺