05内燃机混合气形成与燃烧解析

1、第五章内燃机混合气的形成和燃烧第一节内燃机缸内的气体流动内燃机缸内空气运动对混合气形成和燃烧过程有决定性影响，因而也影响着发动饥的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气的排放。组织良好的缸内空气运动对提高汽油机的火焰传播速率、降低燃烧循环变动、适应稀燃或层燃有重要作用；对提高柴油机的燃抽空气混合速率，提高燃烧速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合（热混合作用）有重要作用。因此，深入了解内燃机缸内出气运动燃烧过程的影响和作用，对于组织良好的燃烧过程，开发具有高性能和低污染的发动机具有重要意义。一、涡流1、进气涡流在世气过程中形成的，绕气缸轴线有组织的气流运动，称为进气涡流；由于存在气流之间的内磨擦

2、耗损和气流与缸壁之间的摩擦，将使进气涡流在压缩过程逐渐衰减。一般情况下，在压缩终了时，约约1/41/3的初始动量矩损失掉。当活塞接近于上止点，大量空气被迫进入位于活塞顶部的燃烧室内，使凹坑内的切线速度有所增加。进气结束时，汽缸内旋流速度的分布表明，小于某一半径时，切线速度随半径的增加而增大，速度呈刚体流分布；越过这一半径时，切线速度随半径的增加而减小，速度呈势流分布。当活塞接近上止点时，刚体流动明显增强，势流运动明显减弱，可以认为此时燃烧室凹坑内的旋流运动力刚体流。研究表明，进气过程所产生的旋流可以持续到燃烧膨胀过程。在柴油机上，进气涡流主要用于增强喷油油束与空气的混合，提高燃油与空气混合速率

3、，这有助于柴油机的快速燃烧。在汽油机上，进气涡流主要用于增加火焰传播速率，实现快速燃烧。进气涡流的大小由进气道形状和发动机转速决定。2、进气涡流的产生方法进气涡流的产生方法有：（1）、采用带导气屏的进气门（图51a）强制空气从导气屏的前面流出,依靠气缸壁面约束，产生旋转气流。由卤52b可知，由于导气屏的存在，使在导气屏占据的气门周长范围内气流不进入气缸，增人了导气屏对面的气流速度，从而形成对气缸中心O的动量矩。显然，改变导气屏包角P的大小和导气屏安装角口（OO导气屏对称中心线与气缸轴线的夹角，见图52b）的大小，均可改变涡流强度。P角一般常选80一一120,口角在90一270附近可望形成较强的

4、涡流（两者产生的涡流转动方向相反）。导气屏在试验时调整比较方便，常在单缸机上作调试用，为新气道的设计提供参考数据。其缺点是：1）由于导气屏减小气流流通截面，流动不对称，使流动阻力增加，充量系数降低。2）由于气门上有导气屏，为保证工作时气流的旋转方向和强度，进气门必须有导向装置，以防工作时转动，这都使结构复杂，制造成本增加。3）气门盘刚度不均匀，变形大，气门在工作时又个能转动，使气门容易偏磨,对气门密封不利。民5产生进气漏流的方法H）导气屏b）切向气道C）螺旋气道（2）、切向气道（图5-1b）切向气道形状比较平直，在气门座前强烈收缩，引导气流以单边切线方向进入气缸，从而造成气门口速度分布的不均匀

5、。它相当于在平直无旋气道速度分布的基础上，增加一个沿切向气道方向的速度u（图5-2c）0切向进气道结构简单、在对进气涡流要求低时，流动阻力不大，但当对涡流要求高时，由于气门口速度分布过于不均匀，气门流通面积实际上得不到充分利用，气道阻力将很快增加，因此切向气道适用于要求进气涡流强度不高的发5-2各类气道出口处的速度分布示意图a）平直无旋气道b）带导气屏的进气道c）切向气道d）纯螺旋气道（3）、螺旋气道（图5-1c）在气门座上方的气门腔内做成螺旋形，使气流在螺旋气道内就形成一定强度的旋转，其气门口处气流的情况相当于在乎直气道出口速度分布的基础上，增加一个切向速度5,合成后的速度图（图52d）是一

6、个对称图形。因此，除了螺旋气道本身形成的动量矩外，速度分布团对气缸中心不再形成动量矩了，这种气道称为纯螺旋气道。事实上，由于在气缸盖上布置气道时，螺旋室高度值不能很大，气流流入气缸时必然会含有一部分切向气流的成分，因此实际使用的螺旋气道中的空气旋转运动均由两部分组成。采用强涡流螺旋气道燃烧室的性能与气道质量的关系极为密切，因此就大大提高了对铸造工艺和加工的要求，例如对气道泥芯的变形、定位、气道出口和气门座圈的同心度等必须严格控制。3.气道的评定方法为了增加进气充量，气道的流动阻力越小越好。气道的质量指标主要有流动阻力和涡流强度，我们希望在尽可能小的阻力下有足够的涡流强度。在稳流气道试验台（图5

7、3）上评定渴流强度的方法基本相近，一般采用叶片风速仪则量模拟气缸内祸流的转速或用角动量矩直接测出涡流的角动量，气体流量用流量计测定。测量方法一般采用定压差法，在不同的气门升程下测量叶片的转速和气体流量。为使不同形状和尺寸气道的流动特性具有对比性，采用无量纲流量系数评价不同气门升程下气道的阻力特性或流通能力，用无量纲涡流数评价不同气门行程下气道形成涡流的能力。图5-3气道稳流试验台1-试验缸盖2-模拟气缸3-叶片风速仪4-计数器5-压差计6-孔板流量计7-稳压*f8-鼓风机9-流量调节阀在评价方法上我国普遍采用Ricardo方法，其无量纲流量系数CF定义为流过气门座的实际空气流量与理论空气流量之

