汽油機(jī)混合氣形成與燃燒-第五章

本章要求：了解：汽油機(jī)有害排放物的生成機(jī)理與控制，汽油機(jī)燃燒室。理解：影響燃燒的因素和措施。掌握：汽油機(jī)混合氣的形成，汽油機(jī)正常燃燒過程，爆燃和表面點(diǎn)火。第五章汽油機(jī)混合氣形成與燃燒

1.燃燒過程的重要性

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.燃燒過程的要求

1）燃燒完全，釋放出盡可能多的熱能，減少廢氣中的有害物質(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）正常：正常燃燒，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定、可靠的工作發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^程。1、火花塞跳火2、缸內(nèi)壓力線偏離純壓縮線的始點(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-滯燃期Ⅱ-顯燃期Ⅲ-補(bǔ)燃期

圖5-1汽油機(jī)的燃燒過程第一節(jié)汽油機(jī)的正常燃燒汽油機(jī)的燃燒過程指從點(diǎn)火開始到燃料基本燒完為止的過程。二、燃燒過程的幾個(gè)階段

1、滯燃期（著火落后期）（影響因素P110）

從火花塞開始跳火到火焰中心形成→滯燃期。

是燃燒的準(zhǔn)備階段，主要進(jìn)行熱量的積累，缸內(nèi)的壓力線與純壓縮線基本重合。當(dāng)反應(yīng)的混合氣的溫度升高到一定程度后，形成發(fā)火區(qū)，即火焰中心。

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，稱為點(diǎn)火提前角，用表示。一般為20—35oCA。各種因素對(duì)滯燃期長(zhǎng)短的影響：燃料的性質(zhì)、混合氣濃度(=0.8~0.9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)。2、明顯燃燒期（速燃期）

從火焰中心形成到示功圖上的壓力達(dá)到最高點(diǎn)為止稱為明顯燃燒期。

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，稱為火焰前鋒?；鹧媲颁h向前推進(jìn)的法向移動(dòng)速度，稱為火焰?zhèn)鞑ニ俣??；鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣纫话?0—80m/s?；旌蠚饧s80—90%在此期間燃燒完畢，溫度、壓力迅速升高，最高壓力在上止點(diǎn)后12℃A~15℃A（循環(huán)功最多）一般占20—30oCA。缸內(nèi)最高壓力點(diǎn)與最高溫度點(diǎn)重合。最高壓力過早使壓縮功增大，過遲散熱損失增大；過大產(chǎn)生振動(dòng)、噪音，過小使膨脹功減少。壓力升高率：即曲軸每轉(zhuǎn)1度時(shí)，缸內(nèi)氣體壓力的平均升高量：λP=△P/△θΔP=（P3-P2）Δθ=（θ3-θ2）

λP表征壓力變化的急劇程度。λP過大，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和噪聲大，工作粗暴；λP在１７５～２５０kＰa/℃A，汽油機(jī)工作柔和，性能好。3、補(bǔ)燃期（后燃期）從最高壓力點(diǎn)到燃燒結(jié)束為補(bǔ)燃期。指明顯燃燒期以后在膨脹過程中的燃燒，主要由火焰前鋒面過后，后面未及燃燒的燃料（燃燒室邊緣和縫隙）再燃燒，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。在膨脹中遠(yuǎn)離上止點(diǎn)放熱，熱能不能充分利用，使ηi↓,且排氣溫度↑，散熱量↑。過長(zhǎng)會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，排氣管“放炮”。

希望后燃期盡可能短，后燃放熱量盡可能少?？偨Y(jié)：1.上述三個(gè)階段中,火焰?zhèn)鞑テ谒俣葘?duì)燃料燃燒速度和放熱速率起決定性的作用。要在工作柔和的條件下，盡可能地提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取?．衡量發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴程度的指標(biāo)—明顯燃燒期內(nèi)的平均壓力升高率△P/△θ，即曲軸每轉(zhuǎn)1度時(shí)，缸內(nèi)氣體壓力的平均升高量：

