9第五章(2節(jié))燃燒(4.5學(xué)時(shí)).ppt

1、第二節(jié) 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒 本節(jié)討論以下內(nèi)容： 一 點(diǎn)火過程與著火落后期 二 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的正常燃燒 三 代用燃料的燃燒 四 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的不正常燃燒 五 點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒模型,一、點(diǎn)火過程與著火落后期 1、火花點(diǎn)火過程 目前，火花點(diǎn)火過程有許多 方面還不是很清楚。 圖5-6是常規(guī)高壓線圈點(diǎn)火 系統(tǒng)工作時(shí)電壓與電流的變化 示意圖。 整個(gè)放電過程可分為三個(gè) 階段： （1）擊穿階段 （2）電弧階段 （3）輝光放電階段 （中間有兩個(gè)過渡區(qū)、前面有一 個(gè)預(yù)放電階段） 整個(gè)過程約1ms。,（1）擊穿階段特點(diǎn)： 電極在很高電壓（約10-15kV）下，擊穿電極間隙內(nèi)的混合氣； 離子流從火花塞的一個(gè)電極奔向

2、另一個(gè)電極，間隙阻抗迅速下降； 建立一個(gè)直徑約40m的圓柱狀離子化氣體通道，電能幾乎可以無損失地通過等離子流； 局部溫度升至60000K，壓力上升到幾十個(gè)MPa； 產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的激波向四周傳播，使等離子通道的體積迅速膨脹（約膨脹到直徑2mm），而它的壓力、溫度迅速下降； 擊穿階段，通過火花塞間隙的峰值電流高達(dá)200A； 整個(gè)擊穿階段的時(shí)間很短，約10ns，故能量?。?mJ）。,（2）電弧階段特點(diǎn)： 在擊穿階段末期，形成電極間的電流通道； 電弧放電電壓較低（50100V），電流仍很高（1-10A）； 與擊穿階段電極間的電流通道內(nèi)的氣體完全離解或離子化相反，放電帶中心部分的離解程度仍很高，但離子化

3、程度比較低（約1%）； 在陰極和陽極的電壓降是電弧放電電壓降的主要部分，電能儲(chǔ)存在這些電極的表層區(qū)域，由金屬電極導(dǎo)走； 要求有灼熱的陰極（以便電弧正常維持），造成了陰極材料的蒸氣蝕損； 由于擊穿階段末期等離子體體積膨脹、體外熱交換和擴(kuò)散作用增強(qiáng)，使電弧中心區(qū)溫度下降到6000K； 整個(gè)階段的時(shí)間較短，微秒級(jí)，故能量?。?mJ）。 一般認(rèn)為，在電弧階段火焰?zhèn)鞑ラ_始。,（3）輝光放電階段特點(diǎn)： 電流低于200mA，陰極上有大的電壓降（300500V），溫度較高，離子化程度很低（低于0.01%）； 大部分點(diǎn)火能量此時(shí)放出，時(shí)間毫秒級(jí)，能量損失比電弧階段更大； 氣體的最高平衡溫度下降到3000K。 點(diǎn)

4、火系統(tǒng)和儲(chǔ)能裝置（如點(diǎn)火線圈）的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)將決定這一階段的進(jìn)程， 在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下： 對(duì)靜止的具有化學(xué)計(jì)量比的混合氣點(diǎn)火能量 ，通常只需要0.2mJ； 對(duì)于較稀或較濃的混合氣，或電極處混合氣 有較高流速時(shí)，需要點(diǎn)火能量為3mJ； 為了能使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下都能可靠點(diǎn)火 ，常規(guī)點(diǎn)火系統(tǒng)供給能量一般為3050mJ。,2、滯燃期（著火落后期） 滯燃期是一個(gè)工程上的概念，要準(zhǔn)確定義點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的滯燃期比較困難，因?yàn)槔碚撋?，點(diǎn)火瞬間即開始火焰?zhèn)鞑ィ梢哉f幾乎沒有滯燃期。 目前，工程上所指的滯燃期一般用以下三種方法定義： 1）從火花點(diǎn)火至氣缸內(nèi)壓力明顯脫離壓縮線時(shí)的時(shí)間或曲軸轉(zhuǎn)角。 2）火花點(diǎn)火開始后觀察

5、氣缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ブ聊骋辉O(shè)定的小的半徑時(shí)所需的時(shí)間。 為試驗(yàn)方便，一般先求出火焰半徑與時(shí)間的關(guān)系曲線，用外推法求出所設(shè)定的小半徑的相應(yīng)時(shí)間。 3）從火花點(diǎn)火開始直到氣缸內(nèi)10%的燃料燃燒完了的時(shí)間或曲軸轉(zhuǎn)角（又名火焰發(fā)展角）。 應(yīng)當(dāng)指出，以上三種方法測(cè)出滯燃期在數(shù)值上差別較大，在使用時(shí)應(yīng)指明采用何種定義的滯燃期。,二、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的正常燃燒 主要介紹均質(zhì)混合氣正常燃燒。因絕大部分汽油機(jī)在電火花強(qiáng)制點(diǎn)火前已形成大致均勻混合氣（氣缸外部利用化油器或噴油）。 （一）定容燃燒彈中的燃燒過程 因可燃混合氣在定容燃燒彈中的燃燒與汽油機(jī)的燃燒比較接近，所以，可以用定容燃燒彈中的燃燒試 驗(yàn)來說明汽油機(jī)的正常燃燒

6、情況。 1、初始狀態(tài)： 右圖把定容燃燒彈分成相等的四部分 （1、2、3、4），其中每部分包含等量的 可燃混合氣，狀態(tài)均為（p0、T0），（即 圖5-7a）。,2、區(qū)域1燃燒：設(shè)第一部分首先燃燒（在p0、T0下），壓力、溫度升高（ p1、T1 ），體積膨脹，其余三部分由于壓縮與傳熱的影響，溫度與壓力也有所提高，見圖5-7b。 3、區(qū)域2燃燒：區(qū)域2在（ p1、T1 ）下開始燃燒（圖5-7c），燃燒時(shí)，區(qū)域2的氣體要膨脹，壓縮已燃燒氣體1和未燃燒氣體3和4，使它們的壓力溫度再升高。 4、其它區(qū)域燃燒：然后依次燃燒3和4部分的混合氣。,根據(jù)定容燃燒彈物理模型，可以得出以下結(jié)論： 1）等截面燃燒室內(nèi)，

7、燃燒速率不相等的。因?yàn)?，火焰沿燃燒室不斷傳播，相繼投入燃燒的各層混合氣，比前一層混合氣有更高的密度。 2）燃燒室內(nèi)各處燃?xì)鉁囟炔幌嗟?。因?yàn)?，各部分混合氣在投入燃燒前的狀態(tài)不同，燃燒后受壓縮的情況也不同。 靠近火花塞的那部分混合氣，先在較低溫度下燃燒，在低壓下膨脹；最后在高壓下回到原來的體積，這部分氣體除獲得燃燒的化學(xué)能外，還獲得壓縮功，因而最終溫度較高。 相反，最后燃燒的那部分混合氣，要損失一部分功，因而溫度較低，兩者相差可達(dá)數(shù)百度。 這可以用來解釋：為什么高速攝影記錄燃燒過程（在火焰?zhèn)鞑ソ咏K點(diǎn)）時(shí)，火花塞附近又發(fā)生“后輝”的原因。 3）氣流靜止的燃燒室內(nèi)會(huì)引起氣流運(yùn)動(dòng)（火焰?zhèn)鞑サ膲嚎s-膨脹

