机械工程内燃机精品课件05课件(第五章51-52)

1

第五章内燃机混合气的形成(xíngchéng)和燃烧§5-1缸内的气体流动内燃机缸内的空气运动(yùndòng)，是影响点燃式内燃机的燃烧过程、压燃式内燃机燃料空气混合和燃烧过程的主要因素之一。

缸内的空气运动包括涡流、挤流、滚流和湍流。

精品资料2

第五章内燃机混合气的形成(xíngchéng)和燃烧一、进气涡流1．进气涡流:在进气过程形成的绕气缸轴线有组织的气流运动。进气涡流的大小(dàxiǎo)取决于进气道的形状及发动机的转速。进气涡流在压缩过程中逐渐衰减，一般情况下，在压缩终了时进气涡流的初始动量的25%-30%将衰减掉。研究表明：进气过程中所产生的旋流可以持续到燃烧膨胀行程。进气结束时，气缸内旋流速度小于某一半径，切线速度随半径的增加而增大，速度分布呈现刚体流分布；而超过这一半径，切线速度随半径的增加而减小，速度呈现势流分布。精品资料3

第五章内燃机混合气的形成(xíngchéng)和燃烧柴油机进气涡流主要用于增强喷油油束与空气(kōngqì)的混合，提高混合速率，有助于快速燃烧。汽油机

进气涡流主要用于增加火焰传播速率，实现快速燃烧。当活塞接近上止点时，大量空气被迫进入活塞顶的燃烧室内，此时刚体流明显增强，势力流明显减弱，可以认为此时燃烧室凹坑内的流体运动为刚体流，即燃烧室中的气流切向速度随燃烧室半径的增大而增加，燃烧室中心部分压力低，外围部分压力高。精品资料4

第五章内燃机混合气的形成(xíngchéng)和燃烧2.进气(jìnqì)涡流产生方法：

精品资料5

§5-1缸内的气体(qìtǐ)流动3.气道评价方法气道质量指标—在尽可能小的阻力下有足够的涡流(wōliú)强度。一般在稳流气道实验台上评定涡流(wōliú)强度。用叶片风速仪测量涡流转速，或用角动量矩直接测量涡流的角动量，用流量计测量气体流量。测量的方法为定压差法，在不同的气门升程下测量叶片的转速和气体流量。精品资料6

§5-1缸内的气体(qìtǐ)流动--气道试验台精品资料7

Velocitydistributionintheintakeportandcylinder(GasolineEngine)精品资料8

§5-1缸内的气体(qìtǐ)流动二、挤流在压缩后期,活塞表面的某一部分和缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动，称为挤流；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。挤流强度由挤气面积和挤气间隙(jiànxì)大小决定。通常采用缩口形燃烧室，其可充分利用较强的挤流和逆挤流。

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。

利用逆挤流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。汽油机柴油机应用精品资料9

§5-1缸内的气体(qìtǐ)流动压缩(yāsuō)涡流在压缩过程中形成的有组织的空气旋转运动，称为压缩涡流。如涡流室柴油机在压缩过程中，气缸内的空气通过与涡流室相切的通道被压入涡流室中，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。这种压缩涡流的强弱由涡流室形状、通道尺寸、位置和角度等决定的。精品资料10

§5-1缸内的气体(qìtǐ)流动三、滚流定义：在进气过程中形成的绕气缸轴线垂直线的有组织的空气旋流。应用：滚流较适宜于在四气门(qìmén)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，提高火焰传播速率，改善发动机性能。精品资料11

Velocitydistributionintheintakeportandcylinder(GasolineEngine)精品资料12

§5-1缸内的气体(qìtǐ)流动四、斜轴(xiézhóu)涡流

滚流与涡流的结合可形成斜轴涡流,它既有绕气缸轴线旋转的横向分量,也有绕气缸轴线垂直线旋转的纵向分量。在四气门汽油机中，在两个进气道中的一个进气道中安装旋流控制阀，通过改变旋流控制阀的开度即可形成不同角度的斜轴涡流。

