内燃机 第四章

第四章汽油机的燃烧过程及排放控制*/2第四章汽油机的燃烧过程及排放控制

正常燃烧过程不正常燃烧汽油机的排气净化汽油机的燃烧室一、汽油机的燃烧过程研究方法：测取燃烧过程的示功图。根据压力变化的特点，分为三个阶段：着火延迟期（滞燃期）、急燃期、后燃期。1.着火延迟期(滞燃期)τi：1-2从电火花跳火形成火焰中心。1点以前为压缩过程,缸内压力升高不大。1—火花塞跳火。2—缸内压力脱离压缩线开始急骤增高。点火提前角

—1点上止点的曲轴转角。一、汽油机的燃烧过程影响滞燃期的因素：燃料本身的分子结构和物理化学性能。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。过量空气系数。试验表明，过量空气系数在0.8~0.9时滞燃期最短。残余废气量增加，滞燃期增加。气缸内混合气运动强，则滞燃期稍有增加。点火能量大，滞燃期缩短。一、汽油机的燃烧过程2.急燃期(明显燃烧期，火焰传播期)：2-3火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段压力升高很快，压力升高率dp/dφ，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高的可燃混合气能促使dp/dφ增加，火花塞位置、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3，一般使3点出现在上止点后12~15oCA一、汽油机的燃烧过程3.后燃期（补燃期）急燃期终点3至燃料基本上完全燃烧点4为止急燃期中没有完全燃烧掉的燃料以及附在气缸壁面上的混合气层继续燃烧。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而放出热量，一般也作后燃看待一、汽油机的燃烧过程二、燃烧速度定义：单位时间燃烧的混合气量，表示为：意义：影响急燃期长短及其相对曲轴转角的位置。—未燃混合气密度；

—火焰传播速度，

—火焰前锋面积。燃烧速度的影响因素1）火焰传播速度vT：火焰前锋相对于未燃混合气推进的速度。A、燃烧室中气体紊流运动;

紊流运动强，火焰传播速度增加二、燃烧速度B、混合气成分：较浓时（过量空气系数0.8~0.9），火焰传播速率最大；低于和高于此值，火焰传播速度下降，热效率和功率均降低。过稀时，α>1.3~1.4时，火焰难以传播（火焰传播下限）；过浓时，α<0.4~0.5，火焰也不能传播（火焰传播上限）。一般：可靠工作：0.5~1.3。C、混合气初始温度高，火焰速度增加。

2）火焰前锋面积AT

利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合，可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积，以调整燃烧速度。二、燃烧速度3）可燃混合气密度增大未燃混合气密度，可以提高燃烧速度，因此增大压缩比和进气压力等，均可加大燃烧速度。三、使用因素对燃烧的影响1.混合气浓度α=0.8-0.9时,由于燃烧温度最高，火焰传播速度最快，压力升高率大，动力性好，但爆燃倾向增大（功率混合气）α=1.03-1.1时，由于燃烧完全，经济性最好，但温度高和富氧，NOx上升（经济混合气）α<1时,燃烧不完全，CO排放量增大α<0.8和α>1.2时火焰速度慢，部分燃料可能来不及燃烧，经济性差，HC排量增大

点火提前角过小，燃烧延长到膨胀过程，最高压力和温度下降，传热损失增大，热效率下降，但爆燃倾向降低，NOx降低。2.点火提前角点火提前角过大，大部分可燃混合气在压缩过程燃烧，消耗的压缩功增大，且最高压力升高。三、使用因素对燃烧的影响三、使用因素对燃烧的影响3.转速转速增加，气缸中紊流增强,火焰传播速度增加，以秒计燃烧过程缩短，但由于循环时间亦缩短，燃烧过程相当的曲轴转角增加，应增大点火提前角4.负荷