8、）。,而且這種氣流運(yùn)動(dòng)的方向，在燃燒初期與燃燒末期是相反的，使火焰?zhèn)鞑ニ俣犬a(chǎn)生先加速后減速的傾向。 遠(yuǎn)端混合氣，所受壓縮與傳熱時(shí)間最長，在火焰前鋒到達(dá)前，先期反應(yīng)已有較大的發(fā)展。 因而，火焰前鋒的速度越來越大，但在接近缸壁時(shí)，由于缸壁的冷卻作用而變慢。,（二）預(yù)混燃燒與擴(kuò)散燃燒 預(yù)混燃燒：在燃燒過程中，如果化學(xué)反應(yīng)控制了燃燒速率，即混合過程比化學(xué)反應(yīng)（燃燒反應(yīng)）要快得多，或者在火焰到達(dá)之前燃燒與空氣已充分混合，這種可燃混合氣的燃燒稱之為預(yù)混燃燒。 汽油機(jī)和氣體燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的可燃混合氣的燃燒基本上屬預(yù)混燃燒。在柴油機(jī)中，燃料是借助于噴油裝置在接近壓縮終了時(shí)噴入氣缸，經(jīng)過一個(gè)很短的滯燃期后即開始著火

9、。在滯燃期內(nèi)，若噴入氣缸的燃料在著火前已蒸發(fā)并與空氣混合，那么這部分燃料的燃燒可以看作是預(yù)混燃燒。 擴(kuò)散燃燒：在燃燒過程中，如果混合過程控制了燃燒速率，即化學(xué)反應(yīng)（燃燒反應(yīng)）比混合過程要快得多，這就是所謂的擴(kuò)散燃燒。 柴油機(jī)的大部分燃料是在著火后噴入氣缸的，它處于一邊與空氣混合、一邊燃燒的情況下，由于混合過程比反應(yīng)速率慢，因此燃燒速率取決于混合速率。 擴(kuò)散燃燒的顯著特征是，它的燃燒速率取決于使燃料和氧化劑達(dá)到適宜進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所需要的擴(kuò)散速率。,（三）點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程-（以汽油機(jī)的正常燃燒為例） 通常把點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程分成三個(gè)階段，如圖。 第階段1-2稱為 著火階段，是指電 火花跳火到

10、形成火 焰中心的階段。 第階段23稱 為急燃期，是指火 焰由火焰中心燒遍 整個(gè)燃燒室的階段， 因此也稱為火焰?zhèn)?播階段。 第階段34稱 為后燃期，它相當(dāng) 于急燃期終點(diǎn)3至燃料基本上完全燃燒點(diǎn)4為止。,各個(gè)階段特征分述如下： 第階段（著火階段）-著火落后期、滯燃期： 電火花在上止點(diǎn)前角（1點(diǎn)）跳火以后，混合氣中并不立即產(chǎn)生火焰。高速攝影表明，在1點(diǎn)（圖5-8）亮后，至2點(diǎn)再亮，這段時(shí)間約占整個(gè)燃 燒時(shí)間的15%左右。 但工程上一般 是按氣缸壓力開始 與壓縮壓力相分離 的2點(diǎn)計(jì)算的，2點(diǎn) 與2點(diǎn)相差甚微， 它與底片的感光性 能及測(cè)壓儀器的靈 敏度有關(guān)。,滯燃期i的長短與下列因素有關(guān)： 1）燃料本身

11、的分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能。 2）點(diǎn)火時(shí)缸內(nèi)氣體壓力、溫度。它與壓縮比有關(guān)，壓縮比高，滯燃期短。 3）混合氣過量空氣系數(shù)a。 試驗(yàn)表明，汽油-空氣混合氣在a =0.80.9時(shí)（較理論空燃比濃）， i最短，如右圖所示。 4）殘余廢氣量增加，i增加。 5）氣缸內(nèi)混合氣運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，則 i稍有增加。由于氣流運(yùn)動(dòng)，火焰 中心不一定在電極間隙處，有可能在電極間附近。 6）火花能量大，i縮短。 對(duì)于電火花點(diǎn)火的汽油機(jī)而言，氣缸內(nèi)著火的時(shí)間（2點(diǎn)）可以用控制點(diǎn)火提前角的辦法來達(dá)到，所以滯燃期的長短對(duì)汽油機(jī)工作的影響不大，這一點(diǎn)是與柴油機(jī)完全不同的。,第階段-火焰?zhèn)鞑ルA段： 在這一階段內(nèi)，壓力升高很快，壓力 升高率d

12、p/d =0.20.4MPa/ CA。 壓力升高率代表發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴的程 度。它與振動(dòng)、噪聲、火焰?zhèn)鞑ニ俾视忻?切相關(guān)，因此火焰?zhèn)鞑ニ俾矢叩目扇蓟旌?氣均促使dp/d 增加?；鸹ㄈ恢?、燃燒 室型式對(duì)其也有影響。 急燃期終點(diǎn)一般為最高壓力點(diǎn)3或最高溫度點(diǎn)3（有時(shí)3和3點(diǎn)重合）。若取放熱率驟然下降時(shí)刻作為急燃期終點(diǎn)應(yīng)更為合理。 最高燃燒壓力點(diǎn)3到達(dá)的時(shí)刻，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、經(jīng)濟(jì)性有重大影響。如3點(diǎn)到達(dá)過早，則混合氣必然過早點(diǎn)燃，從而引起壓縮過程負(fù)功的增加，壓力升高率增加，最高燃燒壓力過高。相反，如3點(diǎn)到達(dá)過遲，則膨脹比將減小，同時(shí)，燃燒高溫時(shí)期的傳熱表面積增加，也是不利的。 3點(diǎn)的位置可以通過點(diǎn)火

13、提前角ig來調(diào)整。,第階段-后燃期： 它相當(dāng)于急燃期終點(diǎn)3至燃料基本上完全燃燒點(diǎn)4為止。p- 圖上的點(diǎn)3表示燃燒室主要容積已被火焰充滿，混合氣燃燒速度開始降低，加上活塞向下止點(diǎn)加速移動(dòng)，使氣缸中壓力從點(diǎn)3開始下降，在后燃期中主要是湍 流火焰前鋒后面未完全燃 燒的燃料、氣缸壁面上的 混合氣層繼續(xù)燃燒。 汽油機(jī)燃燒產(chǎn)物中 CO2和H2O的離解現(xiàn)象比 柴油機(jī)嚴(yán)重，在膨脹過程 中溫度下降后又部分復(fù)合 放熱。一般也作后燃看待。 一般調(diào)整點(diǎn)火提前角，使點(diǎn)2在BTDC12-15CA，點(diǎn)3在ATDC12-15CA到達(dá)，（dp/d ）max為0.1750.25MPa/CA。可使汽油機(jī)工作柔和、動(dòng)力性能良好。,（

14、四）燃燒過程按已燃質(zhì)量分量劃分 下圖是已燃質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（質(zhì)量燃燒率）與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線。 可見，在火花點(diǎn)火以后，燃料-空氣混合氣的燃燒速率從很低達(dá)到最大（燃燒過程中部），然后接近于零（燃燒終了時(shí)）。 利用已燃質(zhì)量百分 數(shù)表示燃燒過程各階段較 為方便，并以此可定義發(fā) 動(dòng)機(jī)燃燒的各個(gè)階段。 根據(jù)此曲線，點(diǎn)燃式 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程可以描述 為： 1）火焰發(fā)展期-從火 花點(diǎn)火到燃料化學(xué)能釋放 10%之間的曲軸轉(zhuǎn)角間隔 期。,2）快速燃燒期-大量 工質(zhì)燃燒所需的曲軸轉(zhuǎn)角 間隔。 定義為從火焰擴(kuò)展階 段（10%已燃質(zhì)量百分?jǐn)?shù)） 到火焰?zhèn)鞑ミ^程終點(diǎn)（90 %已燃質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）之間 的曲軸轉(zhuǎn)角間隔期。 3）總?cè)紵?/p>

15、-整個(gè)燃 燒過程的持續(xù)期，它是火 焰發(fā)展期與快速燃燒期之 和。,（五）火焰?zhèn)鞑ニ俾屎腿紵俾?可燃混合氣著火以后，即形成火焰中心，火焰由此中心以一定的速率傳播到整個(gè)燃燒室。按混合氣流動(dòng)特性，火焰分為層流火焰和湍流火焰。 1、層流火焰(傳播)速率SL 層流火焰(傳播)速率定義為火焰前鋒相對(duì)于未燃混合氣的相對(duì)速率，其表達(dá)式為 （5-18） 式中，Af為火焰面積，u為未燃混合氣密度， 為質(zhì)量燃燒率。 所以，如果求出火焰(傳播)速率，就可以得到質(zhì)量燃燒率。,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的混合氣，層流火焰（傳播）速率在40180 cm/s 之間。在實(shí)際計(jì)算SL 時(shí)，常采用Mattavi 經(jīng)驗(yàn)公式 （5-19） 式中，S