8、比，即QCfAo式中，Q为试验测得的实际空气流量；A为气门座内截面面积(5-2)2A-：dVn/4dv为气门座内径；n为进气门数目；”为理论进气速度，0=J2%（5-3）式中，Ap为进气道压力降，一般取2.5kPa；P为气门座处气体的密度（kg/m3）Ricardo无量纲涡流数NR为Nr为：rDNr=-（5-4）-0式中，Er为叶片旋转角速度；D为缸径。Ricardo涡流比Q为e式中，名为发动机族转角速度。一、挤流在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。挤流在汽油机上得到了广泛的应用，汽袖

9、机紧凑型燃烧室都利用较强的挤流运动，以增强燃烧室内的湍流强度，促进混合气快速燃烧。当活塞下行时，燃烧室中的气体向外流到环形空间，产生膨胀流动，称为逆挤流。逆挤流在柴油机上有助于将燃烧室内的混合气流出，使其进一步和气缸内的空气混合燃烧，对改善燃烧和降低排放十分有利。缩口形燃烧室就是充分利用了较强的挤流和逆挤流。二、涡流在压缩过程中形成的有组织的旋转空气运动，称为压缩涡流。如在涡流室柴油机的压缩过程中，气缸内的空气通过通道被压人涡流室中，形成有组织的旋流运动，这种压缩涡流可促进喷入涡流室中的燃料与空气的混合，涡流大小由涡流室形状、通道尺寸、位置和角度决定。三、滚流在进气过程中形成的，续垂直于气缸轴

10、线的有组织的空气旋流，称为滚流或横轴涡流。滚流较适宜于在四气门汽油机上使用，滚流在压缩过程中其动量衰减较少。当活塞接近于上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡，使湍流强度和湍流动能增加，大大提高火焰传播速率，改善发动机性能（图54）。在四气门汽油机中，在两个进气道的一个进气道中安装旋流控制阀，通过改变旋流控制阀的升度，即可形成不同角度的斜向旋流，斜向旋流可以认为是出进气涡流和滚流两部分组成的。滚流在近几年来获得了光泛的应用，特别是在缸内直喷汽油机上具有十分重要的地位。a)hf图5-4滚流的基本过程G进气过程b)压缩过程0)压缩终了四、湍流在气缸内形成的无规则的气流运动称为湍流。采用统计的

11、方法定义湍流特性参数，在统计定常的湍流场中，某方向上的当地瞬时流速U可以写为U(t)=Uu(t)(5-6)式中，U为平均速度；u(t)为流速的脉动分量。1t0.U-lim-U(t)dtt式中，T为时间；t0为起始时间。湍流强度定义为脉动速度分量的均方根值，即11t0二22u=lim：_-toudt此外，还使用一些长度尺度和时间尺度表征湍流特性,(5-7)(5-8)具有代表性的有以下几种。1.积分尺度li和积分时间尺度,积分尺度是指流场中最大尺度结构的量度，即大涡的尺度。积分尺度可用气流中相邻任意两点脉动速度的自相关系数的积分值来表示(图55),即(5-9)式中，只Rx为自相关系数，定义为（5-

12、10）D11mU（X0）U（X0十x）Rx=-Nm-1iU（X0）U（X0x）式中，Nm为测量次数。图5-5湍流流动中的长度尺度出上述定义可知，为了确定li需要同时测定流场中两个点的速度脉动值，这就增加了试验工作的复杂性。因此在实际工作中，一般均先求出积分时间尺度%,然后计算li。在统计定常流动中，可固定空间一点，用两个时刻的运动相关来定义积分时间尺度ii=0Rdt式中，R为时间相关系数，定义为（5-11）1：mU（t0）U（t。t）Nm-1yU（t0）U（t0t）（5-12）若湍流在通过测定点时没有很大的畸变，而且湍流本身较弱，则积分长度尺度11和积分时间尺度之间存在以下关系11=U1（5-

13、13）如果在气流中发生大涡结构对流现象，7可认为是大涡通过该点的时间；在没有平均流动的气流中，可以视作大涡结构的寿命。2. Kolmogorow长度尺度1k和时间尺度（叠加在大尺度气流亡有许许多多很小尺寸的涡，这些涡是大涡不断破裂历形成的、这些小涡使当地气流的流型迅速发生变化，湍流能量的耗散即发生在这些最小的结构中。而分子粘性起着把小尺寸涡的动能耗散为热能的作用，这一最小的湍流流动结构尺寸可用Kolmogorow长度尺度1k表示，它决定丁单位质量能量的耗散速率8和流体运动帖度V。为此，定义Kolmogorow长度尺度1K为1匕3V1k=I（5-14）IwJKolmogorow时间尺度7K表示最

14、小湍流结构的动量扩散时间，它的定义为(5-15)3. Taylor微观长度尺度几和时间尺度微观长度尺度1m被认为是发生粘性耗散的很薄的剪切层的大致间距。时间尺度即可由时间自相关曲线求出(5-16)对于均匀的和等嫡的湍流，微观长度尺度1m和时间尺度Tm之间存在如下关系(5-17)湍流在汽油机上主要用于提高火焰传播速度，在柴油机上组织适当的湍流可以改善燃油（如壁面附近的燃油）与空气的混合。第二节点燃式内燃机的燃烧一、点火过程与着火落后期1 .火花点火过程火花点火过程十分复杂，至今仍有许多方面还不清楚，图56示出了常规高压线圈点火系统工作时电压与电流的变化情况，图上标明的数据与系统的组成及元件的参数