ΔP/Δθ=（P3-P2)/(θ3-θ2）[kPa/0CA]一般使火焰中心形成點(diǎn)出現(xiàn)在TDC前12-150CA，缸內(nèi)最高壓力點(diǎn)出現(xiàn)在TDC后12-150CA。

ΔP/Δθ=175~245kPa/0CA3．影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩兀ㄒ娊滩腜111）混合氣濃度、缸內(nèi)氣體的紊流強(qiáng)度、殘余廢氣系數(shù)等。第三節(jié)汽油機(jī)的不正常燃燒(一)現(xiàn)象1.缸內(nèi)出現(xiàn)尖銳的金屬敲擊聲2.油膜破壞,機(jī)件磨損加??；3.燃燒室、冷卻系過熱，排溫增加；4.排污增加，嚴(yán)重時(shí)排氣冒黑煙；5.壓力線出現(xiàn)爆震波。常見的不正常燃燒:爆震燃燒和表面點(diǎn)火。(P112)一、爆震燃燒（二）原因

在火焰前鋒到達(dá)之前,末端混合氣的溫度、壓力超過其臨界溫度、壓力而自燃，形成新的火焰中心,火焰?zhèn)鞑ニ俣燃哟?高達(dá)800—1000m/s),使得缸內(nèi)局部壓力、溫度急劇升高,壓力來不及平衡,形成沖擊波（激波）,沖擊波反復(fù)撞擊缸壁,（在示功圖上形成鋸齒形）發(fā)出尖銳的敲缸聲。由于缸內(nèi)局部的高溫、高壓，造成下述后果。(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1、機(jī)件過載沖擊負(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，使活塞頭和氣門等燒損，同時(shí)會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)過熱。3、潤(rùn)滑變差由于傳熱損失增加，使冷卻水和潤(rùn)滑油溫度增加，使?jié)櫥蜐?rùn)滑效果變差，零件磨損加劇。實(shí)驗(yàn)表明，嚴(yán)重爆燃時(shí)磨損比正常燃燒時(shí)大27倍。

4.動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性惡化

嚴(yán)重爆燃時(shí)的局部高溫及強(qiáng)烈的壓力沖擊波，氣體向缸壁的傳熱量大大增加，使熱效率下降，功率降低，耗油率增加。5、積碳增多高溫裂解產(chǎn)生的碳粒形成積炭，6、排氣異常另外，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（辛烷值）汽油機(jī)的壓縮比，應(yīng)適應(yīng)汽油辛烷值的要求?？贡瑒杭状肌⒁掖?、甲基叔丁基醚等2、運(yùn)轉(zhuǎn)因素（點(diǎn)火提前角、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、混合氣濃度、燃燒室沉積物）（P116圖分析）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，進(jìn)氣速度加快，壓縮終了氣體的紊流度提高，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，爆燃程度減弱；氣缸殘余廢氣多，會(huì)使混合氣自燃溫度提高，著火延遲期加長(zhǎng)，可減弱爆燃；

過量空氣系數(shù)在0.85~0.95時(shí)，自燃溫度低，著火延遲期短，爆燃最嚴(yán)重；點(diǎn)火提前角度大，易爆燃；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?！绊懟旌蠚獾臏囟群蛪毫?、結(jié)構(gòu)因素（氣缸直徑、火花塞位置、汽缸蓋和活塞材料、燃燒室結(jié)構(gòu)）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?，能避免爆燃；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。（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增多殘余廢氣二、表面點(diǎn)火或熱面點(diǎn)火表面點(diǎn)火：在汽油機(jī)中，不是靠火花塞點(diǎn)燃，而是由燃燒室內(nèi)熾熱表面（如過熱的火花塞電極、排氣門、積碳等）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）后燃表面點(diǎn)火出現(xiàn)在火花塞點(diǎn)火之后。點(diǎn)火后，在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，熾熱表面在火焰到達(dá)前點(diǎn)燃混合氣，其火焰以正常速度向未燃?xì)怏w推進(jìn)。斷火后發(fā)動(dòng)機(jī)續(xù)轉(zhuǎn)就是這種現(xiàn)象。2）早燃表面點(diǎn)火出現(xiàn)在火花塞點(diǎn)火之前。熾熱表面溫度較高，在點(diǎn)火前，點(diǎn)燃混合氣。由于點(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)易過熱。⑴早燃的危害壓縮負(fù)功↑，缸內(nèi)溫度↑，→散熱量↑,有效功率↓。另外高溫、高壓加重了活塞連桿組的機(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與爆燃的區(qū)別①沉悶的“敲缸聲”。②被熾熱表面點(diǎn)燃，無壓力波產(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。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。壓力升高率高5倍，最高壓力高150%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。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)影響燃燒過程的因素