斜轴涡流可认为是由进气涡流和滚流两部分组成，可充分利用了两者的优点,在上止点附近形成更强的湍流,提高混合气（特别是稀混合气）的燃烧速度。精品资料13

§5-1缸内的气体(qìtǐ)流动五、湍流定义：在气缸中形成随机的（或无规则的）有旋的非定常气体运动；可分为气流(qìliú)流过固体表面的壁面湍流和同一流体不同流速层之间产生的自由湍流，内燃机中的湍流主要是自由湍流。湍流结构十分复杂，内燃机中可燃混合气的湍流特性对燃烧速度和火焰传播有着十分重要的影响。湍流可产生于进气过程，压缩过程及燃烧过程。不规则性和随机性是湍流的最主要特征，因此常用统计的方法来描述湍流特征参数。点火式发动机中湍流能促进火焰面附近已燃气体和未燃气体的交换，扩大火焰前锋表面积，从而提高火焰传播速率。在柴油机中湍流可改善燃油（如壁面附近燃油）与空气的混合。精品资料14

§5-1缸内的气体(qìtǐ)流动六、热力(rèlì)混合

直接喷射式燃烧室内的空气运动在压缩上止点附近接近刚体流，即燃烧室中的气流切向速度随燃烧室半径的增大而增加，燃烧室中心部分压力低，外围部分压力高。燃烧室内的流体一方面受到离心力的作用向外运动，另一方面受到压差作用推向燃烧室中心。对于液体油滴或燃油蒸汽，由于其密度比空气大，离心力起主导作用，呈向外运动趋势；对于已燃气体，其密度比空气小，向燃烧室中心的推力起主要作用，呈向内运动趋势。

这种在旋转气流中火焰向燃烧室中心运动，又将中心部分的新鲜空气挤向外壁，促进空气与未燃燃料混合的作用称为热力混合作用。精品资料15

§5-1缸内的气体(qìtǐ)流动汽油机与柴油机相比主要(zhǔyào)有如下特点:精品资料16

汽油机和气体燃料发动机的可燃混合气的燃烧基本上属于(shǔyú)预混燃烧。一、火花点火过程（1）击穿阶段火花塞电极电压很高，10-15kV,击穿电极间隙，形成一个很窄的圆柱状离子化的气体通道，温度上升到60000k,压力上升到几十个MPa，产生一个向四周传播的强烈激波，使粒子通道体积迅速膨胀，温度、压力迅速下降。峰值电流可达200A,时间很短，约10ns。（2）电弧放电阶段击穿阶段末期形成电极间的电流通道(电弧)，电弧放电电压较低，为50-100V,电流很高，电弧中心的温度约6000k。此时火焰传播开始。§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧火花放电电压和电流随时间的变化

精品资料17

（3）辉光放电阶段辉光放电阶段的特征是电流低于200mA,在阴极上有大的电压降（300-500V）,且温度较高，离子化程度很低。绝大部分点火能量由此放出，但能量损失比电弧阶段更大，气体的最高平均温度下降为3000k左右。常用的点火系统供给(gōngjǐ)能量为30-50mJ;远远大于混合气点燃所需的能量（3mJ）。

（4）火核形成(点火成功）§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧火花放电电压和电流随时间的变化

精品资料18

二、燃烧机理燃烧过程包括：着火、燃烧着火(也称滞燃期)--是指可燃混合气在一定压力、温度(wēndù)和浓度条件下，其氧化反应突然加速，以至出现火焰的现象。燃烧--是指燃料与氧化剂进行剧烈放热的氧化反应过程。§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧

1.燃烧方法分类-----气相燃烧、固相燃烧气相燃烧—燃料以气体状态与空气混合所进行的燃烧；固相燃烧—固体燃料没有挥发而在表面与空气进行燃烧；

汽油机和柴油机，均为液体燃料、气相燃烧(反应)

精品资料19

§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧--燃烧机理●扩散燃烧燃料是一边(yībiān)与空气混合、一边(yībiān)燃烧，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，混合过程控制了燃烧速率，燃烧速率取决于扩散速率。着火前燃料与空气相互分离，着火后两者边混合边燃烧（如煤气灶、蜡烛、锅炉、柴油机、液体燃料失火）；●预混合燃烧

