5-发动机燃烧过程解析

第五章§5-1燃料及主要性能§5-2汽油机的燃烧过程§5-3燃油机的燃烧过程发动机的燃烧过程发动机的燃烧过程§5-1燃料及主要性能燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程，燃烧过程好坏，关系到能量转换的效率的高低，从而直接影响发动机的性能指标。发动机实际燃烧过程的进展情况十分复杂，牵涉面很广，影响因素多。对燃烧过程的基本要求：燃料的燃烧要完全，化学能热能，影响作功能力1燃烧过程进行要及时，作功时机2完全发动机的燃烧过程一、燃料的组成汽车、拖拉机用的燃料主要是——液体燃料（汽油、柴油）是石油产品（几乎是，少量的由煤焦油、油页岩提炼），可据直馏法和裂化法得到。主要成分：C、H98%少量S、O、N及其它微量元素，C、H组成不同的碳氢化合物，称为“烃”，按照化学结构不同，烃可以分为：烷属烃分子式烯属烃分子式（炔）环烷烃分子式（抗爆性最差）芳香烃分子式（最低值为6）（抗性最好）22nnHCnnHC222nnHCnnHC262nnHCC发动机的燃烧过程一般将石油分馏可得到蒸发性不同的馏份（各种燃料），（直馏法）①汽油40～210℃②煤油140～240℃③柴油200～360℃④润滑油350～500°⑤重油500℃⑥剩余是难以挥发的渣油和沥青直馏法得到汽油产量少，因此，用各种不同的裂化法热裂化催化裂化将重成份裂化成轻成份（汽油、轻柴油）以提高汽油产量。Tp发动机的燃烧过程二、汽油的抗爆性汽油机产生爆震燃烧与很多因素有关，但在一定结构和使用工况下，主要取决于燃料的性能。汽油的抗爆性：汽油对发动机发生爆燃的抵抗称之，抗爆性好，可以承受高的压缩比，从而改善发动机的性能。燃料抗爆性与其化学组成有关，烷烃的抗爆性最差，烯烃次之，环烷烃较好，芳香烃最好，在同一种烃内，轻馏分优于重馏分，异构体优于正构体。汽油的抗爆性指标和测定评定汽油抗爆性指标：辛烷值汽油抗爆性取决于各种烃类的含量，而含抗爆性高的烃类多的汽油其抗爆性高，否则就低。发动机的燃烧过程由于各种烃的抗爆性不同，所以汽油的抗爆性很难用同一个理化指标表示，目前广泛采用与标准燃料在特定条件下实验的比较方法，确定燃料的抗爆性。两种标准液异辛烷：抗爆性很高，定为100正庚烷：抗爆性很低，定为0按不同容积比混合得到各种不同抗爆性的标准燃料，其中异辛烷的百分数即为该标准液的辛烷值。测定方法有研究法辛烷值（东欧及美、英）RON马达法辛烷值（我国SYB2106-59）NON采用单缸可变压缩比汽油机（两种方法条件不同）研究法工况：51.7℃冷却水100℃，，点火提前角13°，到产生爆震。马达工况：冷却水100℃，混合气149℃，点火提前角14°～26°，到产生中等爆震。测定步骤在特定的单缸机（可变压缩比）上，用待测汽油在规定条件下运转改变，使之发生爆燃，（在仪表上显示标准爆震强度）在机上用相同条件下，依次换用各种标准燃料工作，当某一标准燃料的爆震强度与所测汽油相同时，则标准燃料中异辛烷的百分比含量即为所测汽油的辛烷值。aTTrpmn600rpmn900TT发动机的燃烧过程发动机的燃烧过程提高汽油的抗爆性在燃料中加入少量的抗爆添加剂，可使燃料抗爆性能，常用的抗爆添加剂是四乙基铅，但四乙基铅有剧毒，且无色，故含有四乙铅的汽油都用加色标明（红、兰等色），以引起使用者注意。由于四乙铅有毒，污染严重，许多国家（含我国）要求使用无铅汽油。一般我国汽油有93、97号。452HCPb发动机的燃烧过程三、燃油的发火性（自燃性、抗粗爆性）柴油机是靠柴油自行发火而燃烧的。柴油发火性若好，喷入气缸后即行自燃，这样发动机工作平稳。若发火性差，柴油机工作粗暴，因柴油喷入气缸后若不能及时燃烧，随着柴油的喷入，积聚较多的燃料，一旦发火，这些柴油同时参加燃烧，造成较大的压力升高率，故工作粗暴。所以，希望柴油要有较好的发火性（自燃性）柴油与汽油有所不同汽油易着火、不易发火、蒸发性好柴油易发火、不易着火、蒸发性差柴油发火性指标称为十六烷值，也是在特定的单缸机上通过试验测定。