第十章-发动机燃烧过程

第十章发动机燃烧过程——概述10.1概述发动机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程。燃烧过程的基本要求是：（1）燃烧完全。充分利用燃油的化学能；尽量减少有害污染物排放。（2）时机恰当。在上止点后的10°~20°CA达到最大燃烧压力。（3）稳定正常。保证发动机稳定、可靠地工作。多数汽油机的燃烧过程为：利用喷嘴或化油器，在进气管内使空气和燃油混合，再进入气缸，到压缩行程接近终了时，以电火花点燃并燃烧。多数柴油机的燃烧过程为：在接近压缩终了由喷油器将燃油喷入气缸中，然后与空气混合，通过压缩升温使其自燃。10.2汽油机的燃烧过程1.汽油机的燃烧分为正常与不正常燃烧两种当汽油机的燃烧不能按正常燃烧的要求，燃烧不稳定、最高燃烧压力出现过早，则出现不正常燃烧。汽油机的不正常燃烧主要是爆震和表面点火。2．正常燃烧过程的定义唯一地由火花定时点火开始，火焰前锋以正常速度传播到整个燃烧室。3．汽油机的不正常燃烧当汽油机的燃烧不能按正常燃烧的要求，即并非由火花定时点火开始，或者火焰前锋速度过快；或者不是火焰前锋传播到整个燃烧室，则出现不正常燃烧。10.2.1．正常燃烧过程以展开示功图研究燃烧过程。压缩线无燃烧膨胀线火花塞点火着火最高压力10.2.1．正常燃烧过程以展开示功图研究燃烧过程。展开示功图的气缸压力线上，在1点，火花塞跳火，经过短暂的着火延迟，到2点出现火焰中心和明显燃烧，随之，在3点出现最高燃烧压力。燃烧过程分为三个阶段：着火延迟期即Ⅰ阶段。明显燃烧期即Ⅱ阶段。后燃期即Ⅲ阶段。10.2.1．正常燃烧过程着火延迟期明显燃烧期后燃期10.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价A、特点：火花放电的电压高，局部温度可达3000K，混合气氧化反应速度逐渐加快；缸内压力无明显升高。B、评价指标着火延迟期长度Dj12=j2-j1着火延迟期（1）着火延迟期10.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价着火延迟期（1）着火延迟期混合气成分混合气过量空气系数a为0.8~0.9时，着火延迟期最短。点火时的缸内气体状态气体温度和压力越高，着火延迟期越短。C、影响因素：10.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价着火延迟期（1）着火延迟期C、影响因素：缸内气体流动紊流运动强，加快混合气氧化速度，着火延迟期缩短。火花能量火花能量大，着火延迟期缩短。残余废气量残余废气多，着火延迟期变长。10.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价（1）着火延迟期点火提前角为克服着火延迟期，点火需要提前。从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角称为点火提前角，表示点火时刻。10.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价（2）明显燃烧期明显燃烧期A、特点：燃烧速度快，缸内压力急剧升高。B、评价指标最高燃烧压力（最高爆发压力）pZ以及出现时刻j3。希望j3在上止点后15°曲轴转角之内。平均压力升高率232jjjDDpppz10.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价（2）明显燃烧期明显燃烧期C、燃烧过程燃烧过程为火焰传播。在均质混合气中，当火焰中心形成之后，火焰向四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前锋，从火焰中心开始层层向四周未燃混合气传播，直到连续不断的火焰前锋扫过整个燃烧室。10.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价（2）明显燃烧期火焰传播速度：火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度。汽油机火焰传播速度可达50~80m/s。10.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价（3）后燃期后燃期特点：燃烧速度慢，燃烧放热因活塞下行不能利用，反而使排气温度升高。后燃虽不能绝对消除，但通过完善燃烧过程，可尽量减少。