16、L0=30.5-54.9 (-1.21)2（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）； =2.18 - 0.8 (-1)； =-0.16+0.22 (-1)； 為燃空當(dāng)量比（過量空氣系數(shù)的倒數(shù)）； p為壓力（kPa）； Tu為火焰前鋒面前未燃?xì)怏w溫度(K)。,2、湍流火焰速率ST 缸內(nèi)湍流作用： 大標(biāo)尺湍流使火焰前 鋒面發(fā)生扭曲，除增加鋒 面面積外，還使火焰前鋒 分裂成許多燃燒中心，導(dǎo) 致湍流火焰速率大大增加； 小標(biāo)尺湍流可大大增 加焰面中分子與新鮮混合 氣中的分子的相互滲透， 因此使湍流速率增加（圖 5-11）。 湍流較弱時(shí)，火焰鋒 面完整；湍流較強(qiáng)時(shí)，鋒 面被撕裂成碎片。,定義：FSR=ST/SL，稱為火焰（湍/層流

17、）速率比。因此，湍流速率與層流速率存在如下關(guān)系 （5-20） 當(dāng)缸內(nèi)湍流強(qiáng)度不高時(shí)，Mattavi給出了便于計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 （5-21） 式中，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min）。 但在發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際燃燒過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c湍流強(qiáng)度之比的關(guān)系并不一定是線性的。 湍流強(qiáng)度不高時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c湍流強(qiáng)度之間呈線性關(guān)系； 湍流增加到一定強(qiáng)度時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S湍流強(qiáng)度的增加而呈非線性增加趨勢(shì)； 湍流強(qiáng)度太強(qiáng)，火焰?zhèn)鞑ニ俾士赡軙?huì)隨湍流強(qiáng)度增加而降低。 因此，在汽油機(jī)中，組織適當(dāng)強(qiáng)度的湍流有助于提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，?duì)燃燒過程有利；但太強(qiáng)的湍流不僅不利于提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，反面?huì)使傳播中的火焰淬熄。,3、火焰?zhèn)鞑ニ?/p>

18、率Sf 定義：火焰?zhèn)鞑ニ俾蕿榛鹧媲颁h相當(dāng)于燃燒室壁面?zhèn)鞑サ慕^對(duì)速率，在發(fā)動(dòng)機(jī)中可用下式計(jì)算 （5-22） 式中，Se為已燃區(qū)膨脹速率，由下式給出 （5-23） 式中，AP、SP分別是已燃區(qū)在活塞上的投影面積和活塞運(yùn)動(dòng)速度；Vb為已燃區(qū)體積；為曲軸角速度。,（六）著火界限或可燃范圍 可燃混合氣過濃或過稀時(shí)，電火花放電以后，不能形成火焰中心、產(chǎn)生火焰?zhèn)鞑ァ?電火花首先點(diǎn)燃電極間隙內(nèi)這一體積的可燃混合氣，當(dāng)它放出的熱量大于向四周混合氣的散熱量，火焰才能傳播發(fā)展；反之，將自行熄滅。 過濃混合氣燃燒不完全、放熱量少；過稀混合氣的熱值低、放出的熱量少，因而均不能點(diǎn)火混合氣。 兩界限之間的混合氣濃度范圍稱為

19、可燃范圍或著火界限。 要使混合氣正常燃燒，必須保證混合氣濃度在可燃范圍內(nèi)。 幾種燃料的可燃范圍大致如下： 汽油：最小過量空氣系數(shù)0.5最大過量空氣系數(shù)1.30 酒精：0.41.70 苯：0.41.25 醚：0.41.25 影響混合氣初期放熱速率和散熱速率的因素，都會(huì)影響著火界限。,例如，可燃混合氣初始溫度增高，有利于放熱速率的提高和散熱速率的降低，因此擴(kuò)大了著火界限。 殘余廢氣中含有大量的惰性分子（N2，CO2水蒸氣等），當(dāng)殘余廢氣系數(shù)增加時(shí)，著火界限將縮小。 考慮到在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)各處的溫度、壓力并不完全相同，空氣、燃料及殘余廢氣的混合也不一定絕對(duì)均勻，因此著火界限比上面列出的范圍窄。例如：

20、 火花塞間隙附近的氣體，若主要是濃度合適的新鮮可燃混合氣，就比較容易著火； 著火后缸內(nèi)溫度、壓力均升高，火焰?zhèn)鞑ヒ脖容^容易（即使其他部分的混合氣的廢氣成分高一些）。 如果燃燒室設(shè)計(jì)不好，不能很好清掃火花塞附近的殘余廢氣，著火界限就變窄，甚至不能著火。 現(xiàn)代汽油機(jī)在較高負(fù)荷且工作正常時(shí)的著火界限（稀氣極限）大致為amax=1.31.4，一般當(dāng)a=1.251.35時(shí)，汽油機(jī)工作循環(huán)已不穩(wěn)定，燃油消耗率迅速上升，混合氣再稀一些，發(fā)動(dòng)機(jī)即自行熄滅。濃氣極限amin無實(shí)際意義上的限制。,對(duì)于汽油噴射、分層燃燒汽油機(jī)以及柴油機(jī)，由于整個(gè)燃燒室內(nèi)混合氣分布不均勻，因此按平均意義上的過量空氣系數(shù)表示的可燃范圍

21、就失去意義。 （七）不同工況下燃燒過程的特點(diǎn) 下面分別討論不同點(diǎn)火提前角、混合氣濃度、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速的燃燒過程。,1、點(diǎn)火提前角不同時(shí)的燃燒過程 影響汽油機(jī)最佳點(diǎn)火提前角的因素很多，如轉(zhuǎn)速、過量空氣系數(shù)、進(jìn)氣壓力和溫度等，它只能在試驗(yàn)中予以測(cè)定。 下圖給出了汽油機(jī)點(diǎn)火提前特性圖。測(cè)試條件：保持節(jié)氣門開度、轉(zhuǎn)速以及混合氣濃度一定，記錄功率、燃油消耗率、排氣溫度隨點(diǎn)火提前角的變化。 對(duì)于汽油機(jī)，每一工況都存在一最佳點(diǎn)火提前角，這時(shí)汽油機(jī)功率最大，燃油消耗率最低。 最佳點(diǎn)火提前角位置： 使最高燃燒壓力在上止點(diǎn)后 12-15（CA）時(shí)達(dá)到， 這時(shí)實(shí)際示功圖與理論示功 圖最為接近。 選擇：要考慮到發(fā)動(dòng)機(jī) 在

22、整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，保證最 大功率而無爆燃。,2、混合氣濃度不同時(shí)的燃燒過程 汽油機(jī)燃料調(diào)整特性： 在轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度保持一定、點(diǎn) 火提前角為最佳值條件下，調(diào)節(jié)供油量， 記錄功率、燃油消耗率、排氣溫度隨過 量空氣系數(shù)的變化曲線，稱為汽油機(jī)在 某一轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度下的調(diào)整特性，如圖所示。 因汽油機(jī)在a=0.80.9時(shí)，滯燃期最短，火焰?zhèn)鞑サ钠骄俾首罡?。較濃混合氣燃燒以后的實(shí)際分子變更系數(shù)增大、燃料蒸發(fā)量增多，進(jìn)氣溫度下降，充量系數(shù)有所增大，所以，最高爆發(fā)壓力、最高燃燒溫度、壓力升高率和功率均達(dá)到最大值，同時(shí)由于不完全燃燒的趨勢(shì)增加，燃油消耗率較高。 因缸內(nèi)燃料、空氣和殘余廢氣不能絕對(duì)均勻混合，因而