发动机的燃烧过程十六烷（）：自燃性好，定为100标准液—甲基萘（）：自燃性差，定为0不同容积比混合，标准液中含十六烷，百分数为其十六烷值测定：在特定的单缸，四行程可变柴油机上按规定条件测定，若被测柴油和某一标准液在同一条件下，同期发火，则它们是十六烷值相同。①十六烷值高，发火性好，工作柔和，一般十六烷值在40～60之间。②十六烷值过高，65，反而粗暴性无明显减小。十六烷值过高，柴油的馏分重，蒸发性差，易裂化，以致排气冒烟，同时使燃料消耗率增加。3416HC1011HC发动机的燃烧过程四、燃料的规格1、汽油的规格：以辛烷值来表示。（目前有93#、97#、98#）在9以下，用93#（=9.0～10.0，用97#、98#）2、柴油的规格高速柴油机（1000）采用轻柴油，以柴油的凝点的温度作为标号，国产轻柴油主要有10#、0#、-10#、-20#、-35#和-50#。指凝固点不高于10℃、0℃、-10℃、-20℃、-35℃、-50℃。这几种标号轻柴油其十六烷值在43～50之间。nrpm发动机的燃烧过程五、燃料的热值1kg燃料完全燃烧时，所产生的热量。单位（）或（）1、高热值：燃料的热值中包括水的汽化潜热在内的热值（包括燃料中H燃烧后生成水蒸汽冷凝放出的潜热）。2、低热值：高热值中减去水的汽化潜热的热值，在发动机工作中，排气温度高，水的汽化潜热不能利用，故采用低热值作为燃料热值来计算。汽油低热值约10500（44000）柴油低热值约10000（42500）kgKJ/kgkcd/kgKJ/kgKJ/kgkcd/kgkcd/发动机的燃烧过程六、过量空气系数——评价混合气的浓度=1标准混合气1稀混合气1浓混合气=0.4着火下限=1.4着火上限理论空气量汽油机14.9kg柴油机14.5kg论空气量燃料完全燃烧需要的理量燃料实际供给的空气数发动机工作过程中kgkgLL110发动机的燃烧过程§5-2汽油机的燃烧过程特点：1、均匀，理论上可以完全燃烧。因为汽油机采用外部形成混合气，比柴油机混合时间长2、（压缩比）低：汽7～10柴16～243、点火点固定一、正常燃烧（三个时期）燃烧过程进行情况可用展开示功图（图）进行分析。（即气缸中气体压力随曲轴转角变化而变化的曲线）着火延迟期Ⅰ（着火落后期）从电火花点火开始到火焰中心形成的这段时期点火压缩上止点曲轴转角上止点p发动机的燃烧过程在压缩过程中，混合气的、，使这一部分燃料与空气中的氧气接触，开始了氧化过程，但很缓慢。由于，且汽油本身有较高的热稳定性，在压缩终了，气缸内、不能使混合气自燃。在火花塞点火后，由于电火花的高能量，使火花发生处的混合气温度迅速升高，氧化加剧。随着化学反应的进展，放出热量增加，这些热量一部分使反应气体本身，另一部分传给附近混合气，也发生化学反应，当反应的混合气温度升高到一定程度后，形成发火区——火焰中心。从气缸内混合气总体来说，此时发热总量不多，气缸中压力的变化规律基本上与压缩过程相同。着火落后期是混合气燃烧的准备时期，其延迟长短，与混合气的性能（、燃料品质）及压缩终了的压力、温度有关——主要决定于压缩比大小。PTTPT发动机的燃烧过程（二）火焰传播期（明显燃烧期、速燃期）从混合气中火焰中心形成到气缸内出现最高压力为止称之。此期是汽油机燃烧过程的主要阶段，它决定了发动机的动力性。此期火焰中心以球面迅速（10～30m/s）向燃烧室内各点传播，混合气的主要部分在此时期内燃烧完毕，燃料热能的绝大部分在此时期放出，使、。（三）补燃期（后燃期）最高压力点后的燃烧称之。因混合不可能绝对均匀，有不完全燃烧，燃烧产物在高温下可能有分解，在膨胀中又继续氧化等形成过后燃烧称为补燃期。PT发动机的燃烧过程补燃是膨胀行程中、后期进行，利用率低。因此，应尽可能减小补燃量，若补燃量大，有的甚至延续到整个排气行程中，以致废气在下一循环的进气过程开始时窜入进气管及化油器，引燃新鲜混合气（化油器回火）。