15、选择有关。只是说明大致的量级。整个放电过程对分为三个阶段：（1）击穿阶段火花塞电极在很高的电压（约1015kv）作用下，击穿电极问隙内的混合气，离子流从火花塞的一个电极奔向另一个电极，这时间隙阻抗迅速下降，一个很窄的（直径大约40Rm）的圆柱状的离子化的气体通道建立起来，电能几乎可以无损失地通过离子流，使它的温度升至60000K,压力上升到几十个MPa,从而产生一个强烈的激波向四周传播，使等离子通道的体积迅速膨胀（丝膨胀到直径2mm）,而它的压力、温度迅速下降，这一阶段称为击穿阶段。这时,通过火花塞间隙的峰值电流高达200A,但整个击穿阶段的时间很短，约10nsoIfeA”邺髭w於sooo1I

16、1-h一定呼壬超H王OVIFLI51LI1J-I.哲xfeM-)送出图5-6常规高压线圈点火工作时，电压和电流随时间的变化（2）电弧阶段击穿阶段的木期造成了电极间的电流通道，因此电弧放电的电压较低（50l00v）,但电流仍很高，与击穿阶段的电极间电流通道内的气体完全离解或离子化相反，在电弧阶段放电带的中心部分的离解程度仍很高，但离子化程度比较低（约1%）。在阴极和阳极上的电压降是电弧放电电压降的主要部分。电能储存在这些电极的表层区域，出金属电极导走，这是电弧总能量的一个重要部分。此外，电弧要求有灼热的阴极，因此就造成了阴极材料的蒸发蚀损（出广击穿阶段抹期等离子体体积膨胀、体外的热交换和扩散作用

17、增强，使电弧中心区温度下降到6000K）,一般认为，在电弧阶段火焰传播开始发生。（3）辉光放电阶段辉光放电阶段的特征是电流低于200mAo在阴极上有大的电压降（300500V）,且温度较高，离子化程度很低（低于0.01%）,点火系统和储能装置（如点火线圈）的设计细节将决定这一阶段的进程，绝大部分的点火能量在此时放出，但能量损失比电弧阶段更大，气体的最高平衡温度下降到3000K。在发动机运行条件下，对静止的具有化学计量比的混合气点火能量只需要0.2mJo对于较稀或较浓的混合气，以及电极处混合气有较高流速时，需要点火能量为3mJ,但为能使发动机在各种上况下都能可靠点火，常规点火系统供给的能量一般为

18、3050mJ。2 .滞燃期要准确定义点燃式内燃机的滞燃期比较困难，因为点火瞬间即开始火焰传播，因此可以说几乎没有滞燃期。目前所指的滞燃期一般用以下三种方法定义：1）从火花点火至气缸内压力明显脱离压缩线时的时间或曲轴转角。2）火花点火开始后观察气缸内的火焰传播至某一设定的小的半径时所需的时间。为试验方使，一般先求出火焰半径与时间的关系曲线，用外推法求出所设定的小半径的相应时间。3）从火花点火开始直到气缸内10%的燃料燃烧完了的时间或曲轴转角（又名火馅发展角）。应当指出的足，以上三种方法测出的滞燃期在数值上差别较大，在使用时应指明采用何种定义的滞燃期。二、点燃式内燃机中的正常燃烧（一）定容燃烧弹中

19、的燃烧可燃混合气在定容燃烧弹中的燃烧与汽油机的燃烧比较接近。在图57上把定容燃烧弹分成相等的四部分，其中包含等量的可燃混合气（图57a）,其状态为（p。，T。）。当第一部分燃烧以后，压力温度升高，压缩其余末燃部分，区域1的温度从1上升到了Ti,其余部分由于压缩与传热的影响，温度与压力也有所提高（图57b）。当区域2开始燃烧时，该部分的混合气是在比始压p0、始温T0较高的压力温度下燃烧的。燃烧时，这部分气体要膨胀，进而压缩已燃烧气体1和未燃烧气体3和4,使它们的压力温度再升高，然后依次燃烧3和4部分的混合气。由上述物理模型利以得出以下结论：1）火焰沿燃烧室不断传播，相继投入燃烧的各层混合气，将比

20、前一层混合气有更高的密度，因此在图5-7所示等截面燃烧室内，燃烧速率也是不相等的II1I00.250.5075L0b)图5-7燃烧部分的膨胀和对已燃、未燃部分的压缩2）由f各部分混合气在投入燃烧前的状态不同，燃烧后受压缩的情况也不同，因而最终使燃烧室内各处的燃气温度不相等，靠近火花塞的那部分混合气，最先在较低的温度下燃烧，在低压下膨胀，最后在高压下回到原来的体积，这部分气体除获得燃烧的化学能外，还获得压缩功，因而最终温度较高。相反，最后燃烧的那部分混合气，要损失一部分功，因而温度较低，两者相差可达数百度。这也可以说明，用高速摄影记录燃烧过程（在火焰传播接近终点）时，火花塞附近又发生所谓“后辉”

21、现象的原因。3）由于燃烧室内火焰传播所引起的压缩一膨胀作用，即使在气流静止的燃烧室内也会引起气流的运动，而且燃烧初期的运动方向与燃烧末期是相反的。这将使火焰传播速度产生先加速后减速的倾向。止匕外，由于远离火焰中心的混合气所受压缩与传热时间最长，在火焰前锋到达前，先期反应已有较大的发展，因而火焰前锋的速度越来越大，但在接近缸壁时，由于缸壁的冷却作用而变慢。（二）预混燃烧与扩散燃烧在燃烧过程中，如果混合过程比燃烧反应要快得多或者在火焰到达之前燃料与空气已充分混合，这种可燃混合气的燃烧称之为预混燃烧。汽油机和气体燃料发动机的可燃混合气的燃烧基本上属预混燃烧。在柴油机中，燃料是借助于喷油装置在接近压缩