一、燃油的影響1、汽油的抗爆性：汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆燃的抵抗能力，用辛烷值表示，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)性表征汽油的汽化難易程度。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；但過強(qiáng)，易產(chǎn)生氣阻。1.點(diǎn)火提前角θ

θ過大，→發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，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過小，由于燃燒開始時(shí)活塞已下行，燃燒容積較大，燃?xì)馀c氣缸接觸面積大，導(dǎo)致:(1)損失一部分膨脹功。(2)燃燒在膨脹過程中進(jìn)行，后燃量增大。

→散熱損失大，排氣溫度過高，發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，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)氣門開度下，Ne、ge隨點(diǎn)火提前角的改變而變化的規(guī)律。a）節(jié)氣門全開b）轉(zhuǎn)速n=1600r/min2．混合氣成份

用過量空氣系數(shù)α表示。1）α=0.85-0.95時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣萿最大,用此混合氣時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率達(dá)最大，故稱功率混合氣。供給功率混合氣時(shí),爆燃傾向加大α<0.85為過濃混合氣火焰?zhèn)鞑ソ缦蓿?/p>

0.5<α<1.3。圖5-7α對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?）低負(fù)荷或怠速時(shí)→較濃的混合氣殘余廢氣多，會(huì)引起斷火；燃燒速度慢，發(fā)動(dòng)機(jī)易過熱；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。α=0.4~0.5為火焰?zhèn)鞑ド舷蕖?）α=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。α=1.3~1.4為火焰?zhèn)鞑ハ孪?。?gt;1.15為過稀混合氣4)混合氣成份調(diào)整特性:

在汽油機(jī)轉(zhuǎn)速，節(jié)氣門開度一定，點(diǎn)火提前角最佳時(shí),性能指標(biāo)(功率Ne與燃油消耗率ge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↑→t1↓

→ηv↓→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；壓縮過程的放熱量↓→缸內(nèi)壓力、溫度↑

→火焰?zhèn)鞑ニ俣取?.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↓

→末端混合氣的焰前反應(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。

在使用中，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↑，ηi↑

ge

↓但末端混合氣易自燃，爆燃傾向↑，表面點(diǎn)火傾向↑。2、ε↑→Ne↑、ge↓，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。

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。

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)。

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，ηi↑圖5-10燃燒室容積分布對(duì)燃過程的影響

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，η↑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（切線和螺旋線）形成的渦流。擠氣渦流：利用活塞頂部和缸蓋底部狹小間隙在壓縮時(shí)擠進(jìn)的渦流。

C.降低末端混合氣的溫度（在汽缸蓋擠氣間隙處布置冷卻水套）。3）火花塞的位置要安排適當(dāng)—應(yīng)裝在燃燒室中央偏離排氣門處。適中—火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短t1↓爆燃↓靠排氣門—t2↑爆燃↓靠進(jìn)氣門—著火穩(wěn)定4）盡量增加進(jìn)氣量進(jìn)氣口直徑大、彎少光滑（三）氣缸直徑dd↑→面容比↓,→傳熱損失↓→經(jīng)濟(jì)性↑。但火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x↑→t1↑→爆燃傾向↑。

對(duì)車用汽油機(jī)，d一般小