综述：上述燃烧过程的三个时期中，都具有放热效应，不过延迟期和补燃期放出的热量都很少，对循环效率影响极小，燃料的热量主要是在明显燃烧期内放出的，因此，明显燃烧期的长短及其所对应的活塞位置，对于发动机的热效率是有决定性的影响的。从提高热效率角度，希望燃烧时间越短越好，要缩短明显燃烧期，就要提高混合气的燃烧速率，使气体、出现在接近上止点位置，热量获较充分的利用，减少补燃，从而提高和，若燃烧速率越快，单位时间内放出热量就越多，气缸内压力升高越快，显然发动机产生的动力就大。maxTmaxpteN发动机的燃烧过程但另一方面，燃烧速率过快，将带来发动机工作粗暴和噪音，使运动件受冲击性负荷，加速磨损，发动机寿命缩短。这样，从提高发动机功率与防止噪音和工作粗暴两方面是矛盾的，应在工作柔和的条件下，尽可能提高燃烧速率。衡量发动机工作粗暴性指标是明显燃烧期内的压力升高率（），汽油机若在明显燃烧期内=1.75～2.5（度：曲轴转角），而在上止点后10～15°（曲轴转角）时，动力性好，且工作柔和。——点火提前角，它决定了点。一般上止点前=15～30°，太大或太小均不利，有利的也是不断变化，结构上用真空、离心点火调节装置调节。maxpmaxp/p/p度2/mkg发动机的燃烧过程二、汽油机的不正常燃烧（爆燃与表面点火）（一）爆震燃烧（是汽油机主要问题）在火花点火后，火焰开始传播，在传播过程中，火焰面前未燃混合气受已燃混合气的压缩和辐射作用而、升高，加速了化学反应（焰前反应）。离火焰中心越远，焰前反应越深，如果火焰及时传播到引燃，属正常燃烧。若在正常火焰未传到之前，未燃混合气的化学准备已经完成，引起自燃，形成新的火焰中心，产生新的火焰传播（称之为爆燃）爆燃的新的火焰传播速度高达1500～2000。使未燃混合气以极高的速度燃烧，燃烧迅速。这部分气体容积来不及膨胀，、急剧上升，形成冲击波，以超音速速度向前推进。外部特征：尖锐金属敲击声（清脆）。这种冲击波撞击发动机燃烧室、缸壁，使机体承受过度负荷。PTsm/PT发动机的燃烧过程发动机温度升高。（水温升高，开锅，润滑油温上升）燃烧室壁面、气缸壁上层流层被冲击波破坏，传热量，热损失。发动机正常工作被破坏，使，。排气冒黑烟。燃烧产物在高温下热分解，有CO、H2、O2、NO及游离碳。发动机磨损，寿命。因此，爆燃的发生，无论从动力性和经济性方面来看，均是不利的。若：由火焰中心形成起到正常火焰烧到最后部分混合气的时间为，由火焰中心形成起到最后部分混合气自己发火的时间为。若，不发生爆燃；，发生爆燃现象。因此，凡是使增加和减小的因素，都会使爆燃倾向增加。影响爆燃的因素很多，主要有辛烷值、、燃烧室结构、、、、负荷等。eNeg1t2t2t2t2t1t1t1tn发动机的燃烧过程（二）表面点火（亦称炽热燃烧）这也是不正常燃烧，不是由火花塞点火，而是由其它热源（火花塞积碳、排气门积碳、燃烧室积碳）或局部机件过热而将混合气点燃而引起的燃烧。早火（早燃）：在火花塞点火之前产生的表面点火（常见）表面点火后火：在火花塞点火之后产生的表面点火表面点火和正常燃烧是不一样的，由于有积碳等炽热点，混合气在进气行程、压缩行程就受到炽热点加热作用，所以产生表面点火时，点燃区域大，一经着火火焰传播速度很高，压力升高率大，伴有强烈的敲缸声（较沉闷），使机件负荷升高，降低，工作不稳定及出现发动机过热现象。eN发动机的燃烧过程早燃正常燃烧表面点火是在上世纪60年代，随辛烷值提高，提高以后，出现的一种不正常燃烧。因提高（9）、气缸内、升高，混合气化学准备充分，若局部有高温易产生。另一方面，辛烷值高的汽油，如“芳香烃”RQ高，但易产生表面点火，采用四乙铅作抗爆剂，其积碳中有铅盐，可促进碳的氧化，导致表面点火的产生。PT一般在9以下时，表面点火发生较少。表面点火（早燃）：炽热点点燃，一般在点火前（Ⅰ期前）沉闷、无压力波爆燃：热辐射与压缩，自燃，在点火后（Ⅰ期后），声音清脆，有压力波发动机的燃烧过