10.2.2．燃烧速度衡量汽油机燃烧过程完善程度的指标主要是最高燃烧压力pZ及其出现时刻j3、平均压力升高率、排气温度和排放性能(反映燃料完全燃烧程度)等指标。从发动机的动力性和经济性角度，主要是最高燃烧压力、最高燃烧压力出现时刻和平均压力升高率，这些指标与燃烧速度有关。燃烧速度是指单位时间燃烧的混合气量，可以表达为TTTAUdtdm10.2.2．燃烧速度TTTAUdtdm式中T未燃混合气密度；UT火焰传播速度，AT火焰前锋面积。控制燃烧速度就能控制明显燃烧期的长短及其相对曲轴转角的位置，即控制最高燃烧压力、最高燃烧压力出现时刻和平均压力升高率。10.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素火焰传播速度是决定明显燃烧期长短的主要因素。现代汽油机的UT可高达50~80m/s。影响UT的主要因素是：燃烧室中气体的紊流运动混合气成分混合气初始温度。1.火焰传播速度UT10.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素1.火焰传播速度UT（1）紊流运动紊流强烈紊流较弱紊流运动使火焰前锋燃烧区加厚，火焰传播速度加快。10.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素1.火焰传播速度UTa=0.85~0.95时，火焰传播速度最大，燃烧速度最快，发动机功率最大，这种混合气称为功率混合气。a=1.03~1.1时，火焰传播速度较大，氧气充足故燃烧完全，发动机经济性最好，这种混合气称为经济混合气。（2）混合气成分10.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素1.火焰传播速度UT（2）混合气成分燃烧界限a＞1.3~1.4，混合气过稀，火焰不能传播，为火焰传播下限；a＜0.4~0.5，混合气过浓，火焰也不能传播，为火焰传播上限。汽油机a=0.6~1.2，即空燃比A/F=9~18。10.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素1.火焰传播速度UT混合气初始温度高，火焰传播速度增加。发动机压缩比大，混合气初始温度高；大气温度高则混合气初始温度也高。其他引起进气终了温度提高的因素也导致混合气初始温度上升，但会造成充气效率下降。（3）混合气初始温度10.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素火焰前锋面积与火花塞位置、燃烧室结构及活塞位置有关。利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合，可以改变不同时刻火焰前锋扫过的面积，以调整燃烧速度。它直接影响燃烧速度的变化、明显燃烧期相对应的曲轴转角位置以及压力升高率。2.火焰前锋面积AT10.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素3.可燃混合气密度T增大未燃混合气密度，可以提高燃烧速度。因此增大压缩比、提高进气压力、采用增压技术等，均可加大燃烧速度。小结燃烧速度影响因素10.2.3汽油机的不正常燃烧A、爆震的外部特征气缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦称为敲缸。严重时会产生冷却水过热。功率下降，油耗上升。排放污染增加（主要是排气冒黑烟）。1、爆震（爆燃）10.2.3汽油机的不正常燃烧B、爆震产生的原因远端混合气在火焰前锋尚未到达，受已燃气体的高温辐射和压缩作用，未燃混合气的温度达到其自燃温度而着火燃烧（多点燃烧）。这种燃烧的速度极快，几乎是爆炸。1、爆震（爆燃）10.2.3汽油机的不正常燃烧C、爆震与正常燃烧的区别1、爆震（爆燃）正常燃烧：有明显的单一火焰前锋，逐层向外传播，速度正常，直至燃烧完毕。爆震：无明显的火焰前锋或多个火焰前锋，几乎无传播过程，燃烧速度极快。10.2.3汽油机的不正常燃烧C、爆震与正常燃烧的区别1、爆震（爆燃）正常燃烧火焰传播速度为50~80m/s，无压力波，压力升高率在200~400kPa/(ºCA)的范围内。爆震火焰传播速度：轻微爆震的火焰传播速度约为100~300m/s，强烈爆震时可高达800~1000m/s。未燃混合气瞬时燃烧完毕，局部压力、温度很高，压力升高率特大，形成强烈的压力冲击波。冲击波反复撞击燃烧室壁，发出尖锐的敲缸声。