负荷

节气门开度

进入气缸的混合气残余废气量基本不变废气的比例相对混合气稀释程度火焰速度，着火延迟增大点火提前角四、汽油机的不规则燃烧汽油机的不规则燃烧是指在稳定正常运转情况下，各循环之间的循环变动和各缸之间的燃烧差异。a）b）1.燃烧的循环变动1.燃烧的循环变动产生原因：气流状态、速度变动，空燃比变动等造成着火时间变动。后果：油耗上升，功率下降，不正常燃烧倾向增加。采取措施：1）加大点火能量，采用多点点火；2）组织进气涡流，加强进气运动；3）采用理论空燃比或较浓混合气。循环变动系数：四、汽油机的不规则燃烧2.各缸间的燃烧差异四、汽油机的不规则燃烧产生原因：进入各缸的混合气的浓度和数量不同。影响因素：进气系统设计及安装位置，造成不一样的阻力情况；后果：1）动力性、经济性下降；2）个别气缸寿命缩短；3）低速、低负荷时，工作不稳定，增加排放。四、汽油机的不规则燃烧五、燃烧室壁面的熄火作用燃烧室壁面的熄火作用：壁面的冷却作用使火焰温度降低而造成熄火，中断火焰传播；是未燃HC排放的主要来源之一；影响因素理论混合气附近，熄火厚度最小；负荷减小，熄火厚度增加；温度、压力提高，紊流加强，熄火厚度减小。*/19第四章汽油机的燃烧过程及排放控制正常燃烧过程

不正常燃烧汽油机的排气净化汽油机的燃烧室一、爆震燃烧正常燃烧：有明显的火焰前锋，且逐层向外传播，直至燃烧完毕爆燃产生机理：火焰前锋未到，未燃混合气的温度达到其自燃温度而着火燃烧，形成新的火焰中心，产生新的火焰传播。轻微爆燃—100~300[m/s]；强烈爆燃—800~1000[m/s]一、爆震燃烧发生条件：燃料性质：辛烷值高，抗爆能力强。末端混合气的压力和温度：高，爆燃倾向增大。火焰前锋传播到末端混合气的时间：短，有利于避免爆燃。焰前反应的程度，程度大，放热多，爆燃倾向大特征：发出金属振音（敲缸）轻微爆震时，功率略有增加；强烈爆震时，功率下降，工作不稳定，转速下降，机体有较大的震动冷却系统过热，冷却水，润滑油温度均上升一、爆震燃烧爆燃造成的危害（1）输出功率降低、比油耗升高压力脉冲使发动机产生高频振动，破坏壁面层流边界层传热量增加，冷却损失增加（2）气缸过热高温导致气缸盖、活塞发生局部金属变软、熔化或烧损局部温度,出现高温分解,生成CO,H2,O2,NO等，严重时析出游离炭粒。（3）零件的机械负荷增加压力升高率和最大爆发压力（4）磨损加剧

一、爆震燃烧二、爆震的影响因素t1：火焰中心形成到正常火焰传播到末端混合气所需时间t2：火焰中心形成到末端混合气自燃所需时间若t1

<t2

，爆震不发生；若t1

>t2

，爆震发生使t1减小，t2增加的因素，减轻爆震倾向1.运转因素的影响点火提前角点火提前角，t2↓，爆震倾向1~6：点火提前角10~60oCA二、爆震的影响因素转速

转速→火焰传播速度→t1↓转速→末端混合气温度↓→t2负荷转速一定，负荷↓→充量系数↓→残余废气系数→t2→爆震倾向↓混合气浓度α=0.8-0.9时，由于燃烧温度最高，火焰传播速度最快，压力升高率大，动力性好，但爆燃倾向增大燃烧室沉积物燃烧室内壁的高温积碳作为热源加热末端混合气→爆震倾向爆震倾向↓二、爆震的影响因素2.结构因素的影响气缸直径

气缸直径→火焰传播距离→t1气缸直径→燃烧室冷却面积与容积比↓→t2↓火花塞位置火花塞位置影响火焰传播距离，从而影响末端混合气的温度燃烧室结构燃烧室形状→气流运动→紊流强度→火焰传播速度燃烧室形状→火焰传播距离燃烧室形状→散热量→末端混合气量和温度气缸盖和活塞的材料轻合金因导热性好优于铸铁爆震倾向二、爆震的影响因素3.预防爆燃发生常用措施：推迟点火

缩短火焰传播距离末端混合气体冷却增加气流运动，提高火焰传播速度，冷却排气门三、表面点火在火花点火式发动机中,凡是不依靠电火花点火,而是由于炽热表面（如过热的绝缘体电极、排气门,尤其是燃烧室表面炽热的沉积物）点燃混合气的不正常燃烧现象。（1）后火（后燃）在火花塞点燃混合气以后,炽热表面才点燃混合气的现象；对发动机影响不大（2）早火（早燃）发生在火花塞点火以前；压力升高率比正常值高5倍，最高燃烧压力比正常值高l50%1-早火；2-正常点火；3-后火；4-倒拖三、表面点火爆燃和表面点火的比较：爆燃时火焰以冲击的速度传播，有尖锐的敲缸声，表面点火时火焰传播速度正常，敲缸声比较沉闷。爆燃促使以后循环的炽热表面易点火，而表面点火亦促使循环的爆燃倾向增加。*/31第四章汽油机的燃烧过程及排放控制正常燃烧过程不正常燃烧

