汽车发动机原理8章1(王建昕)

1、主要内容：主要内容：p汽油机的燃烧过程及其特点汽油机的燃烧过程及其特点p汽油机的不正常燃烧汽油机的不正常燃烧p汽油机的混合气形成汽油机的混合气形成p汽油机燃烧室及其特性汽油机燃烧室及其特性p汽油机电子控制系统与控制技术（不讲）汽油机电子控制系统与控制技术（不讲）p稀薄燃烧与缸内直喷式汽油机稀薄燃烧与缸内直喷式汽油机第8章 汽油机的混合气形成及燃烧过程汽油机燃烧过程及分析汽油机燃烧过程及分析汽油机着火和燃烧的高速摄影汽油机着火和燃烧的高速摄影火焰特点：火焰特点：均质透明均质透明火焰前锋面皱褶火焰前锋面皱褶火核形成火核形成 火花点火火花点火燃烧过程的高速摄影实例：燃烧过程的高速摄影实例：48121

2、620242832400(TDC)火焰特点：火焰特点：多点大面积着火多点大面积着火粗暴粗暴“有焰有焰”燃烧燃烧产生碳烟产生碳烟柴油机燃烧过程及其特性分析8.1 汽油机燃烧过程及其特点汽油机燃烧过程及其特点汽油机燃烧三阶段： （1）着火落后期（ AB ） （2）明显燃烧期（ BC ） （3）后燃期（ CD ）1 1、 着火落后期（着火落后期（A AB B ）p 燃烧特性参数：燃烧特性参数：着火落后期着火落后期i i 1010CACA左右左右注意区别点火提前角注意区别点火提前角igigi i 相对稳定（相对柴油机），因此相对稳定（相对柴油机），因此igig对对p pmaxmax相位有重要影响相位有

3、重要影响p 现象现象： 在在A A点开始火花点火，点开始火花点火， 高温单阶段着火高温单阶段着火； 在在B B点产生稳定的火核，点产生稳定的火核，开始火焰传播；开始火焰传播；B B点也可用点也可用CA05CA05表示，表示， 即累计放热即累计放热5%5%的相位。的相位。2 2、 明显燃烧期（明显燃烧期（B BC C ）p现象现象：火焰充满燃烧室，燃烧压力火焰充满燃烧室，燃烧压力达到最高，即达到最高，即pmaxpmax ； 其间其间80809090燃料被燃烧。燃料被燃烧。p燃烧特性参数燃烧特性参数1 1： 最高爆发压力最高爆发压力pmax pmax ，i ，W i ， 但但NOx ，机械负荷及热

4、负荷机械负荷及热负荷； pmax位置，位置，c1015 CA（ ATDC）p也称为也称为速燃期速燃期p放热速率特征值放热速率特征值CA50：累计放：累计放热热50%的相位，的相位，510 CA （ATDC）Pmax的控制优化的控制优化PmaxPmax出现的位置可用点火提出现的位置可用点火提前角前角igig来控制来控制；MBTMBT：Minimum advance for Minimum advance for Best TorqueBest Torque，对于最大转矩对于最大转矩的最佳点火提前的最佳点火提前p 燃烧特性参数燃烧特性参数2 2：压力升高率压力升高率 压升率压升率 = = dp/d

5、dp/d 最高压升率（最高压升率（dp/ddp/d）maxmax ( (MPaMPa/CA)/CA) 平均压升率平均压升率p dp/ddp/d的影响的影响 dp/d,idp/d,i，但但NOxNOx，机械损失及热负荷机械损失及热负荷,噪声噪声 振动振动p 一般汽油机一般汽油机 dp/d dp/d0.20.20.40.4（MPa/CAMPa/CA）2 2、明显燃烧期（、明显燃烧期（B BC C ）cbcbppdpd（dp/d）max3 3、后燃期（、后燃期（C CD D ) )p 要求：要求： 燃期要短燃期要短后燃期后燃期， i ， 排排温温，甚至甚至“放炮放炮” 燃烧完全燃烧完全否则，否则，H

6、C，CO p 现象现象: : 燃烧剩余约燃烧剩余约1010燃料，主要存在燃料，主要存在于火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧于火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧区域、壁面附近未燃混合气区域、壁面附近未燃混合气8.1.2 汽油机 Vs 柴油机燃烧特性p示功图（示功图（P-）：）：压缩压力压缩压力燃烧压力燃烧压力Pmaxp压升率（压升率（dP/d）：）：各自的合理范围各自的合理范围dP/d低，低，NOx和噪声低和噪声低p放热速率放热速率dQb/d:初期放热率，柴初期放热率，柴，汽，汽形状，汽单峰，柴双峰形状，汽单峰，柴双峰 汽油机汽油机柴油机柴油机8.1. 2 汽油机 Vs 柴油机燃烧特性p汽油机不同负荷时，随

