《內燃機學 第5版》 課件 第5章 內燃機混合氣的形成與燃燒

第五章內燃機混合氣的形成與燃燒5.1內燃機缸內的氣體流動5.2汽油機混合氣的形成燃燒5.3點燃式內燃機的燃燒5.4壓燃式內燃機的燃燒MixtureFormationandCombustionofICEngine主要學習內容第一節(jié)內燃機中的氣體流動擠流Squish滾流Tumble湍流Turbulence渦流SwirlCHARGEMOTIONINCYLINDER主要學習內容汽油機的燃燒

預混可燃混合氣火花點燃火焰?zhèn)鞑ゲ裼蜋C的燃燒

空氣+燃油缸內直噴壓燃預混＋擴散燃燒進氣流動CHARGEMOTION

氣流運動促進燃燒氣流運動促進混合和燃燒一、產生方法在進氣過程中形成的繞氣缸軸線有組織的氣流運動。導氣屏切向氣道螺旋氣道進氣渦流(Inletswirl)進氣速度分布二、進氣渦流的形成機理(Inletswirlmechanism)1、螺旋氣道（Helicalport）進氣在流過氣道螺旋腔后擁有繞氣門中心線的角動量矩。進入氣缸的出口速度場相當于在均勻徑向速度分布的基礎上，增加一個切向速度場。進入氣缸擴散為繞氣缸中心的動量矩。能形成不同強度的進氣渦流。2、切向氣道（Tangentport）呈漸縮狀氣道，進氣流動速度因流通截面積逐漸減小而增加。高速氣流被切向引導進入氣缸后，氣流速度場不均，相當于在均勻速度分布的基礎上，增加一個沿切向氣道方向的速度場。切向氣流在缸套壁面的導向作用下，形成繞氣缸中心的進氣渦流。切向氣道結構簡單，一般只能形成較低的進氣渦流。3、可調進氣渦流(VARIABLEINLETSWIRL)螺旋氣道＋直氣道(切向氣道)直氣道內安裝渦流控制閥(SCV)控制直氣道的進氣量螺旋氣道進氣量的改變缸內進氣渦流強度發(fā)動機在中低負荷工況下，減少直氣道的進氣量，提高缸內渦流強度，可以改善燃燒，提高動力性和經濟性。在高速高負荷時，渦流控制閥全開，增加空氣的吸入量，提高發(fā)動機的高速性能。1—直氣道2—螺旋氣道3—SCV4—排氣道4穩(wěn)流氣道試驗臺三、氣道性能評定(InletSwirlMeasurement)氣道評價指標：流量系數(shù)與渦流比DischargeCoefficientandSwirlRatio流動阻力渦流強度：流量系數(shù)：實際空氣流量：總氣門座內截面面積：理論進氣速度：葉片旋轉角速度：發(fā)動機旋轉角速度：渦流比：進氣道壓降擠流（Squish）

壓縮行程后期，部分活塞頂面和氣缸蓋相互靠近擠壓所產生的徑向或橫向的氣流運動。當活塞下行時，燃燒室中的氣體向外流到環(huán)形空間，產生逆擠流。滾流(Tumble)進氣過程中形成的繞氣缸軸線的垂線旋轉的有組織的空氣旋流叫滾流，又叫斜軸渦流(Inclinedaxialswirl)進氣道和燃燒室壁面的共同作用，在缸內形成滾流。滾流的形成與破碎a)進氣過程b)壓縮過程c)壓縮終了在壓縮行程后期滾流破碎成小尺度渦流，即湍流。促進汽油機的火焰?zhèn)鞑ズ腿紵俣鹊募涌?。滾流的數(shù)值模擬湍流(Turbulence)

內燃機氣缸中的氣體流動是無規(guī)則的非定常運動，氣體內部及其與固體表面相互作用，使渦不斷產生、發(fā)展、分裂和消失，成為湍流運動。湍流特征參數(shù)：

平均湍流速度湍流強度平均速度瞬時速度平均氣流速度

在時間內，速度u的平均值。湍流強度（均方根速度

rootmeansquarevelocity,RMS）

湍流的特征參數(shù)湍流對燃燒的影響在汽油機中，湍流促進火焰面附近已燃氣體和未燃氣體的交換，擴大火焰前鋒表面積，從而提高火焰?zhèn)鞑ニ俾屎腿紵俾?。在柴油機中，湍流可以改善燃油與空氣的混合，促進擴散燃燒，并增強未燃碳氫、一氧化碳和碳煙顆粒的后氧化等。第二節(jié)汽油機混合氣的形成