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。（如汽油机、瓦斯爆炸）

2.气相燃烧分类：预混合燃烧、扩散燃烧●内燃机中所有燃烧属于两种燃烧中的某一类、或两种燃烧的组合。●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。●柴油机的大部分燃料是在着火后喷入气缸的，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。

精品资料20

§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧--燃烧机理3.预混合燃烧和扩散(kuòsàn)燃烧的对比

扩散燃烧①燃烧速度取决于混合速度（混合气形成的影响极大）；②φa=1.2-6.8，稳定稀燃；

③浓度和温度分布不均匀，易产生碳烟；④有焰燃烧；⑤无回火可能（因为进的是空气和进气压力基本等于大气压）。

预混合燃烧①燃烧速度取决于化学反应速度（混合气形成影响小）；②φa=0.8-1.2，难以稀燃；（φa—过量空气系数）③浓度和温度分布均匀，不易产生碳烟；④无焰燃烧；⑤有回火可能（因为进的是混合气和进气压力低于大气压）。精品资料21

§5-2点燃式内燃机的燃烧(ránshāo)---点燃式内燃机的正常燃烧(ránshāo)三、点燃式内燃机的正常燃烧1.正常燃烧过程(guòchéng)：在正常火焰锋面到达前，未燃混合气的焰前反应均未达到自燃的程度，由不断向前推进的火焰锋面将其逐层引燃，直到火焰传至最终燃烧的末端混合气为止，把这种有序的燃烧称为正常燃烧过程(guòchéng)。正常燃烧过程(guòchéng)三个阶段，滞燃期、急燃期和后燃期。精品资料22

火核顺序点燃周围(zhōuwéi)的混合气，以球面波向外传播；◎火焰前锋面◎火焰传播速度VL—火焰前锋面在法线方向上相对于未燃混合气的移动(yídòng)速度。◎燃烧速率—混合气质量为m，混合气密度为ρm，火焰前锋表面积为FL，则燃烧速率：dm/dt=VLFLρm（kg/s）◎放热速率—燃烧放热量为qt，混合气热值为hu，则放热速率：dqt/dt=VLFLρmhu（kJ/s）

§5-2点燃式内燃机的燃烧---点燃式内燃机的正常燃烧精品资料23

21

2

3

412.定容燃烧：定容燃烧弹中燃烧与汽油机比较接近，通过研究定容燃烧弹的燃烧过程，可得到如下结论：（1）火焰沿燃烧室不断传播，后续燃烧的混合气压力、密度将不断增加，燃烧速率也不同。（2）燃烧后各处的压力、温度不同。靠近火花塞那部分混合气最高。（3）火焰传播会引起压缩-膨胀(péngzhàng)作用，所以燃烧初期与末期气流运动方向及速度增长相反的。1234341§5-2点燃式内燃机的燃烧(ránshāo)---点燃式内燃机的正常燃烧(ránshāo)精品资料24

§5-2点燃式内燃机的燃烧--预混合(hùnhé)燃烧的高速摄影精品资料25

3.点燃式内燃机燃烧(ránshāo)过程§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧---点燃(diǎnrán)式内燃机的正常燃烧精品资料26

3.点燃式内燃机燃烧过程（1）滞燃期（着火阶段）:三种定义，有一定的差别(chābié)从点火开始至缸内压力明显脱离压缩线所需的时间。以跳火作为起点直到形成设定半径火焰核心，开始传播一段时间。从点火开始至缸内10%的燃料燃烧完毕所需的时间。

§5-2点燃式内燃机的燃烧(ránshāo)---点燃式内燃机的正常燃烧(ránshāo)滞燃期影响因素：a.燃料的分子结构和理化性能、混合气成分.b.点火时缸内气体的压力、温度、气流运动以及点火能量的大小。c.过量空气系数（φa）、残余废气量。汽油-空气混合气在Φa=0.8-0.9时，滞燃期最短；参与废气量越少，滞燃期越短。对于汽油机来说，缸内着火时间可以通过控制点火提前角的办法来调整，所以滞燃期的长短对工作的影响不大。与柴油机滞燃期的情况是完全不同的。精品资料27