22、终了时喷人气缸，经过一个很短的滞燃朗后即开始着火。在滞燃期内，若喷入气缸的燃料在着火前已蒸发并与空气混合，那么这部分燃料的燃烧可以看作是预混燃烧。柴油机的大部分燃料是在着火后喷入气缸的，它处于一边与空气混合、一边燃烧的情况下，由于混合过程比反应速率慢，因此燃烧速率取决于混合速率。换句话说，混合过程控制了燃烧速率，这就是所谓的扩散燃烧。扩散燃烧的显著特征是，它的燃烧速率取决于使燃料和氧化剂达到适宜进行化学反应所需要的扩散速率。（三）点燃式发动机的燃烧过程为研究方便起见，一般人为地把点燃式发动机燃烧过程的实际进展分成三个阶段图（58）o第I阶段称为着火阶段，是指电火花跳火到形成火焰中心的阶段。电火

23、花在上止点前日角跳火以后，混合气中并不立即产生火焰。高速摄影表明，在1点（图58）亮后，至I2点再亮，这段时间约占整个燃烧时间的15%左右，但一般是按气缸压力开始与压缩压力相分离的2点计算的，2点与2点相差甚微，它与底片的感光性能及测压仪器的灵敏度有关。滞燃期G的长短与下列因素有关:1）燃料本身的分子结构和物理化学性能。2）开始点火时气缸内气体的压力温度。它与压缩比有关，压缩比高，滞燃期短。3）过量空气系数电。试验表明，汽油一空气混合气在a=0.80.9时，却图5-8汽油机的燃烧过程图5-9混合气浓度对滞燃期Ti的影响日-点火提前角耳-滞燃角92-有效燃烧角鸟-燃烧角(03-d+仇)4)残余废

24、气量增加，亏增加。5)气缸内混合气运动强，则和稍有增加。电极间隙处，也可能在电极间隙附近。6)火花能量大，.缩短。对于电火花点火的汽油机而言，气缸内着火的时间(2点)可以用控制点火提前角的办法来达到，所以滞燃期的长短对汽油机工作的影响不大，这一点是与柴油机完全不同的。第II阶段23称为急燃期，是指火焰由火焰中心烧迫整个燃烧室的阶段，因此也可称为火焰传播阶段。在这一阶段内，压力升高很快，压力升高率dp/d5=0.20.4MPa/(C)(CA)。一般用压力升高率代表发动机工作粗暴的程度。振动和噪声水平、火焰传播速率与压力升高率密切相关，因此火焰传播速率高的可燃混合气均促使dp/d邛增加，同样火花塞

25、位置、燃烧室型式对压力升高率也有影响。急燃期终点一般为最高压力点3或最高温度点3(有时3和3点重合)；当然，若取放热率骤然下降的时刻作为急燃期终点则更为合理。最高燃烧压力点3到达的时刻，对发动机的功率、经济性有重大影响。如3点到达过早，则混合气必然过早点燃，从而引起压缩过程负功的增加，压力升高率增加，最高燃烧压力过高。相反，如3点到达过迟，则膨胀比将减小，同时，燃烧高温时期的传热表面积增加，也是不利的。3点的位置可以用点火提前角”g来调整。第III阶段34称为后燃期，它相当于急燃期终点3至燃料基本上完全燃烧点4为止。p平图上的点3表示燃烧室主要容积已被火焰充满，混合气燃烧速度开始降低，加上活塞

26、向下止点加速移功，使气缸中比力从点3开始下降。在后燃期中上要是湍流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料，以及附在气缸壁面亡的混合气层继续燃烧。止匕外，汽油机燃烧产物中CO2和H2O的离解现象比柴油机严重，在膨胀过程中温度下降后又部分复合旧放出热量，一般也作后燃看待。为了保证汽油机工作柔和、动力性能良好，一般应使点2在上止点前12；15；(CA)0最高燃烧压力点3在上止点后121CA(到达，(dp/dm)a=0.175-M.P205CA()()(四)燃烧过程按已燃质量分量划分图510表示了每循环的已燃质量百分数与曲轴转角的函数曲线。在火花点火以后，燃料-空气混合气的燃烧速率从很低的数值立即在燃烧过程

27、的中途达到最大，然后当燃烧终了时接近于零。利用已燃质最百分数表示燃烧过程各阶段极为方便，并以此可定义发动机燃烧的各个阶段。根据此曲线，目前常用的表征点燃式发动机燃烧过程的特征是：1）火焰发展期（或角），是指从火花点火到燃料化学能释放10%之间的曲轴转角间隔期。点火开始1.总摒烧期一_-,S赛器饕酶整-20火批发展期1020曲轴转用，。匚A快速盛烧期图5-10火炳发展期和快速燃烧期的定义图2）快速燃烧期（或角），指大量工质燃烧所需的曲轴转角间隔。它定义为从火焰扩展阶段（通常指已燃质量百分数达到10%）到火焰传播过程终点（通常指已燃质量百分数达到90%）之间的曲轴转角间隔期。3）总燃烧期（或角）,

28、整个燃烧过程的持续期，它是火焰发展期与快速燃烧期之和。（五）火焰传播率中和燃烧速率可燃混合气着火以后，即形成火焰1中心，由此中心以一定的速率传播到整个燃烧室。1、层流火焰传播速率SL层流火焰传播速率定义为火焰前锋相对于未燃混合气的相对速率，其表达式为：dmbSl=d-（5-18）Afu式中，Af为火焰面积，P为未燃混合气密度，dmb为质量燃烧率dt对发动机使用的混合气，具值在0.41.8ms之间。在实际计算Sl（cm/s）时常采用经验关系式T0=5。庭p/101.3(5-19)式中，Slo=30.5-54.9(*-1.21)2;a=21.80.8。1);P=0.16+0.22(41);e为当量