空燃比的確定

燃油噴射量的確定

進氣量的預測SIENGINEMIXTUREFORMATION主要學習內容

空燃比的閉環(huán)控制進氣量的預測IntakeAirmassPrediction實際測量模型預測發(fā)動機進氣模型節(jié)氣門空氣流量的計算直接法：使用空氣流量計直接測量發(fā)動機的進氣流量。間接法：通過節(jié)氣門的開度和進氣歧管壓力，按照理想氣體一維等熵流動計算的進氣流量進氣歧管內空氣量的計算使用壓力傳感器測量歧管內壓力變化。使用溫度傳感器測量進氣溫度，溫度緩變并認為恒定。速度—密度模型發(fā)動機進氣量計算空燃比的確定Air/fuelRatio空燃比的確定Air/fuelRatio臺架、行車試驗標定A/F怠速工況：A/F=10~12中低負荷工況：

經濟混合氣空燃比在16~17

考慮TWC，A/F=14.7±0.1WOT工況：A/F=12~14加速工況：A/F=12~14減速工況：斷油噴油量的確定FuelInjectionControl臺架、行車試驗標定Φa，形成噴油脈寬MAP圖油膜修正電壓修正溫度修正A/F閉環(huán)修正…缸內汽油直噴缸內直噴混合氣的形成：壁面導流型（WallGuided）空氣導流型（AirGuided）噴霧主導型（SprayGuided）缸內汽油直噴混合氣的形成噴霧主導。依靠噴孔周圍的切向狹縫，形成燃油噴射的切向速度分量，把壓力能轉換成為旋轉力矩。三菱高壓旋流型噴油器旋流噴嘴噴霧發(fā)展的紋影照片（低背壓）實驗條件：Pi=5.0MPa;Pa=0.1MPa;Ta=300K0.4ms0.8ms1.2ms1.6ms2.0ms2.4ms2.8ms3.2ms3.6ms低背壓噴霧特點對應進氣行程早噴，形成均質混合氣。旋流噴嘴噴霧發(fā)展的紋影照片（高背壓）實驗條件：Pi=5.0MPa;Pa=0.5MPa;Ta=300K0.8ms0.4ms1.2ms1.6ms2.0ms2.4ms2.8ms3.2ms高背壓噴霧特點實心圓錐型緊密結構環(huán)境背壓升高、壓力差減小↓旋流噴射速度降低、離心力減弱↓環(huán)境氣體密度增加、阻力增大↓油束被壓縮成緊密結構對應壓縮行程后噴，形成分層混合氣。多孔汽油噴嘴噴霧0.4ms2.0ms2.4ms3.2ms資料來源：上海交通大學汽車工程研究院

張玉銀教授噴霧燃燒研究室噴油溫度(oC)噴油壓力(MPa)噴油持效期（ms）背景空氣壓力(kPa)背景空氣溫度(oC)20151.511020汽油多孔噴霧過程視頻多孔噴霧特點多油束實心圓錐型緊密結構進氣或壓縮行程噴射，形成均質或分層混合氣。高壓、多孔、多次噴射；孔徑、孔數(shù)、油束空間分布設計GDI

混合氣分層空燃比的閉環(huán)控制λ-control氧傳感器λSensor寬域氧傳感器

(UEGO)

Universal

ExhaustGasOxygen

sensor在λ=0.65--2.4提供準確的空燃比氧傳感器λSensor窄域氧傳感器：氧化鋯式和氧化鈦在λ=1附近產生一個跳躍性的輸出電壓變化電壓/mV氧化式氧傳感器及電壓特性第三節(jié)點燃式內燃機的燃燒

汽油機的正常燃燒

汽油機的不正常燃燒

火花點火與火焰?zhèn)鞑IENGINECOMBUSTION主要學習內容火花點火與火焰?zhèn)鞑セ鸹ㄈ鸹c火火焰?zhèn)鞑PARKIGNITION&FLAMEPROPAGATION接線螺母絕緣體密封劑密封墊圈中心電極接線螺桿上墊片殼體下墊片側電極一、火花塞火花塞的熱值

HEATRANGEOFSPARKPLUG火花塞的熱值反映了火花塞把熱量傳遞到氣缸蓋的能力二、

火花點火SPARKIGNITION擊穿階段電弧階段形成電流通道后，電壓較低，但電流仍很高（50～100A），中心區(qū)溫度下降到6000K。一般認為，在電弧階段火焰?zhèn)鞑ラ_始發(fā)生輝光放電階段電流低于200mA，陰極上有大的電壓降(300～500V)且溫度較高，離子化程度很低(低于0.01％)絕大部分的點火能量在此時放出,能量損失比電弧階段更大。火花塞電極在電壓（10～15kV）作用下?lián)舸╇姌O間隙內的混合氣，間隙內阻抗降低，形成電流通道，（峰值200A）1、最小點火能量