7、负荷汽油机不同负荷时，随负荷的增加，燃烧持续期缩短；的增加，燃烧持续期缩短；p柴油机，随负荷增加，燃烧柴油机，随负荷增加，燃烧持续期变长；持续期变长；p由于汽油机在中小负荷时的由于汽油机在中小负荷时的燃烧持续期拖长，加之上述放燃烧持续期拖长，加之上述放热率形状的不同，其燃烧放热热率形状的不同，其燃烧放热等容度会低于柴油机，即汽油等容度会低于柴油机，即汽油机最常用的中小负荷不是机最常用的中小负荷不是“等等容放热容放热”EQ491汽油机，排量汽油机，排量2.5升；升；大负荷燃烧持续期略有增加，是因大负荷燃烧持续期略有增加，是因为防止爆震而推迟点火时刻造成的。为防止爆震而推迟点火时刻造成的。汽油机

8、Vs 柴油机 ?为什么汽油机燃烧放热呈为什么汽油机燃烧放热呈“单峰单峰”，?而柴油机燃烧放热呈而柴油机燃烧放热呈“双峰双峰”？汽油机：预混合燃烧汽油机：预混合燃烧柴油机：预混柴油机：预混 + + 扩散扩散扩散燃烧扩散燃烧对比对比项目项目汽油机汽油机柴油机柴油机着火着火点燃点燃，高温单阶段着火，单点着火高温单阶段着火，单点着火压燃压燃，低温多阶段着火，多点同时着火低温多阶段着火，多点同时着火燃烧燃烧火焰在火焰在均质预混合气均质预混合气中有序中有序传播，燃烧柔和传播，燃烧柔和两阶段燃烧，即无序的非均质预混合两阶段燃烧，即无序的非均质预混合燃烧和燃烧和扩散燃烧扩散燃烧，燃烧较粗暴，燃烧较粗暴后燃后燃

9、混合均匀，因而后燃期较短混合均匀，因而后燃期较短混合不均匀，因而后燃期较长混合不均匀，因而后燃期较长放热放热规律规律燃烧放热燃烧放热先缓后急先缓后急， “ “等等腰三角形腰三角形”放热曲线，放热曲线，燃烧放热燃烧放热先急后缓先急后缓，“双峰双峰”放热曲放热曲线，持续期较长（）线，持续期较长（）性能性能噪声振动小，基本不产生碳噪声振动小，基本不产生碳烟排放，热效率较低烟排放，热效率较低热效率高，噪声振动大，易产生碳烟热效率高，噪声振动大，易产生碳烟排放排放汽油机 Vs 柴油机8.2 汽油机的不正常燃烧p 汽油机汽油机正常燃烧正常燃烧的特征（点燃式发动机）：的特征（点燃式发动机）： 由火花点火引燃

10、（也可有其它强制点火方式）由火花点火引燃（也可有其它强制点火方式） 以火核为中心的火焰有序传播以火核为中心的火焰有序传播p 汽油机汽油机不正常燃烧不正常燃烧： 爆燃（爆震、敲缸）爆燃（爆震、敲缸） 表面点火表面点火 激爆激爆p汽油机的汽油机的不规则燃烧不规则燃烧：循环波动循环波动不同循环之间的燃烧变动不同循环之间的燃烧变动各缸不均匀各缸不均匀各缸之间的燃烧差异各缸之间的燃烧差异1、爆燃现象（、爆燃现象（Knocking）尖锐的金属敲击声，声频为尖锐的金属敲击声，声频为3 37 7KHzKHz机身有明显振动机身有明显振动功率下降、转速不稳，甚至冒黑烟功率下降、转速不稳，甚至冒黑烟示功图出现不同程

11、度的示功图出现不同程度的“锯齿波锯齿波”冷却水、机油和气缸盖等温度升高冷却水、机油和气缸盖等温度升高8.2.1 爆燃的机理与对策正常燃烧正常燃烧轻微爆燃轻微爆燃强烈爆燃强烈爆燃2、爆燃机理、爆燃机理末端混合气（末端混合气（End gasEnd gas）受压缩受压缩和热辐射，以低温多阶段方式产和热辐射，以低温多阶段方式产生自燃（生自燃（Self-ignitionSelf-ignition）多点大面积自燃，形成局部温多点大面积自燃，形成局部温度压力陡升（瞬时压力度压力陡升（瞬时压力1818MPaMPa），压力波在传播过程种形成压力波在传播过程种形成“激激波波”。激波冲击燃烧室壁面产生高频激波冲击燃