23、不可能剛好在a=1時(shí)獲得完全燃燒?；旌蠚馍韵r(shí)，最高燃燒溫度下降，使燃燒產(chǎn)物離解等不良影響減少，有利于提高熱效率，當(dāng)a = 1.031.1時(shí)，燃油消耗率達(dá)到最佳值。過稀混合氣熱效率下降。因燃燒速率降低，燃燒時(shí)間拉長。,3、負(fù)荷不同時(shí)的燃燒過程 在汽油機(jī)上，轉(zhuǎn)速保持不變，通過改變節(jié)氣門開度來調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的混合氣量，以達(dá)到不同的負(fù)荷要求。-負(fù)荷量調(diào)節(jié) 當(dāng)節(jié)氣門關(guān)小時(shí)，充量系 數(shù)急劇下降，但留在氣缸內(nèi)的 殘余廢氣量不變，使殘余廢氣 系數(shù)增加，滯燃期增加，火焰 傳播速率下降，最高爆發(fā)壓力、 最高燃燒溫度、壓力升高比均 下降，冷卻水散熱損失相對(duì)增 加，因而燃油消耗率增加。因 此，隨著負(fù)荷的減小，最佳點(diǎn)

24、火提前角要提高（如圖）。 在汽油機(jī)中，用點(diǎn)火提前 真空調(diào)節(jié)器來自動(dòng)調(diào)整。,4、轉(zhuǎn)速不同時(shí)的燃燒過程 在內(nèi)燃機(jī)中，轉(zhuǎn)速增加時(shí)，氣缸內(nèi)的湍流增加，使火焰?zhèn)鞑ニ俾蚀篌w成正比例增加，最高爆發(fā)壓力、壓力升高比隨轉(zhuǎn)速變化不大；由于散熱損失減少，進(jìn)氣被加熱增加，使氣缸內(nèi)混合得更均勻，有利于縮短滯燃期。 另一方面，由于殘余廢氣系數(shù)增加，氣流吹走電火花的傾向增大，又促使滯燃期增加。 以上兩種因素使以秒計(jì) 的滯燃期與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不大， 但以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的滯燃期隨 轉(zhuǎn)速增加而增大（如圖所示 ）。 因此，在汽油機(jī)上一般 都設(shè)有點(diǎn)火提前角離心自動(dòng) 調(diào)節(jié)裝置，使在轉(zhuǎn)速增加時(shí)， 增大點(diǎn)火提前角。,5、點(diǎn)火提前角的控制 點(diǎn)火提前

25、角對(duì)汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響： 據(jù)統(tǒng)計(jì)，點(diǎn)火提前偏離最佳值5 （CA），熱效率下降1%； 偏離最佳值10（CA），熱效率下降5%； 偏離最佳值20（CA），熱效率下降16%。 最佳點(diǎn)火提前角的影響因素： 大氣狀態(tài)（壓力、溫度、濕度）、缸體溫度、燃料辛烷值、空燃比、殘余廢氣系數(shù)、排氣再循環(huán)等。 傳統(tǒng)控制方法：只考慮了其中的兩個(gè)因素，即真空和離心調(diào)節(jié)裝置。 特點(diǎn)：只能隨轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的變化對(duì)點(diǎn)火提前角作近似控制。 現(xiàn)代電子控制方法：實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火提前角的精確控制，大體上分成兩類，計(jì)算機(jī)開環(huán)控制和閉環(huán)控制。 其特點(diǎn)如下：,計(jì)算機(jī)開環(huán)控制特點(diǎn)：一種預(yù)定順序控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器和負(fù)荷傳感器測(cè)得的信號(hào)，在存儲(chǔ)器中預(yù)定特性圖

26、上找出對(duì)應(yīng)于該工況的近似最佳點(diǎn)火提前角來控制點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火。 預(yù)定特性圖是事先通過試驗(yàn)得到的近似最佳點(diǎn)火提前角與轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的三維曲線圖或表格，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，若多加幾個(gè)傳感器還可監(jiān)控更多的參數(shù)。 優(yōu)缺點(diǎn)：響應(yīng)速度快；不能考慮所有影響因素，若采用多個(gè)傳感器，則價(jià)格較貴，系統(tǒng)的可靠性下降。 計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制特點(diǎn)：一種自適應(yīng)控制或反饋控制，根據(jù)反饋信息確定下一次點(diǎn)火提前角的調(diào)節(jié)方向。 目前作為反饋信息參數(shù)大都采用轉(zhuǎn)速（方便），調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角控制邏輯為：當(dāng)負(fù)荷不變時(shí)，改變點(diǎn)火提前角一個(gè)步長，則： 點(diǎn)火提前后，轉(zhuǎn)速增加點(diǎn)火再提前 點(diǎn)火提前后，轉(zhuǎn)速下降點(diǎn)火推遲 點(diǎn)火推遲后，轉(zhuǎn)速增加點(diǎn)火再推遲 點(diǎn)火推遲后，轉(zhuǎn)速

27、下降點(diǎn)火提前 優(yōu)缺點(diǎn)：點(diǎn)火提前角能自動(dòng)跟蹤到最佳值；瞬態(tài)響應(yīng)有待改進(jìn)。,（八）燃燒的循環(huán)變動(dòng)（屬于正常燃燒范圍） 1、燃燒循環(huán)變動(dòng)現(xiàn)象 燃燒循環(huán)變動(dòng)是點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的一大特征。 定義：在發(fā)動(dòng)機(jī)以某一工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，本次循環(huán)和下一循環(huán)燃燒過程的進(jìn)行情況不斷變化。 具體表現(xiàn)：每一循環(huán)壓力曲線、火焰?zhèn)鞑ァ⒐β瘦敵龅染幌嗤?，如下圖。,加劇燃燒循環(huán)變動(dòng)的因素： 稀薄混合氣、低負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，循環(huán)變動(dòng)都會(huì)加劇。 燃燒循環(huán)變動(dòng)的后果： 1、轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)增加：因有些循環(huán)燃燒進(jìn)行得快，有些進(jìn)行得慢，因而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，使車輛驅(qū)動(dòng)性能惡化。 2、不能采用低辛烷值汽油和高壓縮比：因在燃燒快的循

28、環(huán)中，氣缸最高爆發(fā)壓力增加，使爆燃趨勢(shì)增加。而壓縮比和燃料辛烷值是根據(jù)最傾向于敲缸的要求確定的。 3、 HC排放及油耗大幅度上升：因在燃燒慢的循環(huán)中，可能在排氣門開啟時(shí)混合氣還未燃燒完，在稀薄混合氣燃燒或怠速工況時(shí)更易發(fā)生這種現(xiàn)象。 4、點(diǎn)火提前角不能都處在最佳值：因最佳點(diǎn)火提前角是根據(jù)平均循環(huán)確定的，氣缸壓力的循環(huán)變動(dòng)，因而會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的進(jìn)一步提高。 改善燃燒循環(huán)變動(dòng)的意義： 消除氣缸壓力的循環(huán)變動(dòng)，可以降低最高燃燒壓力，改善工作粗暴性和燃油經(jīng)濟(jì)性，降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染，意義很大。,2、燃燒循環(huán)變動(dòng)的表征參數(shù) 表征燃燒循環(huán)變動(dòng)的參數(shù)大體上可以分成三類： 1）與氣缸壓力有關(guān)的參數(shù)：最高氣

29、缸壓力pmax及相應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（ pmax）、最大壓力升高比dp/d )max及相應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（ max）、平均指示壓力pmi等。 2）與燃燒速率有關(guān)的參數(shù)：最大燃燒速率、火焰發(fā)展角 d、快速燃燒角 b。 3）與火焰前鋒位置有關(guān)的參數(shù)：火焰半徑、火焰前鋒面積、已燃和未燃容積隨時(shí)間的變化曲線、火焰到達(dá)某一指定位置所需的時(shí)間。 實(shí)用的度量參數(shù)-平均指示壓力變動(dòng)系數(shù)CoVimep(Coefficient of Variation），它是度量燃燒循環(huán)變動(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)。 （因壓力參數(shù)比較容易測(cè)量） 定義： （5-24）,式中，imep為平均指示壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差pmi；imep為平均指示壓力的平均值 。