10.2.3汽油机的不正常燃烧D、爆震的危害1、爆震（爆燃）机件过载强烈爆震的冲击波能使缸壁、缸盖、活塞、连杆、曲轴等机件的机械负荷增加，使机件变形甚至损坏。性能恶化严重爆震时，气体向缸壁的传热量增加，热效率下降，功率降低，耗油率增加。爆震容易形成积碳，破坏发动机零件的正常工作，使发动机可靠性下降。发动机磨损加剧润滑效果变差，零件磨损加剧。严重爆震的磨损比正常燃烧时大27倍。10.2.3汽油机的不正常燃烧D、爆震的危害1、爆震（爆震）机件烧损汽油机最高燃烧温度可达到2000~2500℃,而活塞顶、燃烧室壁及缸壁的温度仅为200~300℃，除了冷却的作用外，还由于在这些壁面上形成了气体的附面层，起到隔热的作用，所以能够维持如此低温度。强烈爆震的冲击波会破坏这一附面层，使机件直接与高温燃气接触。严重爆震的局部燃气温度可高达4000℃以上，会使活塞头部和气门等机件烧损。同时热量传给冷却水引起发动机过热。10.2.3汽油机的不正常燃烧D、爆震的危害1、爆震（爆震）排气温度高，冒黑烟汽油机爆震时局部高温引起热分解现象严重，使燃烧产物分解为HC、CO、H2、O2、NO及游离碳，排气冒烟严重。HC、H2和CO等在膨胀过程中重新燃烧，使后燃增加，排气温度增高。10.2.3汽油机的不正常燃烧凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面（如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的现象，统称表面点火。表面点火的特征在于点火时刻不可控制。压缩比较高（e＞9）的汽油机容易出现表面点火。2、表面点火10.2.3汽油机的不正常燃烧A、表面点火类型2、表面点火后火在火花塞不跳火时，混合气仍能着火，并且形成的火焰前锋仍以正常火焰传播速度向未燃气体推进，这种表面点火称为后火。这种现象在发动机断火后出现。发动机仍像有电火花一样，继续运转，直到炽热点温度下降到不能点燃混合气为止，发动机才停转。10.2.3汽油机的不正常燃烧A、表面点火类型2、表面点火早燃在火花塞点火之前，炽热表面就点燃混合气的表面点火称为早燃。由于早燃提前点火而且热点表面比火花大，燃烧速率快，气缸压力温度增高快，发动机工作粗暴；压缩功增大，缸壁传热增加，功率下降，发动机过热。早燃会诱发爆震，爆震又会让更多的炽热表面温度升高，促使更剧烈的表面点火，两者互相促进，危害可能更大。10.2.3汽油机的不正常燃烧B、表面点火与爆震的区别2、表面点火（1）爆震出现在火花塞跳火后，是末端混合气的自燃；表面点火出现在火花塞跳火前，不依赖火花塞跳火，是炽热物点燃混合气。（2）爆震时有强烈的压力冲击波，有尖锐的金属敲击声；表面点火没有压力冲击波，敲缸声比较沉闷。10.2.3汽油机的不正常燃烧B、表面点火与爆震的区别2、表面点火（3）爆震可以通过推迟点火提前角消除，表面点火则不能。C、影响表面点火的因素凡是能降低燃烧室温度和压力升高率、减少积碳等炽热点形成的因素都有助于防止表面点火。10.2.4燃烧过程的影响因素内因方面1、汽油的品质汽油的蒸发性与抗爆性直接影响燃烧过程。2、混合气成分功率混合气的燃烧速度快，最高燃烧压力和温度、压力升高率都达最大值，但爆震倾向也最大。经济混合气的空气富裕，可以燃烧完全，油耗低，但有害物NOX排放多。浓混合气必然产生不完全燃烧，所以CO和HC排放量大。混合气过浓或过稀则火焰传播速度缓慢，燃料不能完全燃烧，因而经济性差，发动机工作不稳定。10.2.4燃烧过程的影响因素外因方面3、燃烧室结构型式汽油机燃烧室结构型式是燃烧过程最重要的外部条件。4、点火提前角点火提前角过大，则在压缩过程中燃烧的混合气增多，活塞上行的压缩功增加，发动机容易过热，有效功率下降，工作粗暴程度增加。同时，爆震倾向加大。点火提前角过小，则后燃严重，最高燃烧压力和温度下降，传热损失增多，排气温度升高，功率下降，耗油量增多。10.2.4燃烧过程的影响因素外因方面5、冷却水温度冷却水温度应控制在合适范围内。水温过高、过低均影响混合气的燃烧和发动机的正常使用。水温过高，燃烧室壁面温度高，爆震及表面点火倾向增加。混合气温度升高，气缸充量减少，发动机动力性、经济性下降。因此，存在一个最佳点火提前角。发动机在最佳点火提前角工作时，压力升高率不会太高，最高爆发压力出现在上止点后的最佳角度，示功图面积最大，发动机的动力性、经济性最好。10.2.4燃烧过程的影响因素外因方面冷却水温过低，散热量增多，发动机热效率降低，功率下降，耗油率增加；润滑油粘度增大，润滑效果变差，摩擦损失及机件磨损加剧；燃烧不良易形成