29、比(化学计量燃空比的倒数)；P为压力(kPa);Tu为火焰前锋面前未燃气体温度(K)。2、湍流火焰速率St由于缸内存在湍流，大标尺的湍流将使火焰前锋面发生扭曲，除使其面积增大外，还可使火焰前锋分裂成许多燃烧中心，导致湍流火焰速率大大增加；小标尺的湍流也可大大增加焰面中分子与新鲜混合气中的分子的相互渗透，因此也使湍流速率增加(图511)。FSR为为火焰速率比，定义为FSR=0/Sl。因此，湍流速率与层流速率存在如下关系St=SlFSR(520)当缸内湍流强度不高时，Mattavi给出了便于计算的经验关系式St=(1+0.001n97(5-21)式中，n为发动机转速(r/min)。应当指出，在发动

30、机的实际燃烧过程中，火焰传播速率与湍流强度之间的关系并不一定是线性的。湍流强度不高时，火焰传播速率与湍流强度之间呈线性义系；湍流增加到一定强度时，火焰传播速率随湍流强度的增加而呈非线性增加趋势；如果湍流强度太强，火焰传播速率有可能会随湍流强度的增加而降低。因此,在汽油机中，组织适当强度的湍流有助于提高火焰传播速率，但太强的湍流不仅不利于提高火焰传播速率，反而会使传播中的火焰淬熄。新鲜混合气图5-11在不同湍流下的火焰前锋厚度Ga)湍流较弱b)湍流强烈3、火焰传播速率Sf火焰传播速率定义为火焰前锋相当于燃烧室壁面传播的绝对速率，在发动机可用下式计算Sf=0+Se(5-22)式中，Se为已燃区膨胀

31、速率，由下式给出-ApSp(5-23)式中，Ap、Sp分别是己燃区在活塞上的投影面积和活塞运动速度；乂为已燃区体积；co为曲轴角速度。（六）着火界限或可燃范围当可燃混合气过浓或过稀时，在电火花放电以后，并不能形成火焰中心及产生火焰传播。电火花首先点燃电极间隙内这一体积的可燃混合气，要使它放出的热量大于向四周混合气的散热量，火焰才能传播发展；反之，将自行熄灭。由于过浓的混合气燃烧不完全、放热量少，过稀混合气的热值低、放出的热量少，因而均不能点火。这两个界限的混合气浓度称为可燃范围或着火界限。要使混合气正常燃烧，必须保证混合气浓度在可燃范围内。几种燃料的可燃范围大致如下：燃料1amin1amax燃

32、料6.1amin1amax汽油0.51.30酒精0.41.700.41.25醴0.41.25各种燃料着火界限的数值是不同的，所有影响可燃混合气初期放热速率和散热速率的因素，都会影响着火界限。例如，可燃混合气初始温度增高，有利于放热速率的提高和散热速率的降低，因此扩大了着火界限。止匕外，由于残余废气中含有大量的惰性分子门（N2、CO2、水蒸气等），当残余废气系数增加时，着火界限将缩小。在实际发动机气缸内，由于各处的温度、压力并不完全相同，空气、燃料及残余废气的混合也不一定绝对均匀，因此着火界限比上面列出的范围窄。例如，在火花塞间隙附近的气体，若主要是浓度合适的新鲜可燃混合气，就比较容易着火；着火

33、后，即使其他部分的混合气的废气成分高一些，由于着火后缸内温度、压力均升高，火焰传播也比较容易。相反，如果燃烧室设计不好，在火花塞附近的残余废气不能很好清扫，着火界限就变窄，以致不能着火。现代汽油机在较高负荷且工作正常时的着火界限大致为Gmax=1.31.4,一般当句=1.251.35时,汽油机工作循环已不稳定，燃油消耗率迅速上升，混合气冉稀一些，发动机即自行熄灭。电min的数值在汽油机工作中无实际意义上的限制。在汽油喷射、分层燃烧的汽油机以及柴油机中，由于整个燃烧室内混合气分布不均匀。因此按平均意义上的过量空气系数表示的可燃范围就失去意义。（七）不同工况下燃烧过程的特点1、点火提前角不同时的燃

34、烧过程影响汽油机最佳点火提前角的因素很多，如转速、过量空气系数、进气压力和温度等，它只能在试验中予以测定。在汽油机上，保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定，记录功率、燃油消耗率、排气温度随点火提前角的变化，称为汽油机点火提前特性（图512）。对于发动机每一上况都存在一最佳点火提前角，这时发动机功率最大，燃油消耗率最低。已经确定，最佳点火提前角相当于使最高燃烧压力在上止点后1215&A时达到，这时实际示功图与理论示功图最为接近（时间损失最小）。选择最住点火提前角时，要考虑到发动机的整个运行范围能保证最大功率而无爆燃发生。2、混合气浓度不同时的燃烧过程在汽油机的转速、节气门开度保持一定，点火提前

35、角为最佳值时调节供油量，记录功率、燃油消耗率、排气温度随过量空气系数的变化曲线，称为汽油机在某一转速和节气门开度下的调整特性（图513）。图多13汽油机的调整特性加52点火提前帏性）节气门全开h）Tt=1600r/tniii前面已指出，在公=0.80.9时，滞燃期最短，火焰传播的平均速率最高此外，由于句1的混合气燃烧以后的实际分子变更系数增大以及燃料蒸发量增多，使进气温度下降，充量系数有所增大，因此这时最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高率和功率均达到最大值，但同时由于不完全燃烧，燃油消耗率较高在电=1.031.1时，燃油消耗率达较佳值，这主要是因为气缸内燃料、空气和残余废气不能绝对均匀混合，