電極間隙d由最小變大，存在一個間隙值d0，使得形成火核的最低火花放電能量最小；汽油化學計量比的混合氣點火能量約0.2mJ；較稀或較濃混合氣，以及電極處的混合氣有較高流速時，點火能量為3mJ；發(fā)動機常規(guī)點火系統(tǒng)供給的能量一般為30～50mJ。dddmin(Emin)minEmind0三、火焰?zhèn)鞑LAMEPROPAGATION2、著火界限過濃的混合氣燃燒不完全，放熱量少，過稀的混合氣因其熱值低，燃燒放出的熱量少，因而均不能形成火焰?zhèn)鞑ィ@兩個界限的混合氣濃度稱為著火界限。影響因素：所有影響混合氣初期放熱和散熱速率的因素如：初始溫度殘余廢氣系數(shù)等四、火焰?zhèn)鞑ズ腿紵俾?/p>

FLAMEPROPAGATION&BURNINGRATE

層流火焰?zhèn)鞑ニ俣韧牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣然鹧媲颁h速度

層流與湍流火焰?zhèn)鞑?a)層流燃燒

（b)弱湍流燃燒c)

強湍流燃燒1.層流火焰?zhèn)鞑?laminarflamepropagation)h火焰前鋒相對于未燃混合氣的傳播速率。

導溫系數(shù)（Thermaldiffusivity）Splading方程：計算經驗公式

p

壓力(

kPa)

燃空當量比

未燃氣體溫度(K)

燃料ΦMBMB甲醇丙烷異辛烷汽油1.111.081.131.2136.9234.2226.3227.58-140.51-138.65-84.72-78.34不同燃料ΦM、B和BM值2.湍流火焰速率(turbulentflamepropagation)弱湍流皺褶火焰前鋒面缸內湍流強度不高時，可用經驗關系式

3.火焰?zhèn)鞑ニ俾?flamespeed)火焰前鋒相對壁面的絕對傳播速率。123412341234Se已燃區(qū)膨脹速率容彈球形火焰?zhèn)鞑?/p>

燃料的理化特性混合氣成分混合氣空燃比混合氣溫度、壓力混合氣的流動狀態(tài)火焰?zhèn)鞑ブ饕绊懸蛩谽ffectsonFlamePropagation

汽油機缸內火焰前鋒運動速度已燃區(qū)在活塞頂?shù)耐队懊娣e已燃區(qū)體積V氣缸容積

曲軸角速度

未燃已燃邊界層火焰前鋒面rfRrf(b)火焰前鋒面的幾何關系(a)混合氣燃燒

活塞運動速度汽油機的燃燒COMBUSTIONINSIENGINE一、汽油機燃燒CombustioninSIEngine二、缸內壓力Cylinderpressure火焰核心形成跳火倒拖壓力示功圖θθ1θ2θ3ⅠⅡⅢ122’34壓力曲線分離缸壓分析與燃燒階段的劃分

CylinderPressureAnalysis

andCombustionPhases火焰發(fā)展期第I階段：著火階段，火花塞點火至形成火焰中心。(壓力脫離倒拖線)急燃期第II階段：火焰?zhèn)鞑ルA段，火焰由火焰中心燒遍整個燃燒室的階段。(至缸內最高壓力或溫度處)后燃期第III階段：剩余未燃氣體的燃燒。汽油機燃燒的3個階段：點火~10%mbf10%~90%mbf90%~mbfmbf：massburnedfraction燃料本身的物化性能

殘余廢氣系數(shù)缸內混合氣運動狀態(tài)過量空氣系數(shù)

火花點火能量1.火焰發(fā)展期（FLAMEDEVELOPMENTPHASE）火焰發(fā)展期的影響因素點火時刻缸內混合氣壓力溫度水平混合氣成分火花塞位置燃燒室形狀湍流狀態(tài)影響因素2、急燃期(FASTBURNINGPHASE)點火過早，壓縮負功增加，壓力升高率增加，Pmax過大膨脹比小，高溫期傳熱表面積增加最高燃燒壓力點過早過遲壓力升高率：dp/dφ＝0.2～0.4MPa/