30、CoVimep是評(píng)價(jià)燃燒穩(wěn)定性和車輛驅(qū)動(dòng)性的主要參數(shù)，通常不應(yīng)超過10%。 氣缸示功圖處理-平均示功圖 由于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的循環(huán)變動(dòng)，使每一循環(huán)的氣缸示功圖是不同的。 為了獲得有代表性的、可以用來進(jìn)行放熱率分析的平均示功圖，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)燃燒循環(huán)變動(dòng)小、燃燒過程重復(fù)性好的，可取40100個(gè)循環(huán)進(jìn)行平均（對(duì)每一曲軸轉(zhuǎn)角求壓力平均）；在燃燒循環(huán)變動(dòng)較大時(shí)，可取幾百個(gè)（例如254）循環(huán)的平均值。,3、產(chǎn)生燃燒循環(huán)變動(dòng)的原因 導(dǎo)致燃燒循環(huán)變動(dòng)的原因很多，以下兩個(gè)因素是最主要的： 1）燃燒過程中氣缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)狀況的循環(huán)變動(dòng) 在沒有強(qiáng)烈進(jìn)氣渦流的場(chǎng)合，壓縮終點(diǎn)附近氣缸內(nèi)氣流的湍流強(qiáng)度值可達(dá)到和活塞平均速度

31、相比較的數(shù)量級(jí)。但湍流強(qiáng)度是循環(huán)變動(dòng)的，使壓縮終點(diǎn)時(shí)火花塞附近和整個(gè)氣缸內(nèi)的氣流場(chǎng)也是循環(huán)變動(dòng)的。 火花點(diǎn)火后形成的火焰中心的軌跡、火焰初始生長速率，均隨氣流速度的大小和方向改變，使隨后的火焰的發(fā)展進(jìn)程，如火焰與壁面的關(guān)系、火焰前鋒面積的變化以及燃燒 速率等，也將受到氣流變化的影響。 右圖是火花塞附近旋渦分布示意圖。若 火花塞在旋渦中心a，火焰必須在無紊流下 傳播；若火花塞在旋渦邊界b點(diǎn)火，火焰依 靠旋渦剪切作用迅速傳播；若混合氣沿進(jìn)氣 渦流跡線ac通過火花塞，火焰很快傳到旋渦邊界，加速火焰?zhèn)鞑ァ?2）每循環(huán)氣缸內(nèi)的混合氣成分（特別是點(diǎn)火瞬時(shí)火花塞附近的）的循環(huán)變動(dòng)-由于空氣、燃料、EGR和殘

32、余廢氣之間混合情況的變動(dòng)而造成 因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，空氣、燃料、EGR和殘余廢氣不可能獲得充分的混合，在燃燒開始時(shí)氣缸內(nèi)必然存在混合氣組成上的不均勻，在火花塞電極間隙附近混合氣成分的循環(huán)變動(dòng)，會(huì)影響早期火焰的發(fā)展，特別是影響火焰從層流燃燒階段到形成穩(wěn)定火核的過程。 總之，氣流速度（平均參數(shù)和湍流參數(shù)）的變動(dòng)，空燃比的變動(dòng)以及空氣、燃料和廢氣混合情況的變動(dòng)，是造成燃燒循環(huán)變動(dòng)的主要原因。,4、降低燃燒循環(huán)變動(dòng)的措施 1）多點(diǎn)點(diǎn)火-減少火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，有利于減少壓力的循環(huán)變動(dòng)。 2）組織進(jìn)氣渦流-能增加燃燒速率，達(dá)到減少循環(huán)變動(dòng)的目的。 3）提高轉(zhuǎn)速-可在缸內(nèi)形成更強(qiáng)烈的湍流，也能減少循環(huán)變動(dòng)。

33、 4）采用化學(xué)計(jì)量空燃比-此時(shí)火焰溫度和傳播速度比較高，使壓力變動(dòng)最小。 5）采用多點(diǎn)燃油噴射技術(shù)-可改善循環(huán) 之間的混合氣濃度不均勻性，達(dá)到降低循環(huán) 變動(dòng)的目的。 6）采用快燃、速燃燃燒技術(shù)-可提高火 焰的傳播速率，有助于減小燃燒循環(huán)變動(dòng)。 7）改善點(diǎn)火系統(tǒng)性能-如加大點(diǎn)火能量 、優(yōu)化放電方式、采用大火花塞間隙，都有 助于減小循環(huán)變動(dòng)。 8）改善稀氣燃燒時(shí)的混合質(zhì)量（如圖 ）-因稀混合氣不容易混合均勻。,三、代用燃料（醇類燃料）的燃燒簡介 石油危機(jī)及其價(jià)格的上漲，引起了各國對(duì)新能源開發(fā)和代用燃燒研究的重視。 內(nèi)燃機(jī)代用燃料定義： 非石油原油煉制的內(nèi)燃機(jī)燃料，包括醇類燃料、煤制燃料、生物質(zhì)燃料

34、、天然氣、氫氣、煤層氣、生物質(zhì)氣等。 由于醇類燃料（甲醇、乙醇）可以從煤、天然氣和植物中提煉，加之它們是液體燃料，可以沿用傳統(tǒng)的石油燃料的運(yùn)輸、儲(chǔ)存系統(tǒng)，因而被認(rèn)為是內(nèi)燃機(jī)最有希望的新的代用燃料之一。 我國煤碳、天然氣資源豐富，醇類燃料的開發(fā)、應(yīng)用有利于發(fā)揮我國煤碳和天然氣的資源優(yōu)勢(shì)。,（一）醇類燃料的主要物理化學(xué)特性及使用特點(diǎn) 1、甲醇、乙醇的主要物理化學(xué)性質(zhì)（如下表）及使用 1）低熱值比汽油低：甲醇為汽油的46%，乙醇為汽油的62%；理論空氣量也小，甲醇為汽油的43%，乙醇為汽油的60%。 因此，在汽油機(jī)上燃燒甲醇、乙醇時(shí)，需要增大主量孔直徑或調(diào)整主量孔圈數(shù)，加大燃料供應(yīng)量。使混合氣熱量大

35、體與汽油混合氣的相等，使發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用醇類燃料時(shí)不會(huì)降低其動(dòng)力性能指標(biāo)。同時(shí)，要有合適的空燃比。,2）汽化潛熱比汽油大得多：甲醇為汽油的3.7倍，乙醇為汽油的2.9倍，使混合氣在汽化時(shí)的溫降差異較大（甲醇為汽油的7倍，乙醇為汽油的4.16倍）。 較大的混合氣溫降有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充量和動(dòng)力性；但不利于燃料蒸發(fā)（低溫下）、冷起動(dòng)（困難）、暖機(jī)（時(shí)間長）。 汽化潛熱大使進(jìn)入氣缸的混合氣溫度低，滯燃期長。應(yīng)用時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大點(diǎn)火提前角。 3）辛烷值高于汽油：在汽油機(jī)上使用時(shí)，可以提高壓縮比，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。 2、醇類燃料在汽油機(jī)中的溶解度和助溶劑 在汽油機(jī)上使用時(shí)，醇類燃料通常按一

36、定百分比例摻燒，即將汽油與一定比例的甲醇或乙醇混合起來成為一種混合燃料（15%甲醇+85%汽油稱為M25混合燃料，純甲醇稱為M100）。 甲醇是極性物質(zhì)，在與非極性物質(zhì)的石油碳?xì)浠衔飺交鞎r(shí)，只要有微量的水存在，就可能引起醇與汽油的相分離。為使甲醇-汽油混合燃料在常溫和低溫下保持單相，必須加少量的中、高炭醇、苯、丙酮等作為助溶劑。（帶來新的污染）,（二）醇類燃料的初步試驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)表明：混合燃料中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%以下時(shí)，仍能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。當(dāng)進(jìn)一步增加混合燃料中的甲醇含量時(shí)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)和暖機(jī)過程采取措施（如進(jìn)氣管加熱、安裝熱交換器，利用排氣對(duì)進(jìn)氣加熱等）。 解放汽車發(fā)動(dòng)機(jī)

