汽油机燃烧过程

汽油机燃烧过程1.燃烧过程的重要性燃料燃烧完全的程度，直接影响到热量产生的多少和排出的废气的成分，而燃烧时机又关系到热量的利用程度。所以燃烧过程是影响发动机的动力性、经济性和排气污染的主要过程，同时与噪声、振动、启动性能和使用寿命也有重大关系。2.对燃烧过程的要求1）燃烧完全，释放出尽可能多的热能，减少废气中的有害物质。2）燃烧及时，使放热集中在上止点附近，提高热功转换能力。3.燃烧过程的研究方法高速摄影法、示功图法1、火花塞跳火2、缸内压力线偏离纯压缩线的始点3、缸内最高压力点θ-点火提前角一、示功图上的关键点Ⅰ-滞燃期Ⅱ-显燃期Ⅲ-补燃期汽油机的燃烧过程【1】汽油机的正常燃烧汽油机的燃烧过程指从点火开始到燃料基本烧完为止的过程。二、燃烧过程的几个阶段1、滞燃期（着火延迟期）从火花塞开始跳火到火焰中心形成→滞燃期。是燃烧的准备阶段，主要进行热量的积累，缸内的压力线与纯压缩线基本重合。当反应的混合气的温度升高到一定程度后，形成发火区，即火焰中心。从火花塞跳火瞬时到活塞行至上止点时的曲轴转角，称为点火提前角，用表示。一般为20—35ºCA。①燃料本身的分子结构和物理化学性质。着火温度和热稳定性越低，着火延迟期越短。②混合气成分。混合过量空气系数=0.8~0.9着火延迟期最短。③火花塞跳火时缸内压力及温度高，着火延迟期缩短。④电火花强度大，着火延迟时间将减小。另外，与残余废气量、缸内混合气的运动等因素有关。1）特点：A.火花放电时两极电压达10～15KV，局部温度3000K，加快了混合气的氧化反应速度。B.此阶段缸内压力无明显升高。2）影响滞燃期时间长短的因素：2、速燃期*从火焰中心形成到示功图上的压力达到最高点为止称为速燃期。*在均质混合气中，当火焰中心出现后，与其临近的一薄层混合气首先燃烧即形成极薄的火焰层，称为火焰前锋。*火焰前锋向前推进的法向移动速度，称为火焰传播速度。*火焰传播速度：车用一般30—60m/s。*混合气约80—90%在此期间燃烧完毕，温度、压力迅速升高，最高压力在上止点后12℃A~15℃A（循环功最多）一般占20—30ºCA。缸内最高压力点与最高温度点重合。*急燃期越短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性越好。但可能导致压力升高率值过高，工作粗暴。正常燃烧*最高压力过早使压缩功增大，过迟散热损失增大；过大产生振动、噪音，过小使膨胀功减少。*压力升高率：即曲轴每转1度时，缸内气体压力的平均升高量：λP=△P/△θΔP=（P3-P2）Δθ=（θ3-θ2）*λP表征压力变化的急剧程度：λP过大，发动机振动和噪声大，工作粗暴；λP在１７５～２５０ＭＰa/℃A，汽油机工作柔和，性能好。点火提前角：从点火时刻起到活塞到达压缩上止点这段时间内，曲轴转过的角度称为点火提前角。混合可燃气体从点燃、燃烧到烧完有一个时间过程，最佳点火提前角的作用就是在各种不同工况下使气体膨胀趋势最大段处于活塞做功下降行程。这样效率最高，震动最小，温升最低。*点火过早，会造成爆震，活塞上行受阻，效率降低，热负荷、机械负荷、噪声和震动加剧，这是应该防止的。点火过迟，发动机无力，功效率低，油耗大，排气声大。不论点火过早或过迟，都会影响转速的提升。*最佳点火角受很多因素影响，如果要发动机工作在理想状态下，以下因素必须考虑：1)缸温缸压。越高燃烧越快，点火提前角要越小。影响缸温缸压的因素有：发动机压缩比、气温、缸温、负荷。大家的车在气温变化的季节有不同表现正缘于此。2)汽油辛烷值。