36、因而不可能刚好在用=1时获得完全燃烧。止匕外，混合气稍稀时，最高燃烧温度下降，使燃烧产物离解等不良影响减少，有利于提高热效率，但是过稀的混合气使燃烧速率降低，燃烧时间拉长，同样使热效率下降。3、负荷不同时的燃烧过程在汽油机上，转速保持不变，通过改变节气门开度来调节进入气缸的混合气量来到达不同的负荷要求。当节气门关小时，充星系数急剧下降，但留在气缸内的残余废气量不变，使残余废气系数增加，滞燃期增加，火焰传播速率下降，最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高比均下降，冷却水散热损失相对增加，因而燃油消耗率增加：因此，随着负荷的减小，最佳点火提前角要提早（图514）。在汽油机中，均用点火提前真空洞节器来

37、自动调整。4、速不同时的燃烧过程当转速增加时，气缸中湍流增加，火焰传播速率大体与转速成正例增加，因而最高爆发压力、压力升高比随转速的变化不大。止匕外，在转速升高时，由于散热损失减少，进气被加热，使气缸内混合得更均匀，有利于缩短滞燃期。但另一方面，出于残余废气系数增加，流吹走电火花的倾向增大，又使滞燃期增加。以上两种因素使以秒计的滞燃期与转速的关系不大，但是按曲轴转角计的滞燃期却随转速的增加而增大。因此，在汽油机上均设有点火提前角的离心自动调节装置，使在转速增加时，增大点火提前角。图5-14最佳点火提前角随负荷的变化点火提前角对汽油机的经济性影响较大。据统计，如果点火提前角钢离最佳值5“CA),

38、热效率下降1%;偏离10：(CA),热效率下降5%;偏离20：(CA),热效率下降16%。传统的真空和离心调节装置只能随转速、负荷的变化对点火提前角作近似控制；止匕外，影响最佳点火提前角的因素较多(如大气压力、温度、湿度、缸体温度、燃料辛烷值、空燃比、残余废气系数、排气再循环等)，传统的点火控制装置只考虑了其中的两个因素。为实现点火提前角的精确控制，近年来发展了一种点火时间的电子控制，它大体上分成两类。一类是计算机开环控制，它是一种预定顺序控制，根据转速传感器和负荷传感器测得的信号，在存储器中预定的特性图上找出对应于该工况的近似最佳点火提前角来控制点火系统点火。预定特性图是事先通过试验得到的近

39、似最佳点火提前角与转速和负荷的三维曲线图或表格，存储在存储器中，若多加几个传感器还可监控更多的参数。另一类是闭环控制，它是一种自适应控制或反馈控制，根据反馈信息确定下一次点火提前角的调节方向。目前作为反馈信息的参数采用转速较多，具调节点火提前角的控制逻辑为：当负荷不变时，改变点火提前角一个步长，则：点火提前后，转速增加一一点火再提前点火提前后，转速下降一一点火推迟点火推迟后，转速增加一一点火再推迟点火推迟后，转速下降一一点火提前这两种系统正在发展中，并各有优缺点，前者优点为响应速度快，但不能把所有影响佳点火提前角的影响因素都考虑进去，且采用传感器多则价格较贵，系统的可靠性下降。后者可使点火提前

40、角自动跟踪到最佳值，但瞬态响应性能有待进一步改进。（八）燃烧的循环变动1、燃烧循环变动现象燃烧循环变动是点燃式发动机燃烧过程的一大特征。它的定义是，在发动机以其某一工况稳定运行时，这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化，具体表现在压力曲线、火焰传播情况及发动机功率输出均不相同（图515）。图5-15汽油机中典型的循环压力变动情况（=2000r/mint品=9）G稀港合气包不1.”，节气门全平均施示压力变动4.5%,最高爆烧压力变劭土窈%b）般混合气大0.3,节气门全开，平均指示眼力变动二3/,垃高燃烧压力变动10第当采用稀薄燃烧和在低负荷、低转速下运转时，这种循环的变动会加剧。有些循环的

41、燃烧过程进行得快，有些循环进行得馒，这将使发动机的转速和输出转矩产生波动，因而影响发动机的性能。另外，对于燃烧快的循环，气缸最高爆发压力和爆燃的趋势都增加。因而限制了使用低辛烷值汽油和采用高压缩比。对于燃烧慢的循环，很有可能在排气门开启时混合气还未燃烧完，因而HC排放及油耗都会大幅度上升，这种情况更易在稀薄混合气燃烧或怠速工况时发生。由于气缸压力的循环变动，对于每一循环点火提前角不可能都处在最佳值，因而会影响发动机性能指标的进一步提高。如果消除了气缸压力的循环变动，可以降低最高燃烧压力，改善工作粗暴性和燃油经济性，降低发动机排放污染。2、燃烧循环变动的表征参数为了改善点燃式发动机的性能，必须十

42、分重视燃烧的循环变动，这是因为：1）发动机的最佳点火提前角、空燃比是根据平均循环的要求确定的，对于有循环变动的绝大多数循环将不一定是最佳值，发动机的乐缩比和燃料辛烷值是根据最倾向于敲缸的要求确定的等等，因此只有减少燃烧循环变动，才有可能获得最佳的性能。2）导致较高的排气污染。3）燃烧的循环变动导致平均指示压力以及输出转距的变动，使车辆的驱动性能恶化。表征燃烧循环变动的参数大体一可以分成三类：1）与气缸压力有关的参数，如最高气缸压力pmax、相应于气缸最高压力的曲轴转角（中pmax）、最大压力升高比（dp/d平）max、相应于最大压力升高比的曲轴转角（唧max）、发动机输出功率的变化可用平均指示