37、CA-10B上的試驗(yàn)： 不改動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，燃用摻醇量小于20%的混合燃料，可在動(dòng)力性稍有改善的同時(shí)，降低能耗5%左右。 如將壓縮比由原來的6.8提高到了7.3，利用混合燃料的抗爆能力，則功率能提高5%7%，能耗率降低6%10%。 東風(fēng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)EQ6100上的試驗(yàn)： 結(jié)構(gòu)參數(shù)不調(diào)整的情況下，使用M15混合燃料在低速、低負(fù)荷工況時(shí)的動(dòng)力性比純汽油差外，在中速、中負(fù)荷以上時(shí)，動(dòng)力性比燃用純汽油高1%2%，能耗率降低3%左右。 若對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整（增大點(diǎn)火提前角、擴(kuò)大主量孔油孔圈數(shù)），燃用M15的功率比燃用純汽油的大1.3%，轉(zhuǎn)矩大3%，能耗率降低3.6%。,排放指標(biāo)方面：燃用混合燃料或純

38、甲醇時(shí)，NOx和CO均比燃用汽油時(shí)低，但未燃甲醇和甲醛的排放高于汽油機(jī)。 甲醇的缺點(diǎn)：對(duì)有色金屬、橡膠均有強(qiáng)烈的腐蝕作用，需要對(duì)燃油系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上和材料上采用措施。在排放指標(biāo)中，未燃甲醇、甲醛均是有毒氣體，需要對(duì)其凈化措施作深入研究。 應(yīng)用情況： 國外-如美國、德國已有混合燃料的加油站，出售醇類燃料與汽油的混合燃料，巴西已有乙醇汽車在運(yùn)行。 國內(nèi)-廣泛應(yīng)用還取決于能源形勢(shì)和政策、價(jià)格政策、市場(chǎng)策略等。在某些煤炭資源豐富及醇類資源豐富的地區(qū)和單位將會(huì)首先使用，目前，山西省已開始建立混合燃料M15的加油站。（乙醇汽油） （三）靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)-電控發(fā)動(dòng)機(jī) 有幾個(gè)不同燃料（如汽油和甲醇或乙醇）的油箱，可

39、以方便切換使用不同燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。在燃料油路中裝有醇傳感器，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)切換到醇燃料工作時(shí)，醇傳感器接受信號(hào)，通過控制單元存儲(chǔ)器內(nèi)預(yù)定特定曲線改變電控系統(tǒng)在該工況下的點(diǎn)火時(shí)間和循環(huán)噴油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得另一種燃料工作時(shí)的最佳性能。,四、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的不正常燃燒 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的不正常燃燒包括：爆震燃燒、表面點(diǎn)火、續(xù)走、部分燃燒或失火等，下面分別介紹。 （一）爆燃 所謂爆燃，是在某種條件下（如壓縮比過高），汽油機(jī)的燃燒會(huì)變得不正常，缸內(nèi)壓力曲線出現(xiàn)高頻、大振幅波動(dòng)。 如圖所示，上 止點(diǎn)附近的dp/dt值 急劇波動(dòng)， （dp/d )max = 65 MPa / CA 之高。此時(shí)火焰?zhèn)?播速度和火焰前鋒 形狀

40、發(fā)生急劇的改 變（可通過攝影觀 察到）。,汽油機(jī)爆燃時(shí)一般表現(xiàn)為以下外部特征： 1）發(fā)出金屬振音（敲缸）。 2）輕微爆燃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率略有增加； 3）強(qiáng)烈爆燃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，工作變得不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速下降，發(fā)動(dòng)機(jī)有較大振動(dòng)。 4）冷卻系統(tǒng)過熱（冷卻水、潤滑油溫度均上升）。 5）氣缸蓋溫度上升。,發(fā)生爆燃的原因：-終燃混合氣自燃的結(jié)果 終燃混合氣：就是處于最后燃燒位置上的混合氣。 當(dāng)電火花點(diǎn)燃混合氣以后，火焰以正常傳播速率向前推進(jìn)，使終燃混合氣進(jìn)一步受到壓縮和熱輻射，加速其先期物理化學(xué)反應(yīng)，并放出部分熱量，使本身溫度不斷升高，以致在正?；鹧嫖吹竭_(dá)前，終燃混合氣內(nèi)部最適宜著火部位已出現(xiàn)一個(gè)或數(shù)個(gè)火焰

41、中心，并以100300m/s（輕微爆燃）直到8001000m/s或更高的速率（強(qiáng)烈爆燃）傳播火焰，迅速將終燃混合氣燃燒完畢。 因此，汽油機(jī)的爆燃是終燃混合氣的自燃，它與柴油機(jī)的工作粗暴性（后面章節(jié)介紹）在燃燒本質(zhì)上是一致的，都是可燃混合氣的自燃結(jié)果，但兩者發(fā)生的時(shí)間和氣缸內(nèi)的狀況是有差異的。 柴油機(jī)工作粗暴性發(fā)生在急燃期始點(diǎn)，壓力升高比大，但氣缸內(nèi)壓力是均勻的； 汽油機(jī)爆燃是發(fā)生在急燃期的終點(diǎn)，氣缸內(nèi)有壓力波沖擊現(xiàn)象。 所以，對(duì)汽油機(jī)是優(yōu)良的燃料，對(duì)柴油機(jī)就是最差的燃料，反之亦然。,因此，爆燃的發(fā)生與以下條件有關(guān)： 1）終燃混合氣的溫度-壓力-時(shí)間歷程。 2）終燃混合氣的溫度即使達(dá)到自燃溫度以

42、上，也不能立即著火。在滯燃期間，在火花塞處發(fā)生的火焰如通過了終燃混合氣，就不會(huì)引起爆燃。因此，如火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，或是火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短，即使是著火溫度低的燃料也來不及發(fā)生自燃。 3）在終燃混合氣中，從壓縮行程就產(chǎn)生緩慢的氧化反應(yīng)，由此可產(chǎn)生熱量，焰前反應(yīng)的多少和程度對(duì)自燃產(chǎn)生影響，這一點(diǎn)主要與燃料化學(xué)成分和組成有關(guān)。 最易爆燃的地方：燃燒室中離開正常燃燒最遠(yuǎn)處、高溫處（如排氣門和積碳處）。 爆燃發(fā)生前，正常燃燒的混合氣數(shù)量越少，爆燃就在更大的容積中進(jìn)行，爆燃也就越強(qiáng)烈。試驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)總充量中只要有大于5%的部分進(jìn)行自燃時(shí)，就足以引起劇烈爆燃。,強(qiáng)烈爆燃將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的不利影響： （1）輸出功

43、率、熱效率降低 爆燃接近等容燃燒，本是人們所希望的，事實(shí)上，當(dāng)輕微爆燃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與熱效率可以有所提高。 輕微爆燃時(shí)，壓力脈沖值較小，通常測(cè)量不出來，這時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俾始s為150300m/s，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常燃燒時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俾省?強(qiáng)烈爆燃時(shí)，爆燃處產(chǎn)生了局部壓力和溫度突升，缸內(nèi)壓力來不及平衡，即化學(xué)反應(yīng)速率大于氣體膨脹速率，在自燃區(qū)形成一個(gè)壓力脈沖，并以極高的速度（8001000m/s）向四周傳播，這個(gè)壓力脈沖在氣缸壁面、活塞頂面與氣缸蓋底面多次反射，產(chǎn)生高頻（約為5000Hz或更高）振音。 強(qiáng)烈爆燃時(shí)，由于壓力波沖擊與破壞氣缸壁面的層流邊界層，使氣缸壁面熱傳量大大增加，冷卻損失增加，輸出功

44、率降低。此外，燃燒室內(nèi)部高溫引起燃燒產(chǎn)物加速離解成CO、H2等，嚴(yán)重時(shí)也析出碳粒，因而熱效率下降。,（2）氣缸過熱 發(fā)生爆燃時(shí)，破壞附面層，氣缸蓋、活塞頂面的溫度上升，排氣溫度下降。爆燃時(shí)，燃燒室局部過熱會(huì)產(chǎn)生表面點(diǎn)火，即在火焰到達(dá)以前，混合氣因熾熱表面而著火，從而引起氣缸進(jìn)一步加熱，最終導(dǎo)致輕合金的氣缸蓋、活塞發(fā)生局部金屬變軟、熔化或燒損，這種過熱是爆燃帶來的最大危害。 此外，由于燃?xì)庀蚶鋮s水的傳熱量增加，排氣溫度下降。 （3）零件的應(yīng)力增加 爆燃時(shí)，由于壓力增長率和最高壓力都增加，故在有關(guān)零件上的作用力也增加，這往往使連桿大頭的軸承合金產(chǎn)生裂紋。 此外，爆燃促使積碳形成，容易破壞活塞環(huán)、氣