CA最高爆發(fā)壓力：pmax及其發(fā)生位置燃燒持續(xù)期：火焰?zhèn)鞅槿紵业臅r間和曲軸轉角放熱率重心位置發(fā)動機的熱效率湍流火焰前鋒后面沒有完全燃燒掉的燃料。狹縫容積、壁面油膜和積碳層釋放的燃料。離溫熱解的復合反應放熱?；钊蛳轮裹c加速移動，氣缸中壓力快速下降?；鹧嬉褌鞅槿紵遥剂匣竞谋M。3、后燃期LATEBURNINGPHASE燃燒放熱面心越小，燃燒定容度和熱效率越高三、影響因素分析FactorsAnalysis點火提前角對燃燒燃燒過程的影響混合氣濃度對燃燒過程的影響轉速不同時的燃燒過程負荷對燃燒過程的影響1、點火提前角對發(fā)動機性能的影響點火提前角調整特性a)節(jié)氣門全開b)n=1600r/min汽油機點火提前特性最佳點火提前角（MBT）:發(fā)動機獲得最大轉矩的最小點火提前角，但應無爆燃發(fā)生。2、混合氣濃度對發(fā)動機性能的影響轉速和節(jié)氣門開度保持一定，點火提前角為最佳值，調節(jié)供油量，記錄功率、燃油消耗率等隨過量空氣系數(shù)的變化?？杖急日{整特性3、轉速與負荷對點火提前角的影響四、燃燒的循環(huán)變動（CyclicVariation）1、燃燒循環(huán)變動現(xiàn)象Observation

發(fā)動機以某一工況穩(wěn)定運行時，不同循環(huán)和氣缸之間燃燒過程的壓力曲線、火焰?zhèn)鞑ゼ肮β瘦敵龅染幌嗤默F(xiàn)象。2、燃燒循環(huán)變動的原因Mechanism

缸內氣體運動狀況的循環(huán)變動缸內混合氣成分的循環(huán)變動缸內混合氣充量的循環(huán)變動基于缸內壓力循環(huán)變動參數(shù)

(Pressure-relatedParameters)(2)基于燃燒發(fā)熱率循環(huán)變動參數(shù)

(Burn-rate-relatedParameters)(3)基于火焰?zhèn)鞑ノ恢脜?shù)的循環(huán)變動參數(shù)

(FlamefrontpositionParameters)3、燃燒循環(huán)變動的表征參數(shù)平均指示壓力變動系數(shù)(CoefficientofimepVariation)

是燃燒穩(wěn)定性重要參數(shù)，一般認為此值不應超過10％。平均指示壓力的標準偏差:平均指示壓力的平均值:平均指示壓力循環(huán)變動參數(shù)表征4、降低燃燒循環(huán)變動的措施多點點火有利于減小壓力的循環(huán)變動加大點火能量，優(yōu)化放電方式

采用速燃技術，組織一定進氣渦流，加強湍流擾動采用燃油電控噴射技術各缸充量一致性（空氣、廢氣、燃料）采用化學計量或略濃空燃比點燃式內燃機中的不正常燃燒

ABNORMALCOMBUSTIONINSIENGNE點燃式內燃機中的不正常燃燒

ABNORMALCOMBUSTIONINSIENGNE不正常燃燒正常點火爆震低速早燃爆震一、爆震（KNOKING）KnockingMildautoigniton現(xiàn)象：金屬敲擊聲機理：爆燃是終燃混合氣的快速自燃，取決于終燃混合氣的溫度、壓力的時間歷程。1、爆燃現(xiàn)象Observation2、防止爆燃的方法

推遲點火縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x終燃混合氣的冷卻增加流動，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣呷剂系目贡越档徒K燃混合氣的溫度、壓力，縮短火焰前鋒到達時間。3、發(fā)動機結構因素與運轉條件對爆燃的影響運轉因素