（2）急燃期（点2-3）—火焰核心开始出现火焰传播，至火焰遍整个(zhěnggè)燃烧室的阶段，也称为火焰传播阶段。特点：燃烧的混合气量很大，放热量急剧增加，缸内温度和压力升高很快，压力升高率达到0.2～0.4MPa／°CA。持续时间短，因燃烧放热集中于压缩上止点附近，故其热量利用情况较好。应避免点3在压缩上止点前过早出现，否则将引起压缩过程负功的增加，或产生过高的压力升高率和最高燃烧压力。一般用压力升高率代表发动机工作粗暴程度、振动和噪声水平。火焰传播速率高则可促使压力升高率增加，此外火花塞位置、燃烧室形状等对压力升高率也有影响。§5-2点燃式内燃机的燃烧(ránshāo)---点燃式内燃机的正常燃烧(ránshāo)精品资料28

（3）后燃期（点3-4）—是从最高燃烧压力点起至燃料基本烧完为止的一段时间。原因:燃料与空气的混合并非完全均匀，加上燃烧产物在高温下可能发生热分解，在火焰锋面传到末端混合气后，缸内仍有未完全燃烧的燃料存在，致使燃烧在膨胀过程中继续进行；燃烧放热量(rèliàng)很少。为提高热效率，减少燃烧污染物的排放量，应尽可能缩短后燃期。§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧---点燃(diǎnrán)式内燃机的正常燃烧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°，点3在上止点后12°-15°，压力升高率为0.175-0.25[MPa/（°）（CA）]。精品资料29

4.燃烧过程按已燃质量分数划分火焰发展期：火花塞点火到10%化学能放出所需的曲轴转角(zhuǎnjiǎo)。快速燃烧期：从已燃质量分数达到10%的点到火焰传播过程终点（通常指已燃质量分数达到90%）之间的阶段。总燃烧期：整个燃烧过程持续期§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧---点燃(diǎnrán)式内燃机的正常燃烧精品资料30

5.火焰传播速率(sùlǜ)可燃混合气着火以后，即形成火焰中心，火焰由此中心以一定的速率(sùlǜ)传播到整个燃烧室。层流火焰传播速率(sùlǜ)SL：火焰前锋相对未燃混合气沿着垂直于其表面的方向移动的速率(sùlǜ)。对发动机使用的碳氢燃料可燃混合气，SL=0.4-0.5m/s，氢燃料为3m/s。§5-2点燃式内燃机的燃烧(ránshāo)---点燃式内燃机的正常燃烧(ránshāo)湍流火焰速率ST：缸内大尺度湍流使火焰前锋面发生扭曲，使面积增大，增加混合气的参混导致火燃传播速度大大增加。精品资料31

层流(cénɡliú)火焰与湍流火焰◎层流（Re＜2300）前锋(qiánfēng)面薄且圆滑，VL＜1m/s(或1.8)◎湍流（Re=2300~6000）前锋面变厚,出现皱折VT↑,VT∝Re0.5◎强湍流（Re＞6000）严重皱折,其后有未燃区，VT↑↑，VT∝Re§5-2点燃式内燃机的燃烧---点燃式内燃机的正常燃烧精品资料32

6.着火界限由于混合气浓度过浓或过稀导致放热量过少致使火焰不能传播的两个(liǎnɡɡè)混合气浓度界限。一般点火稀限Φamax=1.3-1.4，最小值（浓限）无意义。对于浓度接近化学计量比的混合气，其成功点燃所需的能量最小Emin。混合气过稀或过浓，都会使点火所需的Emin值增加。影响因素：a点火能越小，则能够引起点燃的混合气的浓度范围越窄；增加点火能量，也可以拓宽点火界限。b提高混合气的初温，其点火的可燃界限会变宽；c降低混合气的压力，当低于大气压时其点火界限的范围会很快变窄。d具有强湍流的混合气与静止混合气相比，在同样的条件下，流速较小时，有利于将火焰核心吹离电极，使点火界限范围变宽。当流速超过某一定值时，过强对流所造成的高传热速率将使火焰核心无法(wúfǎ)建立，从而导致点火界限范围变窄。

