汽油机混合气形成与燃烧

本章要求：了解：汽油机有害排放物的生成机理与控制，汽油机燃烧室。理解：影响燃烧的因素和措施。掌握：汽油机混合气的形成，汽油机正常燃烧过程，爆燃和表面点火。第五章汽油机混合气形成与燃烧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-补燃期图5-1汽油机的燃烧过程第一节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（着火落后期）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。各种因素对滞燃期长短的影响：混合气浓度合适（=0.8~0.9最短）、火花塞跳火时缸内压力及温度高、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。2、明显燃烧期（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明显燃烧期。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。火焰传播速度一般50—80m/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。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。3、补燃期（后燃期）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，主要由火焰前锋面过后，后面未及燃烧的燃料（燃烧室边缘和缝隙）再燃烧，以及部分燃烧及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↓，Ne↓，ge↑，且排气温度↑，散热量↑。过长回造成发动机过热，排气管“放炮”。希望后燃期尽可能短，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）。第二节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:爆震燃烧和表面点火。一、爆震燃烧（二）原因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。由于缸内局部的高温、高压，造成下述后果。(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、Ne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、表面点火或热面点火定义：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↓。图5-4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%影响热面点火的因素及预防措施：凡是能使缸内的T、P降低的因素，都可预防热面点火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。第三节影响燃烧过程的因素一、燃油的影响1、汽油的抗爆性：汽油对发动机发生爆燃的抵抗能力，用辛烷值表示，辛烷值越高，抗爆性越好。填加各种添加剂，可提高汽油的辛烷值。2、汽油蒸发性表征汽油的汽化难易程度。蒸发性越强，与空气混合越均匀，混合气燃烧速度越快，易于完全燃烧；但过强，易产生气阻。1.点火提前角θθ过大，→发动机过热，功率↓。缸内最高温度、压力↑，爆燃倾向↑。图5-5点火提前角对示功图的影响二.使用因素的影响θ过小，由于燃烧开始时活塞已下行，燃烧容积较大，燃气与气缸接触面积大，导致:(1)损失一部分膨胀功。(2)燃烧在膨胀过程中进行，后燃量增大。→散热损失大，排气温度过高，发动机过热，功率下降。但缸内温度、压力的降低,使t2增大,爆燃倾向减小。最佳点火提前角：在一定的发动机负荷、转速下，对应最大的功率和最低的燃油消耗率的点火提前角。点火调整特性：在一定的发动机转速、一定的节气门开度下，Ne与ge随点火提前角的改变而变化的规律。a）节气门全开b）转速n=1600r/min2．混合气成份用过量空气系数α表示。1）α=0.85-0.95时，火焰传播速度u最大,用此混合气时，发动机的功率达最大，故称功率混合气。供给功率混合气时,爆燃倾向加大火焰传播界限：0.5α1.3。图5-7α对火焰传播速度的影响2）低负荷或怠速时→较浓的混合气残余废气多，会引起断火；燃烧速度慢，发动机易过热；高温未燃成分在排气管口与空气相遇而激烈氧化，排气管放炮。α=0.4~0.5为火焰传播上限。3）α=1.05-1.15时，为经济混合气燃烧最完全，热效率最高，油耗最低。但混合气过稀，燃烧缓慢，含氧高的高温废气能点燃进气管新鲜混合气→化油器回火。α=1.3~1.4为火焰传播下限。4)混合气成份调整特性:在汽油机转速，节气门开度一定，点火提前角最佳时,性能指标(功率Ne与燃油消耗率ge等)随混合气成份而变化的规律。3.发动机转速n图5-9涡流状况对火焰传播速度的影响a)无涡流b)有涡流n↑→最佳点火提前角↑（图5-6），所以发动机上装有离心式点火自动提前装置。n↑→t1↓→ηv↓→缸内r↑→末端混合气的焰前反应↓→t2↑→爆燃倾向↓。所以发动机在低速运转时最易发生爆燃。n↑→缸内混合气的涡流运动（紊流）↑,燃料与空气的混合得到改善；压缩过程的放热量↓→缸内压力、温度↑→火焰传播速度↑。4.发动机负荷负荷↑→缸内温度、压力↑→滞燃期↓→t1↓→末端混合气的焰前反应↑→t2↓→爆燃倾向↑。负荷↑→燃烧所占的曲轴转角↑→最佳点火提前角↓。（图5-6）所以发动机上装有真空式点火提前装置。5.其他因素进气温度↑、冷却水温度↑、燃烧室壁积碳、进气压力↑→爆燃倾向↑。总之，发动机在低速、大负荷时，最易发生爆燃。在使用中，调整点火提前角应在低速、大负荷工况下进行。三、结构因素的影响（一）压缩比1、ε↑时：缸内燃烧的最高温度、最高压力↑，ηi↑ge↓。但爆燃倾向↑，表面点火倾向↑。2、ε↑→Ne↑、ge↓，但受到爆燃的限制，要防止爆燃：a.改进燃烧室的设计；b.提高汽油的辛烷值。（二）燃烧室1.对燃烧室的要求：1)容积分布要合理。要有适宜的放热规律。放热规律:燃油燃烧时的放热率随曲轴转角而变化的规律。适宜的放热规律能够使燃油释放的热量充分利用,发动机工作柔和，运转平稳。燃烧初期压力升高率小，工作柔和；燃烧中期急剧放热，循环功大；燃烧后期补燃少，ηi↑图5-10燃烧室容积分布对燃过程的影响2)应具有良好的抗爆性。A.结构尽量紧凑•面容比小（烧室表面积与容积之比）•火焰传播距离短，爆燃↓•散热面积小，ηt↑•激冷区小，HC↓B.燃烧室内的混合气要有适当的涡流强度(进气涡流、挤气涡流)。•进气涡流：利