43、压力Pmi的变化表示。2）与燃烧速率有关的参数，加最大燃烧速率、火焰发展角中d、快速燃烧角时。3）与火焰前锋位置相应的参数，如火焰半径、火焰前锋面积、己燃和未燃的容积随时间的变化曲线、火焰到达某一指定位置所需要的时间。由于压力参数比较容易测量，因此常用它来表征燃烧的循环变动。从压力参数出发、可以定义出度量燃烧循环变动的一个重要参数，即平均指示压力变动系数COVimep（CoefficientofVariation）CoVimep=5mep/imepMl00=y6mi/Ml00（5-24）CoVim磊燃烧稳定性和评价车辆驱动件的主要参数,一般认为此值不应超过10%为宜。由于点燃式发动机燃烧的循环

44、变功，每一循环的气缸示功图是不同的，为了获得有代表性的、可以用来进行放热率分析的平均示功图，根据经验，对燃烧循环变动小、燃烧过程重复性好的，可取40100个循环进行平均（对每一曲轴转角求压力平均）；在燃烧循环变动较大时，可取几百个（例如254）循环的平均值。3、产生燃烧循环变动的原因导致点燃式发动机燃烧循环变动的原因很多，以下两个因素被认为是最主要的：1）燃烧过程中气缸内气体运动状况的循环变动，在没有强烈进气涡流的场合，压缩终点附近气缸内气流的湍流强度值可达到和活塞平均速度能比较的大小。由于湍流强度也是作循环变动的，因此在压缩终点火花塞附近和整个气缸内的气流场是作循环变动的。火花点火后形成的火

45、焰中心的轨迹以及火焰的初始生长速率，均随气流速度的大小和方向改变。同样其后的火焰向整个燃烧室发展的进程，如火焰与壁面的关系、火焰前锋面积的变化以及燃烧速率等，也将受到气流变化的影响。2）每循环气缸内的混合气成分（特别是在点火瞬间火花塞附近），由于空气、燃料、EGR和残余废气之间混合情况的变动而造成燃烧的变动。由于发动机高速运行，空气、燃料、FGR和残余废气不可能获得充分的混合。在燃烧开始时气缸内必然存在混合气组成上的不均匀，在火花塞电极间隙附近混合气成分的循环变动，会影响早期火焰的发展，特别是影响火焰从层流燃烧阶段到形成稳定火核的过程。总之，气流速度（平均参数和湍流参数）的变动混合情况的变动，

46、是造成燃烧循环变动的主要原因。4、降低燃烧循环变动的措施1）多点点火有利于减少压力的循环变动。2）组织进气涡流能增加燃烧速率，从而达到减少循环变动的目的。3）提高发动机转速，在气缸内形成更强烈的湍流也能减少循环变动。4）采用化学计量空燃比，由于火焰温度和传播速度比较高，因此压力变动最小。5）采用燃油电控喷射技术（特别是多点燃油喷射）可改善循环之间的混合气浓度不均匀性，达到降低循环变动的目的。6）采用快燃、速燃燃烧技术，提高火焰的传播速率，有助于减小燃烧循环变动；7）加大点火能量、优化放电方式、采用大的火花塞间隙，有助于减小循环变动。三、代用燃料的燃烧石油危机及其价格的上涨，引起了各国对新能源开

47、发和代用燃料研究的重视。由于醉类燃料（甲醇、乙醇）可以从煤、天然气和植物中提炼，加之它们是液体燃料，可以沿用传统的石油燃料的运输、储存系统，因而被认为是内燃机最有希望的新的代用燃料。我国煤炭、天然气资源丰富，醇类燃料的开发、应用有利于发挥我国煤炭和天然气的资源忧势。（-）醇类燃料的主要物理化学特性和使用性能1、甲醇、乙醇的主要物理化学性质和使用特点表5-1列出了甲醇、乙醇和异辛烷（汽油）物理化学性质的有关数据。霆6”甲薛.乙祥和异辛蜿（汽油）的主要物理化学性质.-1仁出物理、化学性质分子代密度43誓汽化港热:理延空气盘I，低热值MJ1理论分子变更系数自燃混度V研究法辛标渔渔合工甲冲CHQH77

48、964.711012fl.261.0664651091丁.乙怦72578.3胸27.Z01.099426LLO74.S坤辛烷3H邛67*125.7297-15.43,97：13H3L0aIS从表5-1所列性质可以看到：1）醇类燃料的低热值比汽油低，甲醇仅为汽油的46%,乙醇为汽油的62%,但甲醇、乙醇燃烧时的理论空气量也小，甲醇为汽油的43%,乙醇为汽油的60%。因此，当在汽油机上燃烧甲醇、乙醇时，需要增大主量孔的直径或调整主量孔的因数，加大燃料供应量，从而使混合气的热量大体与汽油混合气的相等，使发动机在燃用醇类燃料时不会降低其动力性能指标，同时也有合适的空燃比。2）醇类燃料的汽化潜热比汽油大

49、得多，甲醇为汽油的3.7倍，乙醇为汽油的：9倍，从而使混合气在汽化时的温降差异较大（甲醇为汽油的7倍，乙醇为汽油的4.16倍）。醇类燃料较大的混合气温降有利于提高发动机的充量和动力性，但不利于燃料在低温下的蒸发，造成冷起动困难和暖机时间长。3）醇类燃料的辛烷值高，在汽油机上使用时，可以提高压缩比，有利于提高发动机的动力性能和经济性能。4）由于醇类燃料的汽化潜热大，进入气缸的混合气温度低，滞燃期长，因而应适当加大点火提前角。2、醇类燃料在汽油机中的溶解度和助溶剂醇类燃料在汽油机上使用时常进行一定百分比例的掺烧，即将汽油与一定比例的甲醇或乙醇混合起来成为一种混合燃料（15%甲醇+85%汽油称为M1