45、門和火花塞的正常工作；壓力波沖擊缸壁表面，使之不易形成油膜，會(huì)導(dǎo)致機(jī)件加速磨損。,因此，爆燃已經(jīng)成為限制火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高和經(jīng)濟(jì)性改善的一個(gè)重要因素。 如果沒有爆燃，汽油機(jī)就可以方便地應(yīng)用高壓縮比或渦輪增壓的方法來提高功率和改善經(jīng)濟(jì)性。 長期以來，改進(jìn)汽油煉制方法，在汽油中加入辛烷值高的含氧化合物以增加其抗爆性能，不斷改進(jìn)燃燒系統(tǒng)和進(jìn)氣系統(tǒng)以減少爆燃傾向，采用電控汽油噴射、汽油機(jī)缸內(nèi)直接噴射等，已成為提高汽油機(jī)性能的一個(gè)重要方面。 爆燃是燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中的自燃現(xiàn)象，它不僅受到燃料本身的影響，而且隨發(fā)動(dòng)機(jī)型式和運(yùn)轉(zhuǎn)條件的不同而改變。燃料的抗爆性高，壓縮比也能取得大一些，對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能有利。下

46、面分別介紹。 （二）燃料抗爆性能的評(píng)定 燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆燃的抵抗能力稱為燃料的抗爆性能。通常用辛烷值來表示。,1、研究法辛烷值（RON）和馬達(dá)法辛烷值（MON） 研究法辛烷值和馬達(dá)法辛烷值是評(píng)定汽油抗爆性能的兩種方法。我國通常用馬達(dá)法測(cè)定（SYB2106-59）。 評(píng)定條件：在專門設(shè)計(jì)的可變壓縮比單缸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行； 研究法試驗(yàn)工況：轉(zhuǎn)速600r/min，進(jìn)氣溫度51.7， 冷卻水溫度100，點(diǎn)火提前角上止點(diǎn)前13（CA），試驗(yàn)時(shí)調(diào)整到發(fā)生強(qiáng)烈爆燃。 馬達(dá)法試驗(yàn)工況：轉(zhuǎn)速900r/min，混合氣溫度149，冷卻水溫度100，點(diǎn)火提前角上止點(diǎn)前14-26（CA），試驗(yàn)時(shí)調(diào)整到中等爆燃。 兩種方法

47、試驗(yàn)步驟： 先用待測(cè)定燃料工作，不斷增加壓縮比，直到爆燃儀上指示出標(biāo)準(zhǔn)爆燃強(qiáng)度為止； 然后保持壓縮比不變，換用標(biāo)準(zhǔn)燃料（x異辛烷與（100-x）的正庚烷混合液）進(jìn)行工作。 若能使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生和被測(cè)燃料同等強(qiáng)度的爆燃，則稱被測(cè)燃料的辛烷值為x。,其中，標(biāo)準(zhǔn)燃料是抗爆性很高的2，2，4三甲基戊烷（又名異辛烷C8H18）和抗爆性很低的正庚烷C7H16以不同的容積比混合而成。 因馬達(dá)法試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)定得比研究法高（混合氣溫度高、中等爆燃強(qiáng)度），因此所求出的辛烷值比較低，兩者的差值稱為燃料的靈敏度，用以反映燃料抗爆性能隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況改變（轉(zhuǎn)速提高、點(diǎn)火提前、進(jìn)氣溫度提高等）而降低的情況。 即燃料靈

48、敏度=RON-MON 燃料靈敏度數(shù)值越大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況改變?cè)矫舾小?目前國際上廣泛采用研究法辛烷值和馬達(dá)法辛烷值的平均值即燃料抗爆指數(shù)來表示燃料的抗爆性能 抗爆指數(shù)=（RON+MON）/2 各類烴的抗爆性：直鏈烷烴最低（數(shù)值?。枷銦N的抗爆性最高。 各類烴的燃料靈敏度：直鏈烷烴最低（對(duì)工況變化不敏感），芳香烴最高。 各類汽油：直餾法MON為5868，熱裂法為6370，催化裂化法為7880。,2、道路辛烷值 研究法辛烷值和馬達(dá)法辛烷值都是在單缸試驗(yàn)機(jī)和特定的條件下測(cè)定的，并不能完全代表發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用中的燃料抗爆性能。 因此，評(píng)定燃料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)使用時(shí)的抗爆性能時(shí)發(fā)展了一種“道路辛烷值”，它是在

49、實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上標(biāo)定的。其方法如下： 試驗(yàn)條件：節(jié)氣門全開（或部分開啟）、汽車在水平道路上加速行使、發(fā)動(dòng)機(jī)裝有手控點(diǎn)火提前角裝置和指示記錄裝置。 爆燃強(qiáng)度判斷：由有經(jīng)驗(yàn)的試驗(yàn)人員憑聽覺判斷。 試驗(yàn)步驟：首先用標(biāo)準(zhǔn)燃料進(jìn)行，汽車分段加速，連續(xù)調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角，求出爆燃點(diǎn)。這樣，可 以得到不同標(biāo)準(zhǔn)（辛烷值）燃料的 爆燃邊界線，如右圖（橫軸為轉(zhuǎn)速）。 然后，換用試驗(yàn)燃料按同一方 法進(jìn)行，如圖中燃料A與燃料B。圖 中，也繪出帶有標(biāo)準(zhǔn)分電器（離心 提前）和最大功率的提前角曲線。,發(fā)動(dòng)機(jī)要求的辛烷值： 利用上述圖線，用插值的方法 可以得到燃料A和燃料B以及帶有標(biāo) 準(zhǔn)分電器和最大功率提前角曲線所 要求的道路辛烷值

50、讀數(shù)，如右圖所示。 燃料的道路辛烷值與標(biāo)準(zhǔn)燃料 的辛烷值是在同一點(diǎn)火提前角、同 一轉(zhuǎn)速、同一節(jié)氣門開度下，具有 同一爆燃強(qiáng)度條件下求出的，所以 ，是一種比較客觀的評(píng)價(jià)方法。 從圖中可以看出： 若按最佳功率點(diǎn)火提前角調(diào)整，低速時(shí)，要求很高的辛烷值，必須提高對(duì)燃料辛烷值的要求，此時(shí)，使用燃料A才能工作。 實(shí)用中，采用標(biāo)準(zhǔn)分電器（離心提前）的方法，低速時(shí)推遲點(diǎn)火提前角（功率有所損失，起動(dòng)性改善），可以降低對(duì)燃料辛烷值的要求，此時(shí)，采用燃料B就可以正常工作。,3、抗爆添加劑 為了提高汽油的辛烷值，常常在燃料中加入少量的抗爆添加劑，具體方法有： 1）在汽油中加入四乙鉛，無色透明液體。但是由于鉛有毒和易使

51、三效催化轉(zhuǎn)換器中毒，所以我國從2000年開始停止使用有鉛汽油。 2）在汽油中摻混一定量的甲醇、乙醇燃料，辛烷值高的醇類燃料可提高汽油的辛烷值。 3）在汽油中摻混一定比例的醚類燃料，如甲基叔丁基醚（MTBE）或乙基叔丁基醚（ETBE），增加燃料的辛烷值。 4、抗爆性能的其它表示方法（發(fā)生爆燃時(shí)的參數(shù)，稱之。） 極限壓縮比法-發(fā)生爆燃時(shí)的壓縮比。 極限進(jìn)氣管壓力法-發(fā)生爆燃時(shí)的進(jìn)氣壓力。 極限平均指示壓力法-改變進(jìn)氣壓力，發(fā)生爆燃時(shí)的平均指示壓力。 極限點(diǎn)火提前角法-如前面所敘。,（三）發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)因素與主要結(jié)構(gòu)因素對(duì)爆燃的影響 因?yàn)榛鸹ǚ烹娨院螅鹧婢烷_始傳播；同時(shí)終燃混合氣進(jìn)行焰前反應(yīng)，為著火作