也就是汽油牌号，越高抗爆震能力越强，相应允许更大的点火提前角。3)燃气混合比。过浓过稀燃烧速度皆慢，需增加点火提前角。这个主要看节气门开度、海拔高度。对于难以预料的情况，有些车还加装了爆震传感器，发生爆震时自动降低点火提前角。显然，要完成如此复杂的运算，靠传统的模拟点火器是难以胜任的。只有微电脑点火器，才能高速、精确、稳定地实现最佳点火提前角。3、补燃期*从最高压力点到燃烧结束为补燃期：指明显燃烧期以后在膨胀过程中的燃烧。*此阶段参加燃烧的燃料主要有：①火焰前锋面过后，后面未及燃烧的燃料（燃烧室边缘和缝隙）再燃烧。②贴附在缸壁未燃混合气层的部分燃烧。壁面温度低，对火焰具有熄火作用，这样在壁面存在大量未燃烴，在随后的膨胀中部分未燃烴继续燃烧。③高温分解的燃烧产物（H2、O2、CO）等重新氧化。在膨胀中远离上止点放热，热能不能充分利用，使ηi↓，Me↓，ge↑，且排气温度↑，散热量↑。过长会造成发动机过热，排气管“放炮”。希望补燃期尽可能短，后燃放热量尽可能少。总结：1.上述三个阶段中,火焰传播期速度对ηi起决定性的作用。要在工作柔和的条件下，尽可能地提高火焰传播速度。2．衡量发动机工作粗暴程度的指标—明显燃烧期内的平均压力升高率△P/△ψ，即曲轴每转1度时，缸内气体压力的平均升高量：ΔP/Δψ=（P3-P2)/(ψ3-ψ2）[kPa/0CA]一般使火焰中心形成点出现在TDC前12-150CA，缸内最高压力点出现在TDC后12-150CA。ΔP/Δψ=175~245kPa/0CA3．影响火焰传播速度的因素：混合气浓度、缸内气体的紊流强度、残余废气系数等。汽油机燃烧过程与柴油机燃烧过程的区别：1.属于预混合燃烧,具有定容燃烧的形式。燃烧持续期约为25~40℃A(柴油机约为50~70℃A)。2．压缩比小，一般为7~9，(柴油机约为12~22)。热效率低，排温高（膨胀不充分）。3．最高燃烧温度高（接近定容燃烧）。4．易燃烧不完全（过量空气系数小，防止爆燃燃烧室内的激冷区），CO、HC、NOx排放高。5．挥发损失大（汽油的挥发性好）。【2】汽油机的不正常燃烧(一)现象1.缸内出现尖锐的金属敲击声2.油膜破坏,机件磨损加剧；3.燃烧室、冷却系过热，排温增加；4.Ne下降、ge升高；5.排污增加，严重时排气冒黑烟；6.压力线出现爆震波。图5-3爆燃时的示功图常见的不正常燃烧:爆燃和表面点火。一、爆燃（二）原因*正常燃烧：有火焰前锋，且逐层向外传，直至燃烧完毕。*爆燃：在火焰前锋到达之前,末端混合气的温度、压力超过其临界温度、压力而自燃，形成新的火焰中心,火焰传播速度加大(高达800—1000m/s),使得缸内局部压力、温度急剧升高,压力来不及平衡,形成冲击波（激波）,冲击波反复撞击缸壁,（激波来回反射，在示功图上形成锯齿形）发出尖锐的敲缸声。*重载爬坡、急加速时易爆震，换低挡以提高发动机转速可消除爆震。（三）危害1、机件过载冲击负荷大，机件的机械负荷增加，使机件变形损坏。噪声增大。2、机件烧损汽油机燃烧终了的温度为2000~2500℃，由于冷却水和气体附面层的作用，活塞顶、燃烧室壁和缸壁的温度保持在200~300℃。爆燃冲击波破坏燃烧室内附面层和局部高温，使活塞头和气门等烧损，同时会引起发动机过热。3、润滑变差发动机过热，使润滑效果变差，使磨损加剧。4、积碳增多高温裂解产生的碳粒形成积炭，5、Me下降、ge上升另外，高温裂解使燃烧产物分解为CO、H2、O2、NO及游离碳增多，排气冒烟严重。CO、H2、O2等膨胀过程中重新燃烧，使排温增高。