汽油机的排气净化汽油机的燃烧室污染物的评定指标排放物体积分数和质量浓度单位排气体积中排放污染物的体积，称为排放物的体积分数，通常以％和10-6（百万分比）表示，质量浓度常用mg／m3等计量。质量排放量在环境保护实践中，要求对污染物进行总量控制。因此，作为污染源的内燃机或装内燃机的车辆，要确定运转单位时间、按某标准进行一次测试或车辆按规定的工况组合行驶后折算到单位里程的污染物排放置。质量排放量用g/h、g／测试或g/km等单位表示。比排放量内燃机每作单位功所排放的污染物质量，用g／（kW·h）作单位表示，当然可以更客观地评价内燃机的排放性能。这个指标与燃油消耗率类似，也可以称为污染物排放率。汽油机排放污染物及其危害（1）一氧化碳CO—种无色无味的气体，与血液中输送氧的载体血红蛋白的亲和力是氧的300倍。CO与血红蛋白结合生成碳基血红蛋白，就剥夺了血红蛋白对人体组织的供氧能力。空气中CO的体积分数超过0.1％时．就会导致人体中毒；超过0.3％时，则可在30min内使人致命。（2）碳氢化合物HC:

包括未燃和未完全燃烧的燃料、润滑油及其裂解和部分氧化产物。如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等数百种成分。烷烃基本上无味，对人体健康不产生直接影响。烯烃略带甜味，有麻醉作用，对粘膜有刺激，经代谢转化会变成对基因有毒的氧化衍生物。烯烃是与氮氧化物一起在太阳光的紫外线作用下形成有毒的“光化烟雾”的罪魁祸首之一。芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃（PAH）及其衍生物有致癌作用。醛类是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。汽油机排放污染物及其危害（3）氮氧化物NOxNOx中绝大部分是NO，少量是NO2

；NO是无色气体，本身毒性不大，在大气中缓慢氧化成NO2，NO2呈褐色，有强烈的刺激味；和一氧化碳相似，氮的氧化物也趋向于存在血液中，与肺中的水气结合而形成稀硝酸，长时间后果将日趋严重（咳嗽、气喘、肺气肿）；NOx是形成光化烟雾的主要因素之一；汽油机排放污染物及其危害1.NO的生成机理：内燃机排出的NOx主要是NO，约占90%，NO2占5~10%靠大气中氮生成NO的化学机理是扩展的Zeldovitch机理。在汽油机均质混合气燃烧有关NO主要反应为最后一个反应主要发生在非常浓的混合气中。一、有害排放物生成机理NO生成条件：高温、富氧、高温持续时间控制NO排放的原则：减小混合气中的O2（或N2）的含量降低燃烧温度缩短高温燃烧滞留的时间2.CO的生成机理α<1时，CO排放很高，且随α减小增加α>1时，CO排放量很少一、有害排放物生成机理3.HC的生成机理缸内壁面淬冷效应燃烧室壁面对火焰的迅速冷却使火焰前锋面的温度降到自燃温度以下，燃烧反应链中断，使化学反应缓慢或停止。缝隙效应汽油机燃烧室中各种狭窄缝隙如活塞、活塞环与气缸壁之间，火花塞周围等地方，生成的HC占总量的50～70%。积碳和壁面油膜的吸附效应在进气和压缩行程，气缸套壁面和活塞顶上的润滑油膜会吸附未燃混合气，在燃烧末期油膜会蒸发，但燃烧不完全，造成HC排放增加。一、有害排放物生成机理3.HC的生成机理不完全燃烧局部混合气过浓，局部缺氧局部混合气过稀，温度过低失火失火条件：局部混合气过浓或过稀，超过着火界限；点火时刻不当；点火系故障一、有害排放物生成机理二、影响汽油机有害排放物生成的因素1.混合气浓度对NOx的影响过量空气系数，NOx先增后减NOx排放峰值出现在α