52、準(zhǔn)備。所以，可以假設(shè)： 從火焰中心形成至正常火焰?zhèn)鞑サ浇K燃混合氣為止所需的時(shí)間為t1； 從火焰中心形成至終燃混合氣自燃所需的時(shí)間為t2； 當(dāng)t1t2時(shí)，就不發(fā)生爆燃； 當(dāng)t1t2時(shí)，則發(fā)生爆燃。 因此，凡是t1減小、t2增加的因素均可減少爆燃傾向；反之，均使爆燃傾向增加。 1、運(yùn)轉(zhuǎn)因素的影響 （1）點(diǎn)火提前角的影響 右圖給出了不點(diǎn)火提前角時(shí) 的p- 圖?？梢钥闯觯弘S著點(diǎn)火 提前角的增加，壓力曲線前移， 并可得出如下結(jié)論：,1）隨點(diǎn)火提前角的增加，示功圖上偏離壓縮線（大致相當(dāng)于火焰中心形成）到最大燃燒壓力出現(xiàn)（大致相當(dāng)于火焰?zhèn)鞑サ秸麄€(gè)燃燒室）的時(shí)間t1減小。 2）隨點(diǎn)火提前角的增加，pz增加，終

53、燃混合氣受到的擠 壓作用大，溫度增加，t2減小。 試驗(yàn)表明，在實(shí)用點(diǎn)火提前角范圍內(nèi)，t2減小起決定性作用，因此隨點(diǎn)火提前角增加，爆燃傾向加大。 因汽油機(jī)爆燃在低速（ t1 相對(duì)增加）、節(jié)氣門全開（混合氣數(shù)量最大）時(shí)最易發(fā)生，因此發(fā)動(dòng)機(jī)許用壓縮比的最大值就受到低速、節(jié)氣門全開工況的限制。 可以用推遲點(diǎn)火提前角的辦法來保持較高的壓縮比，這樣雖然對(duì)節(jié)氣門全開時(shí)的功率和經(jīng)濟(jì)性有所損失，但對(duì)經(jīng)常工作的節(jié)氣門部分開啟工況，卻帶來較高壓縮比c和較低燃料消耗率be的好處。 此外，點(diǎn)火提前角推遲后，發(fā)動(dòng)機(jī)要求的辛烷值很快下降（見前面道路辛烷值圖線），而功率損失也不大。,（2）轉(zhuǎn)速的影響 轉(zhuǎn)速對(duì)爆燃的影響比較復(fù)雜

54、，具體表現(xiàn)為： 轉(zhuǎn)速增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣撸瑃1減??；轉(zhuǎn)速增加，吸氣損失增加，吸入空氣溫度增加，使t2減??；轉(zhuǎn)速增加，c下降，pz下降，終燃混合氣溫度也較低，使t2增加。綜合結(jié)果 為轉(zhuǎn)速增加時(shí)，爆燃傾向減小。 （3）負(fù)荷的影響 轉(zhuǎn)速一定、節(jié)氣門關(guān)?。簇?fù)荷減?。r(shí)，殘余廢氣系數(shù)增大，氣缸壁相對(duì)傳熱損失增加，循環(huán)最高壓力下降，t2增加，爆燃傾向減小。 （4）混合氣濃度的影響 過量空氣系數(shù)a值的改變將引起火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰與氣缸壁的溫度、以及終燃混合氣滯燃期的改變。 a=0.80.9時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸罡撸?t1最小，但此時(shí)終燃混合氣的滯燃期t2也最小。試驗(yàn)表明，后者起主要作用，因而在a=0.80.

55、9時(shí)爆燃傾向最大，過濃或過稀的混合氣有助于減小爆燃。,（5）燃燒室沉積物的影響 發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中，燃燒室內(nèi)壁會(huì)產(chǎn)生一層沉積物，通常稱之為積碳。由于沉積物溫度較高，產(chǎn)生如下作用： 在進(jìn)氣、壓縮過程中不斷加熱混合氣； 沉積物是熱的不良導(dǎo)體，提高了終燃合氣溫度； 沉積物占有一定體積，提高了實(shí)際壓縮比； 綜合效果：沉積物存在使爆燃傾向增加。 2、結(jié)構(gòu)因素的影響 （1）氣缸直徑 氣缸直徑大，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長，使t1大，同時(shí)由于燃燒室冷卻面積與容積之比減小，使t2小，因而爆燃傾向增大。 （2）火花塞位置 火花塞位置影響火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，也影響終燃混合氣在氣缸內(nèi)所處部位上的變動(dòng)，從而影響終燃混合氣的溫度。例如，

56、火花塞靠近排氣門最不容易引起爆燃，但火花塞離進(jìn)門氣過遠(yuǎn)，火花塞間隙中的廢氣不易清除，常常影響發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)的工作穩(wěn)定性。,（3）氣缸蓋與活塞的材料 燃用同一辛烷值燃料時(shí)，采用導(dǎo)熱好的輕合金，用作活塞和氣缸蓋，可以提高壓縮比。 （4）燃燒室結(jié)構(gòu) 這是影響爆燃最主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。燃燒室形狀影響到火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x、湍流強(qiáng)度、向冷卻水的散熱量以及終燃混合氣的數(shù)量和溫度（下一節(jié)討論）。 一般可以使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短、湍流強(qiáng)度高、火焰?zhèn)鞑ニ俣雀叩娜紵医Y(jié)構(gòu)，都有助于減小爆燃傾向。,（四）防止爆燃的方法 基本原則： 1、使用抗爆性高的燃料；-抗爆性 2、提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?；縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x；-t1 3、降低終燃混合氣溫

57、度、壓力；縮短終燃混合氣在高溫中的時(shí)間等。-t2 前一項(xiàng)取決于燃料組成，后兩項(xiàng)取決于運(yùn)轉(zhuǎn)條件和燃燒室設(shè)計(jì)。 實(shí)際措施（針對(duì)燃燒室合理設(shè)計(jì)）： 1）推遲點(diǎn)火。 2）利用火花塞恰當(dāng)布置、燃燒室合理形狀等方法使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x最小-縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x。 3）終燃混合氣的冷卻，使離火花塞最遠(yuǎn)處的可燃混合氣冷卻得較好（如減小終燃混合氣部分的余隙高度）。 4）增加流動(dòng)，產(chǎn)生紊流，使火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?，且終燃混合氣的散熱也好。 5）加強(qiáng)燃燒室掃氣（如加大氣門重疊期），強(qiáng)化混合氣冷卻。,（五）表面點(diǎn)火 定義： 凡不依靠電火花點(diǎn)火，而由熾熱表面點(diǎn)燃混合氣引起的不正常燃燒現(xiàn)象，稱為表面點(diǎn)火或熾熱點(diǎn)火。 熾熱表面有：過熱的火花塞絕緣體、電極、排氣門，以及燃燒室表面熾熱的沉積物。 這種表面點(diǎn)火較多地發(fā)生在壓縮比9以上的強(qiáng)化汽油機(jī)中。 表面點(diǎn)火大致可分以下兩種-非爆燃性表面點(diǎn)火和爆燃性表面點(diǎn)火。 （1）正常（非爆燃性）表面點(diǎn)火-又分后火和早火 1）后火 特點(diǎn)：熾熱點(diǎn)溫度較低；在電火花正常點(diǎn)燃之后，即在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，熾熱點(diǎn)點(diǎn)燃其余混合氣；火焰前鋒仍以正常的速度傳播。 發(fā)動(dòng)機(jī)斷火后，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)仍像有電火花點(diǎn)火一樣繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，直到熾熱點(diǎn)溫度下降以后，發(fā)動(dòng)機(jī)才停轉(zhuǎn)。,一般后火對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作影響不大，如下圖所示。,