§5-2点燃式内燃机的燃烧---点燃式内燃机的正常燃烧精品资料33

§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧---点燃(diǎnrán)式内燃机的非正常燃烧四、点燃式内燃机的非正常燃烧1.爆燃：在某种条件下，燃烧变得不正常，压力出现高频大幅度波动，火焰传播速度和火焰前锋发生急剧(jíjù)改变。外部特征：a）发出金属振音（敲缸）。b）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，工作变得不稳定，转速下降，发动机有较大振动。c）冷却系统过热。d）气缸盖温度上升。精品资料34

产生的原因：爆燃现象(xiànxiàng)就是终燃混合气的自燃现象(xiànxiàng)。§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧---点燃(diǎnrán)式内燃机的非正常燃烧火焰以正常的传播速度20～60[m/s]轻微爆燃—

100～300[m/s]

800～2000[m/s]强烈爆燃—

精品资料35

爆燃的危害：1）输出功率、热效率均降低2）发动机过热3）零件的应力增加4）爆燃促使积碳形成，容易破坏活塞环、气门和火花塞的正常(zhèngcháng)工作；压力波冲击缸壁表面，使之不易形成油膜，会导致机件加速磨损。

§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧---点燃(diǎnrán)式内燃机的非正常燃烧精品资料2.燃料(ránliào)抗爆性能的评定燃料(ránliào)的抗爆性—燃料(ránliào)对发动机发生爆燃的抵抗能力。通常用辛烷值来表示。辛烷值越高，抗爆性越好研究法辛烷值（RON）和马达法辛烷值（MON）§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧---点燃(diǎnrán)式内燃机的非正常燃烧36

调整压缩比

测量燃料辛烷值和十六烷值的发动机(CFR)精品资料37

道路辛烷值：评定燃料在汽车发动机实际使用(shǐyòng)时的抗爆能力。§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧---点燃(diǎnrán)式内燃机的非正常燃烧抗爆添加剂：四乙铅；甲醇、乙醇；甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚精品资料38

3.影响爆震的因素：令火焰传播时间t1，终燃混合气自燃时间t2运行因素：1）点火提前角—θ增加，t1减少；pZ，TZ增大，t2减少。但t2起主要作用，故爆燃倾向增加。可以用推迟点火提前角办法(bànfǎ)降低爆燃倾向。2）转速的影响—n增加，Sf增加，t1减少；吸气损失增加，温度增大，使t2减少；而冲量系数下降，pZ下降，t2增加；n增加，爆燃倾向减少。§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧---点燃(diǎnrán)式内燃机的非正常燃烧精品资料39

3）负荷—节气门关小，残余废气增大，传热损失增加，pZ下降，t2增加，故爆燃倾向减小。4）混合气浓度影响(yǐngxiǎng)—Φa=0.8-0.9时，Sf最高，t1最小；t2也最小，t2起主要作用，爆燃倾向增加，过浓过稀混合气有助于减少爆振。5）沉淀物（积碳）—积碳温度较高，使爆燃倾向增加。§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧---点燃(diǎnrán)式内燃机的非正常燃烧精品资料40

结构因素：1）气缸直径：D增大，t1增大，t2减小，爆燃倾向增加。2）火花塞安装位置：靠近排气门不易引起爆燃，远离进气工作不稳。3）气缸盖与活塞的材料：轻铝合金具有导热好特性，爆燃减轻。4）燃烧室结构：火燃传播(chuánbō)距离短、传播(chuánbō)速度高，湍流强度高的结构有助于降低爆燃。§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧---点燃(diǎnrán)式内燃机的非正常燃烧精品资料41

4.防止爆燃的方法(fāngfǎ)：1）推迟点火；2）缩短火焰传播距离；3）冷却终燃混合气；4）增加流动加速火焰传播，降低温度；5）增强燃烧室扫气。§5-2点燃(diǎnrán)式内燃机的燃烧---点燃(diǎnrán)式内燃机的非正常燃烧精品资料42

5.表面点火：凡是不依靠电火花点火，由于炙热表面点燃混合气而引起的