12、烧室壁面产生高频振音（也有说共振），并在示功振音（也有说共振），并在示功图上可观察到这种压力波动。图上可观察到这种压力波动。注意：注意：火焰前锋面速度火焰前锋面速度100100m/sm/s，压力波和热辐射分别为音速压力波和热辐射分别为音速和光速和光速8.2.1 爆燃的机理与对策3、爆燃的危害、爆燃的危害 燃室壁面的层流边界层和油膜被燃室壁面的层流边界层和油膜被破坏，散热破坏，散热， 热负荷热负荷，严重时，严重时活塞顶烧熔活塞顶烧熔; 燃烧粗暴燃烧粗暴、热裂解发生，甚至冒黑烟、热裂解发生，甚至冒黑烟 由于油膜层被破坏，引起活塞组由于油膜层被破坏，引起活塞组异常磨损异常磨损，拉缸，拉缸 甚至活塞环

13、断甚至活塞环断 轻微爆燃有可能略改善油耗和功率，但严重爆燃时轻微爆燃有可能略改善油耗和功率，但严重爆燃时 t ，热损失，导致，导致be，Pe 燃气压力剧烈波动使燃气压力剧烈波动使pmax和和dp/d ，使使机械负荷机械负荷。8.2.1 爆燃的机理与对策爆燃的危害爆燃的危害正常燃烧火花塞正常燃烧火花塞爆燃爆燃-火花塞绝缘体烧毁火花塞绝缘体烧毁8.2.1 爆燃的机理与对策8.2.1 爆燃的机理与对策区别区别汽油机爆震汽油机爆震柴油机粗暴燃烧柴油机粗暴燃烧4、防止爆燃的对策、防止爆燃的对策 记记: t1由火核形成至火焰前锋面传播到末端混合气所需时间由火核形成至火焰前锋面传播到末端混合气所需时间 t2

14、由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间则：则： 不爆燃的条件不爆燃的条件 t1 t28.2.1 爆燃的机理与对策要求：逐项深入理解上述对策，要搞清为什么？要求：逐项深入理解上述对策，要搞清为什么？8.2.1 爆燃的机理与对策汽油机爆燃示例180360540010203040506070P (bar) (oCA)n=2000rpm BMEP=0.9MPa发动机：发动机：EQ491EQ491压缩比：压缩比：9.09.0汽油：汽油：90(RON)90(RON)点火提前角ig =24oCAig = 19oCAp 上述缩短上述缩短t1和延长和延长t2的对策中，许多是

15、相互矛盾的的对策中，许多是相互矛盾的p 实际中防止爆燃的主要措施实际中防止爆燃的主要措施 降低降低 （最主要）（最主要） 提高燃料辛烷值提高燃料辛烷值 推迟点火时间推迟点火时间 燃烧室优化设计燃烧室优化设计（含提高湍流度等，见右图）（含提高湍流度等，见右图） 爆震传感器反馈控制爆震传感器反馈控制 由此造成了汽油机多年来的难题：即由此造成了汽油机多年来的难题：即如何在无爆燃条件下实现高压缩比如何在无爆燃条件下实现高压缩比8.2.1 爆燃的机理与对策p 有关爆震的机理，并未完全探明，有关爆震的机理，并未完全探明，尤其是末端混合气自燃后的压力尤其是末端混合气自燃后的压力“震荡震荡”和和“激波激波”等

16、问题等问题p 爆震也并非一无是处爆震也并非一无是处 作为目前内燃机燃烧国际前沿的作为目前内燃机燃烧国际前沿的“均质混合气压燃均质混合气压燃”实际上是一种可实际上是一种可控爆震控爆震 “爆震发动机爆震发动机”作为飞机动力目前作为飞机动力目前在研究中，在研究中，p 实际上，汽油机的实际上，汽油机的爆震主要发生在大负荷工况爆震主要发生在大负荷工况，尤其是低，尤其是低速大负荷。因此，速大负荷。因此，可变压缩比可变压缩比是一个兼顾低负荷热效率是一个兼顾低负荷热效率和大负荷不爆震的理想方法。和大负荷不爆震的理想方法。8.2.1 爆燃的机理与对策8.2.3 循环波动1、现象、现象汽油机转速和转矩波动大于柴油

17、机汽油机转速和转矩波动大于柴油机一般：汽一般：汽 10 r/min柴柴 2 r/min转速和转矩波动源于燃烧波动转速和转矩波动源于燃烧波动（如右图（如右图) pmax波动波动 ：2.53.5MPa（dQB/d）max波动：波动： 2倍倍2、危害、危害 点火时间、空燃比等控制参数无法点火时间、空燃比等控制参数无法调节到最佳；调节到最佳； 燃烧不好的循环会产生燃烧不好的循环会产生i 、Wi等下降等下降（设想上图中如（设想上图中如10个循环都按个循环都按pmax最高的循环来工作，最高的循环来工作，会怎样？）会怎样？） 振动振动、噪声、噪声 例：例：6105汽油机燃烧室改进设计后，汽油机燃烧室改进设计