（四）影响爆燃的因素有燃料因素、使用因素、结构因素等。为便于分析，假定：t1-从火焰中心形成起到火焰前锋传到末端混合气为止的时间。t2-从火焰中心形成起到末端混合气自行着火的时间。所以：当t1t2不爆燃，当t1t2，爆燃。1、燃料因素汽油机的压缩比，应适应汽油辛烷值的要求。2、使用因素发动机转速增加，进气速度加快，压缩终了气体的紊流度提高，火焰传播速度加快，爆燃程度减弱；气缸残余废气多，会使混合气自燃温度提高，着火延迟期加长，可减弱爆燃；过量空气系数在0.85~0.95时，自燃温度低，着火延迟期短，爆燃最严重；BTDC大，易爆燃；缸内积碳使热阻加大，壁面温度升高，实际压缩比增加，爆燃加重。—影响混合气的温度和压力3、结构因素燃烧室结构能使压缩终了气体紊流速度提高，火焰传播速度加快，能避免爆燃；火花塞的位置和数目使火焰行程缩短，可减少爆燃；使末端气体接触的燃烧室壁强冷却，可减少爆燃；采用小直径的气缸，不易爆燃。（五）减轻爆燃的措施①降低水温和进气温度②降低末温③降低压缩比④推迟点火⑤增多残余废气二、表面点火定义：在火花点火式汽油机中，凡是不依靠火花塞点火，而是由燃烧室内炽热表面（如过热的火花塞电极、排气门、积碳）点燃混合气的现象。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点火爆燃性表面点火1、非爆燃性表面点火-火焰以正常速度传播1）后燃点火后，在火焰传播过程中，炽热表面在火焰到达前点燃混合气，其火焰以正常速度向未燃气体推进。断火后发动机续转就是这种现象。2）早燃炽热表面温度较高，在点火前，点燃混合气。由于点燃区域较大，火焰传播速度快，P和λP较大，发动机易过热。⑴早燃的危害压缩负功↑，缸内温度↑，与缸壁接触面积↑,→散热量↑,有效功率↓。另外高温、高压加重了活塞连杆组的机械负荷、热负荷,使用寿命↓。早燃时的示功图⑵与爆燃的区别①沉闷的“敲缸声”。②被炽热表面点燃，无压力波产生，而爆燃时为自燃，有压力波产生。另外:爆燃早燃缸内炽热表面产生缸内温度、压力升高非爆燃性表面点火大体是发动机长时间高负荷运转引起的。2、爆燃性表面点火（激爆）热面点火后火焰以爆燃速度传播。由燃烧室沉积物引起的发动机低速、低负荷运转时，燃烧室表面极易形成导热性很差的沉积物。沉积物被高温火焰包围，急剧氧化而白炽化，将混合气点燃。压力升高率高5倍，最高压力高150%*影响表面点火的因素及预防措施：凡是能使缸内的温度、压力降低的因素，都可预防表面点火。①选用低沸点汽油和含胶质少的机油。②在燃料中加抑制热面点火的添加剂。③适当降低压缩比。④选用合格的火花塞、排气门。小结：爆燃表面点火末端混合气自燃炽热表面点燃火花塞跳火之后火花塞跳火之前、后有压力冲击波无压力冲击波敲击声较清脆敲击声较沉闷二者又相互联系，相互促进。可燃混合气成分与汽油机性能的关系一、概念1.空燃比：可燃混合气中，空气与燃料的质量比。理论空燃比：空燃比为14.7:1的可燃混合气称之。过量空气系数α：α=2.混合气的分类1）标准混合气α=12）稀混合气α13）浓混合气α13.混合气的浓度对发动机性能的影响混合气种类α发动机功率耗油率性能火焰传播上限0.4混合气不燃烧发动机不工作过浓0.4～0.87减小剧增燃烧室积碳，排气管冒黑烟、放炮功率混合气0.88最大增大10～15%输出最大功率标准混合气1.0减小2%增大4%经济混合气1.11减小8%最小过稀1.13～1.33显著减小显著增大回火，发动机过热，加速性变坏火焰传播下限（即火焰不传播）1.4混合气不燃烧，发动机不工作