汽油機混合氣形成及燃燒

汽油機混合氣形成及燃燒第1頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

一般汽油機是在氣缸的進氣管內(nèi)，利用噴嘴或化油器使空氣和燃油混合，進入氣缸后，到壓縮行程終了時已大致形成均質混合氣，并以電火花點火燃燒。

第2頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

第一節(jié)汽油機的正常燃燒

一、正常燃燒過程

(一)正常燃燒過程進行情況

通常測取燃燒過程的展開示功圖研究燃燒過程。在燃燒壓力線上，1點為火花塞跳火點，2點為出現(xiàn)火焰中心，3為最高壓力點。

將燃燒過程分為三個階段：著火落后期、明顯燃燒期和補燃期。

第3頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）著火落后期

從火花塞跳火到形成火焰中心時的時間或曲軸轉角。

特點：

（1）火花放電時兩極電壓達10~15kV，局部溫度可達3000K，加快了混合氣的氧化反應速度。

（2）此階段缸內(nèi)壓力無明顯升高。

第4頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

著火延遲期的長短與以下因素有關：

（1）混合氣成分混合氣過量空氣φat=0.8~0.9時，著火落后期最短。

（2）開始點火時的缸內(nèi)氣體溫度和壓力開始點火時缸內(nèi)氣體溫度和壓力越高，著火落后期越短。

（3）缸內(nèi)氣體流動

加強紊流運動，會加快混合氣的氧化反應速度，著火落后期縮短。

（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。第5頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月點火提前角：是指從火花塞跳火到上止點間的曲軸轉角。可用其表示點火時刻。第6頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月(二）明顯燃燒期從形成火焰中心到最高壓力出現(xiàn)。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。第7頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月火焰?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。第8頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月常用平均壓力升高率λp〔kPa／(o)〕表征壓力變化的急劇程度。

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角差（CAo）。汽油機的λp在200~400kpa/(o)的范圍內(nèi)。第9頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月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。一般明顯燃燒期約占20o~40o曲軸轉角，燃燒最高壓力出現(xiàn)在上止點后12o~15o曲軸轉角，λp=175~250kpa/(o)為宜。第10頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

（三）補燃期

從最高壓力點開始到燃料基本燃燒為止稱為補燃期。

第11頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第12頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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

式中ρt—未燃混合氣密度；

μt—火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/p>

At—火焰前鋒面積?？刂迫紵俣染湍芸刂泼黠@燃燒期的長短及其相對曲軸轉角的位置。

第13頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月影響燃燒速度的因素有：

1.

火焰?zhèn)鞑ニ俣圈蘴

火焰?zhèn)鞑ニ俣仁菦Q定明顯燃燒期長短的主要因素?，F(xiàn)代汽油機的μt可高達50—80m/s。影響μt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。第14頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

（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?。紊流強烈紊流較弱第15頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）混合氣成分不同，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫裁黠@不同，如圖所示為實驗所得火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c過量空氣系數(shù)的關系。

當Φat=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Φat=1.031-1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。第16頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月火焰?zhèn)鞑ハ孪蓿害礱t＞1.3-1.4時，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，甚至不能傳播。火焰?zhèn)鞑ド舷蓿害礱t＜0.4-0.5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Φat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?。?7頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)整燃燒速度。它直接影響到明顯燃燒期相當曲軸轉角的位置及燃燒速度變化的情況，與壓力上升密切相關。第18頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.可燃混合氣密度ρt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。第19頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（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)定正常運轉情況下，各循環(huán)之間的燃燒差異和各缸之間的燃燒差異。

第20頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

（一）、各循環(huán)之間的燃燒差異

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。

第21頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月這種循環(huán)間的燃燒變動使汽油機空燃比和點火提前角調(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、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。第22頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

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）Φat=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，因此轉速增加，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。

第23頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

（二）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24頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

第二節(jié)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。第25頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

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）。第26頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

（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?。?7頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月正常燃燒與爆燃的不同

正常燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?0~80m/s，無壓力波，壓力升高率在200~400kpa/(o)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100m/s~300m/s，強烈爆燃時可高達800m/s~1000m/s。使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。第28頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

(三

(三)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。第29頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．機件燒損汽油機燃燒終了時的溫度可達到2000℃~2500℃,而活塞頂、燃燒室壁及缸壁的溫度僅為200℃~300℃，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，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。第30頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．性能指標下降

嚴重爆燃時的局部高溫及強烈的壓力沖擊波，破壞了附面層，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。

4．發(fā)動機磨損加劇

由于傳熱損失增加，使冷卻水和潤滑油溫度增加，使?jié)櫥蜐櫥Ч儾?，零件磨損加劇。實驗表明，嚴重爆燃時磨損比正常燃燒時大27倍。

第31頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

5．排氣冒黑煙，補燃增加，排氣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。

第32頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

6．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。第33頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）影響爆燃的因素

1．燃料的性質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

第34頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．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0.4~0.7單位。

3．火焰前鋒傳到末端混合氣的時間提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒖s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。

第35頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

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ε=9以上的強化汽油機上。第36頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月熾熱表面第37頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．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，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。第38頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．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。第39頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

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常火焰燒到之前由熾熱物點燃混合氣所致。

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。第40頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月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。

第41頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

第三節(jié)

影響燃燒過程的因素

一、

汽油的品質汽油的蒸發(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。第42頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、混合氣成分在Φat=0.8~0.9時，由于燃燒溫度最高，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?，因此pz、Tz、△p/△θ、Pe均達最高值，且爆燃傾向最大。在Φat=1.03~1.1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Φat＜1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Φat＜0.8及Φat＞1.2時，火焰?zhèn)鞑ニ俣染徛?，部分燃料可能來不及完全燃燒，因而?jīng)濟性差，HO排放量增多且工作不穩(wěn)定。

第43頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

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角。其數(shù)值應視燃料性質、轉速、負荷、過量空氣系數(shù)等很多因素而定。第44頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，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。第45頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月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。

第46頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、

發(fā)動機轉速轉速增加時，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，使得在轉速增加時，自動增大點火提前角，以保證燃燒過程在上止點附近完成。

轉速增加時，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤純A向減小。

第47頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、發(fā)動機負荷轉速一定，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