50、5混合燃料，纯甲醇称为M100）o但由于甲醇是极性物质，在与非极性物质的石油碳氢化合物掺记混时，只要有微量的水存在，就可能引起醇与汽油的相分离。为使甲醇一汽油混合燃料在常温和低温下保持单相，必须加中、高炭醇、苯、丙酮等作为助溶剂。试验表明，在0匕溶解20%的甲醇，仅需3.5%容积的杂醇。（二）醇类燃料的初步试验结果试验表明，混合燃料中甲醇的质量分数30%以下时，仍能保证发动机的起动性能。当进一步增加混合燃料中的甲醇含量时，需要对发动机的冷起动和暖机过程采取措施，如对进气管加热和安装热交换器，利用排气对进气加热以缩短暖机时间等。在解放牌汽车发动机CA10B上的试验表明，在不改动发动机结构的情况下

51、，燃用掺醇量小于20%的混合燃料，可在动力性稍有改善的同时，降低能耗5%左右，如将压缩比由原来的6.8提高到了7.3,充分利用混合燃料的抗爆能力，则功率能提高5%7%,能耗率降低6%10%。在东风牌汽车发动机EQ6100上的试验表明，在结构参数不调整的情况下，使用M15混合燃料在低速、低负荷工况时的动力性比纯汽油差外，在中速、中负荷以上时，动力性比燃用纯汽油高1%2%,能耗率降低3%左右。若对结构参数进行调整（增大点火提前角、扩大主量孔油针圈数），燃用M15的功率比燃用纯汽油的大1.3%,转矩大3%,能耗率降低3.6%。在排放指标方面，燃用混合燃料或纯甲醇时，NO2和CO均比燃用汽油时低，但未

52、燃甲醇和甲醛的排放高于汽油机。甲醇对有色金属、橡胶均有强烈的腐蚀作用，需要对燃油系统在结构上和材料上采取措施。排放指标中，未燃甲醇、甲醛均是有毒气体，需要对其净化措施作深人研究。国外如美国、德国已有混合燃料的加油站，出售醇类燃料与汽油的混合燃料，国内醇类燃料在汽油机上的广泛应用还取决于能源形势和政策、价格政策、市场策略等，但在某些煤炭资源丰富及醇类资源丰富的地区和单位将会首先使用，我围山西省已开始建立混合燃料M15的加油站。（三）灵活燃料发动机它是指发动机同时有几个不同燃料（如汽油和中醇或乙醇）的油箱，并可方便地切换使用不同燃料，在燃料油路中装有醇传感器，当发动机切换到醇燃料工作时，醇传感器接

53、受信号，通过存储器内预定特定曲线改变电控系统在该工况下的点火时间和循环喷油量，使发动机获得以另一种燃料工作时的最佳性能。四、点燃式内燃机的不正常燃烧（一）爆燃在某种条件下（如压缩比过高），汽油机的燃烧会变得不正常，在测录的p-t图上，出现如图5-16所示的情况，压力曲线出现高频、大幅波动，上止点附近的dp/dt值急剧波动达（dp/dt）max=0.2MPa/s或（dp/dt）max=65MPa/二（。CCA）之高，此时火焰传播速度和火焰前锋形状发生急剧的改变，称为爆燃。汽油机爆燃时一般表现为以下外部特征：1）发出金属振音（敲缸）。2）在轻微爆燃时，发动机功率略有增加；强烈爆燃时，发动机功率下降

54、,工作变得不稳定，转速下降，发动机有较大振动。3）冷却系统过热（冷却水、润滑油温度均上升）。4）气缸盖温度上升。图5-16正常燃烧与爆燃时pt图和dp/出图的比莪司正常燃烧b）厚鼎发生爆燃的原因如下：电火花点燃以后，火焰以正常传播速率（3070m/s）向前推进，使得处于最后燃烧位置上的那部分终燃混合气，在压缩终点温度的基础上进一步受到压缩和热辐射，加速其先期反应，并放出部分热量，使本身的温度不断升高，以致在正常火焰未到达前，终燃混合气内部最适宜着火部位已出现一个或数个火焰中心，并从这些中心以100300m/s（轻微爆燃）直到8001000m/s或更高的速率（强烈爆燃）传播火焰，迅速将终燃混合气

55、燃烧完毕。因此，汽油机的爆燃现象就是终燃混合气的自燃现象，它与柴油机的工作粗暴性在燃烧本质上是一致的，均是可燃混合气的自燃结果，但两者发生的时间和气缸内的状况是有差异的。柴油机的工作粗暴性发生在急燃期始点，压力升高比大，但气缸内压力还是均匀的；而汽油机的爆燃是发生在急燃期的终点，气缸内有压力波冲击现象。这样，对汽油机而言是优良的燃料，对柴油机就是最差的燃料，反之亦然。根据以上分析，爆燃的发生与以下条件有关：1）取决于终燃混合气的温度-压力-时间历程。2）终燃混合气的温度即使达到自燃温度以上，也不能立即着火。由于有滞燃期，在此期间，在火花塞处发生的火焰如通过了终燃混合气，就不会引起爆燃。因此，如火焰传播速度快，或是火焰传播距离短，即使是着火温度低的燃料也来不及发生自燃。3)在终燃混合气中，从压缩行程就产生缓慢的氧化反应，由此可产生热量，焰前反应的多少和程度对自燃产生影响，这一点主要与燃料化学成分和组成有关。爆燃最容易在燃烧室中离开正常燃烧最远的地方以及具有高温的地方(如排气门和积碳处)发生。爆燃发生前，正常燃烧的混合气数量越少，爆燃就在更大的容积内进行，爆燃也就越强烈。试验表明，发动机总充量中只要有大于5%的部分进行自燃时，就足以引起剧烈爆燃。强烈的爆燃燃烧将对发动机工作产少以下不利影响：(1)输出功率、热效率均降低爆燃接近等容燃烧，本是人们所希望的，事实上，当轻微爆燃时