18、后， （dp/d）max由由1.8上升到上升到2.4（bar/ CA），），p由由11降为降为7.1，结，结果噪声下降果噪声下降8dB8.2.3 循环波动3、循环波动的评价指标、循环波动的评价指标循环波动率：循环波动率： p = (p / pmax)100式中，式中， p为为pmax的标准偏差；的标准偏差； pmax为为 pmax的算术平均值的算术平均值正常情况：正常情况： p 10%较好汽油机：较好汽油机： p 7% 同理：可用同理：可用PmaxPmax出现角度出现角度ppmaxmax、 dp/ddp/d、p pmimi 、( (dQB/d)max等多种燃烧特性参数表示循环波动程度。等多种燃

19、烧特性参数表示循环波动程度。8.2.3 循环波动4、产生循环波动的原因、产生循环波动的原因（1） 混合气成分波动：混合气成分波动：局部空燃比波动；局部空燃比波动；残余废气浓度波动。残余废气浓度波动。（如图，火花塞处连续（如图，火花塞处连续5050个循环的快速采样结果）个循环的快速采样结果）（2） 气体运动状态波动气体运动状态波动流速过高或过低；流速过高或过低；湍流强度过高或过低。湍流强度过高或过低。5、影响因素及改进措施、影响因素及改进措施 a a影响最大，影响最大， a a=0.8=0.81.01.0时，时， pp最小；最小； 油气混合的均匀程度（绝对均匀，油气混合的均匀程度（绝对均匀， p

20、p00）；）； r r，pp ，因此应加强火花塞周围扫气，因此应加强火花塞周围扫气 ； 负荷负荷 （ r r ），则），则p p ； 转速转速 （ 湍流湍流），则），则p p ； 提高点火能量或采用多点点火。提高点火能量或采用多点点火。汽油机循环波动案例（1）901802703604505406307200.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5汽 缸 压 力汽 缸 压 力 p / MPan=3000r/minTtq=53.2N.mMAP=56kPa=14.5曲 柄 转 角曲 柄 转 角 / (o)(CA)27036045054001234n=3000r/minTtq=53.

21、2N.mMAP=56kPa=14.5气 缸 压 力气 缸 压 力 p / MPa曲 柄 转 角曲 柄 转 角 / (o)(CA)491491i i汽油机实测结果汽油机实测结果循环波动率每增大1个%点，Pmi损失1.5%柴油机的循环波动为什么柴油机的循环波动为什么小于汽油机？小于汽油机？循环波动率示例010000 20000 30000 40000 500000510152025P(bar) (oCA)010000 20000 30000 40000 5000001020304050P(bar) (oCA)Pmax = 8.9%Pmax = 9.6%BMEP=0.19MPaBMEP=0.88MP

22、a（大众（大众TouranTouran，2.0L 2.0L 汽油机，汽油机，n=2000rpmn=2000rpm）汽油机循环波动案例（2）8.2.3 表面点火及其防止措施p 何谓表面点火（何谓表面点火（Surface ignition）由炽热表面点燃混合气引起的着火由炽热表面点燃混合气引起的着火p 炽热表面：炽热表面：燃烧室壁面凸起部，如排气门、壁面尖角处、火花塞群部燃烧室壁面凸起部，如排气门、壁面尖角处、火花塞群部、积碳（、积碳（Deposit）及其催化剂作用及其催化剂作用p 表面点火的分类：表面点火的分类： 早火（早燃早火（早燃, Pre-ignition）正常火花点火前发生的表面正常火花

23、点火前发生的表面点火点火 后火（后燃）后火（后燃）正常火花点火后发生的表面点火正常火花点火后发生的表面点火p 后火：后火：若不引发爆燃，一般危害不大，或对若不引发爆燃，一般危害不大，或对i略有利；但长时间略有利；但长时间后火，会使燃烧室热负荷提高，演变为早火；出现后火，会使燃烧室热负荷提高，演变为早火；出现“续走续走”（Running-on）现象。现象。l早火早火由于实际着火提前，使由于实际着火提前，使pmax和和dp/d负功负功 ； i ；pi ；机械负功机械负功； m ，产生产生低频敲缸低频敲缸（6001200Hz） （注意早火与爆燃的异同）（注意早火与爆燃的异同）l爆燃性表面点火（激爆）爆燃性表面点火（