＝1.03~1.1范围内的经济混合气中α小于此范围时，氧浓度低，抑止了NOx的生成α大于此范围时，燃烧温度降低起主导作用二、影响汽油机有害排放物生成的因素对HC和CO的影响α<1时，α提高HC和CO排放迅速降低达到理论混合气后，HC和CO随α变化不大二、影响汽油机有害排放物生成的因素2.点火提前角推迟点火、降低最高燃烧温度并缩短已燃气体停留在高温中的时间，可减少NOx排放推迟点火、提高排温，也有利于HC的后期氧化，但有损于发动机燃油耗率和比功率点火提前角对CO排放没有明显影响二、影响汽油机有害排放物生成的因素3.转速转速增加，紊流增强，燃烧速度加快，所用时间缩短，NOx降低低速区，转速增加，CO和HC降低；转速过高，HC和CO排放反而升高4.负荷在中小负荷区，负荷增加，燃烧温度提高，HC和CO排放降低，NOx排放升高接近全负荷时，混合气加浓，含氧量减小，HC和CO排放升高，NOx排放降低三、汽油机排放控制技术对燃烧排出的有害物，在排气系统进行后处理通过改进燃烧过程来降低排放的机内处理对曲轴箱窜气和燃油蒸发气体等的前处理三、汽油机排放控制技术1.排气后处理——三元催化转换器能同时净化NOx、CO、HC3种有害气体排放，是汽油机排气废气后处理种最有效的方法为了同时处理这3种气体，必须保证NOx还原所需的CO、HC等还原性气体和为保证CO、HC氧化反应所需的O2。允许的空燃比范围非常窄，接近理论空燃比。氧化反应：还原反应：三、汽油机排放控制技术三、汽油机排放控制技术载体材料：蜂窝状陶瓷（MgO2/AL2O3/SiO2）催化剂：Pt：Rh=2~17；Pt促进HC和CO氧化；Rh促进NOx冷机状态下采取的措施：提高催化剂的低温活化性，改善低温净化效果采取两级催化转化器采用低热容量或电加热的催化转化器热机状态下提高净化能力措施合理选用催化剂采用高密度的蜂窝催化剂载体实现最佳空燃比控制*/48第四章汽油机的燃烧过程及排放控制正常燃烧过程不正常燃烧汽油机的排气净化汽油机的燃烧室一、燃烧室的设计要点及要求1.压缩比缩短火焰传播距离利用适当强度的紊流，加快火焰传播速度离火花塞较远的区域设置冷却面积，降低可燃混合气温度燃烧室内应减少易受高温影响而产生热点和表面沉积物的因素2.燃烧室的面容比（F/V）F/V大，燃烧室结构不紧凑，火焰传播距离长，容易爆震3.燃烧室形状影响气流运动，影响混合气浓度分布满足快速燃烧的要求适用于布置较大直径气门及多气门一、燃烧室的设计要点及要求4.火花塞位置应靠近排气门，使受灼热表面加热的混合气及早燃烧间隙处的残余废气能充分排出，使混合气容易着火5.燃烧室内的气体流动适当强度紊流的好处加快火焰传播速度扩大混合气体的着火界限，可以燃烧更稀的混合气减少燃烧的循环变动率降低HC排放一、燃烧室的设计要点及要求进气涡流利用进气口和进气道的形状在进气过程中造成气流绕气缸中心线的旋转运动，加快火焰传播速度，提高燃烧速率；进气阻力增加，充气效率下降，在低速低负荷时难以获得良好的进气涡流。故只依靠进气涡流的燃烧室非常少，通常配合组织进气挤流。一、燃烧室的设计要点及要求压缩挤流当活塞接近压缩行程终点时，利用其顶部和缸盖底面之间的狭小间隙(称挤气间隙）将混合气挤入燃烧室中央而产生；最大速度出现在压缩行程上止点前，加快了明显期内的火焰传播，使燃烧迅速；离火花塞最远的边缘气体因受两个冷表面的影响，容易散热，对抗爆性有利；不会引起充量系数下降，且可在节气门开度小时获得良好的紊流效果。二、典型燃烧室半球形燃烧室：形状大致呈半球形或蓬形，结构紧凑，面容比最小，火花塞布置于燃烧室中央，火焰传播距离最短；楔型燃烧室：火花塞在楔形高侧的进排气门之间，可在火花塞附近形成较强的气流，保证低速低负荷性能良好。结构紧凑，火焰传播距离短，挤气面积较大，对末端混合气冷却作用较强，使爆燃倾向减小。但同时由于挤气面积内的熄火区增大，HC排放量较多。碗形燃烧室：布置在活塞中的一个回转体。采用平底气缸盖，工艺性好。燃烧室全部机械加工而成，有精确的形状和容积，燃烧室表面光滑、紧凑、挤流效