點火提前，爆燃傾向加大

沉積物使爆燃傾向增加

轉速增加，爆燃傾向減小

負荷減小，爆燃傾向減小

過濃或過稀的混合氣有助于減小爆燃結構因素氣缸直徑大，燃傾向增大

火花塞靠近排氣門安裝，爆燃傾向減小

鋁合金活塞,爆燃傾向減小火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短、紊流強度提高的燃燒室結構均有助于減小爆燃傾向二、早燃爆震Pre-ignition/SuperKnocking通常發(fā)生發(fā)動機在低速高負荷工況下，是一種低速早燃現(xiàn)象，故為LowSpeedPre-ignition(LSPI)Knocking。LSPI爆震特點超級爆震：爆震強度高，pmax~40MPa，壓力震蕩~20MPa正常燃燒循環(huán)之間的轉換沒有先兆，是隨機的；早燃爆震循環(huán)壓力過程也是不相同的，沒有重復性；早燃爆震循環(huán)次數(shù)及間隔沒有規(guī)律，通常是一次出現(xiàn)，則可能間隔著連續(xù)出現(xiàn)數(shù)次，而總頻率卻在萬分之幾。LSPI爆震機理燃燒室內的熾熱點通過油環(huán)上竄的潤滑油燃燒室沉積物汽油噴霧飛濺到缸套上的燃油第四節(jié)壓燃式內燃機的燃燒著火與燃燒柴油機的缸內燃燒過程燃油噴射與霧化冷起動COMBUSTIONINCIENGINE主要學習內容燃料噴射與霧化FUELSPRAY&ATOMIZATION一、燃油噴射FUELINJECTIONdl小孔噴射示意圖柴油機的多孔噴嘴柴油高壓噴射過程柴油單孔噴霧.avi多孔柴油噴霧.avi單孔噴射多孔噴射1、燃油噴射出口速度2、燃油噴射出口流量A——小孔流通(總)面積Cd——流量系數(shù)，0.7左右，與小孔形狀、加工質量等有關。二、燃油霧化SPRAYATOMIZATION1、油束射程SPRAYPENETRATIONθd當t≤tbreak時當t＞tbreak時當有進氣渦流時2、噴霧錐角CONICALANGLEθ以（o）計，常數(shù)C可以取為0.05θd3、油滴平均直徑SAUTERMEANDIAMETER索特平均直徑(SMD)：整個油束的液滴總體積與總表面積的比4、霧化機理ATOMIZATIONMECHANISMK—H模型R—T模型破碎長度著火與燃燒過程AUTOIGNITION&COMBUSTION一、單油滴燃燒Combustionofsingledroplet圖6-1單個油滴的著火區(qū)域直徑：5~150um(中間較大)Tc-熱空氣溫度；Tw-油滴周圍混合氣溫度；Cu-油滴周圍混合氣濃度；W-化學反應速度。正庚烷液滴燃燒計算與實驗結果二、液滴燃燒的基本條件形成的燃料蒸氣與空氣的混合氣空燃比要在著火界限內?；旌蠚膺^濃，氧分子少，混合氣過稀，則燃料分子少，這兩種情況的氧化反應速率都不夠高，不能形成燃燒。當然，一種燃料的著火界限不是一成不變的，而是隨著溫度的升高，分子運動速率增加，反應速率加快，著火界限也有所擴大。可燃混合氣必須被加熱到自燃溫度以上才能著火，低于這一溫度，燃料就不能著火。不同燃料的自燃溫度是不同的，它反映燃料的自燃性能，但燃料的自燃溫度還與介質壓力、加熱條件及測試方法等因素有關。三、油束著火與燃燒-13-11271420244062Framerate:10,000Frame/s Exposuretime:35s Resolution:512X384噴射壓力:300bar，3次噴射。油束缸內著火與燃燒

燃油高壓噴入氣缸，油束霧化破碎?？諝饩砦?，燃油蒸發(fā)，形成可燃混合氣包圍油束。可燃混合氣出現(xiàn)化學發(fā)光，即自燃。

滯燃期一、燃油霧化蒸發(fā)與混合（可燃混合氣的制備）自燃反應加快，一定量的可燃混合氣快速燃燒。

溫度升高，并出現(xiàn)焰炱發(fā)光。

燃燒發(fā)生在整個油束的外圍。

預混燃燒二、可燃混合氣的預混燃燒

油束邊蒸發(fā)，邊擴散，在與周圍空氣形成可燃混合后燃燒，擴散混合速率控制了燃燒速率。內部預混燃燒產生強烈的燃燒擾動，形成湍流渦，促進了蘑菇頭燃油蒸汽的擴散燃燒。擴散燃燒三、擴散燃燒柴油機的燃燒過程COMBUSTIONINCIENGINE噴射壓力:120MPa點畫線：針閥升程；虛線：氣缸壓力；實線：瞬時放熱率灰區(qū)：預混燃燒；黑區(qū)：擴散燃燒一、柴油機缸內燃燒分析1滯燃期(AB段)

2急燃期BC段

3緩燃期CD段4后燃期DE段除A點外，其他點并不易確定；緩燃期和后燃期分割沒有明確的定義。從柴油機燃燒放熱規(guī)律曲線上看：兩條曲線的B點不一致；同樣存在d點定義問題。1、滯燃期IGNITIONDELAY滯燃期過長，壓力升高率和最高燃燒壓力高，柴油機工作粗暴。滯燃期過短，擴散燃燒增加，易惡化柴油機性能和顆粒排放。從燃料噴入氣缸到放熱率回“0”這一段燃前準備時間。滯燃期的影響因素

燃料理化特性缸內溫度和壓力噴油提前角起噴/噴射壓力燃油霧化空氣運動轉速與負荷進