发动机原理课件-第五章汽油机混合气形成与燃烧1

本章重点：1、汽油机正常燃烧过程。2、爆燃和表面点火。3、影响燃烧的因素。了解：＊汽油机混合气的形成＊有害排放物的生成机理与控制＊汽油机燃烧室。第五章汽油机混合气形成与燃烧引言

1.燃烧过程的重要性

燃料燃烧完全的程度，直接影响到热量产生的多少和排出的废气的成分；而燃烧时机又关系到热量的利用程度。所以，燃烧过程是影响发动机的动力性、经济性和排气污染的主要过程，同时与噪声、振动、启动性能和使用寿命也有重大关系。2.对燃烧过程的要求

1）燃烧完全，释放出尽可能多的热能，减少废气中的有害物质。2）燃烧及时，使放热集中在上止点附近，提高热功转换能力。3.燃烧过程的研究方法

高速摄影法、示功图法第一节汽油机混合气的形成1、传统化油器式汽油机混合气形成一般采用下吸式化油器混合气形成初始位置：喉管处※喉管处，空气的流速约为燃油流速的20~30倍，燃油被粉碎成直径约0.1mm的油滴，增大了空气与燃油的接触面积。1、汽油喷射式汽油机混合气形成一般采用多点、间歇燃油喷射喷射系统的压力一般为：200~300kpa喷射时间排气终了上止点前：10~100°CA混合气形成初始位置：进气门处。※进气门处，喷油器将燃油以雾状喷入，与进入的空气形成均质预混合气。1、火花塞跳火2、缸内压力线偏离纯压缩线的始点3、缸内最高压力点θ-点火提前角一、示功图上的关键点

Ⅰ-着火延迟Ⅱ-显燃期Ⅲ-后燃期

汽油机的燃烧过程第二节汽油机的正常燃烧汽油机的燃烧过程：指从点火开始到燃料基本烧完为止的过程。二、燃烧过程的几个阶段

1、滞燃期（着火落后期或着火延迟期）-火焰发展阶段

从火花塞开始跳火到火焰中心形成→着火落后期。

或：从火花塞开始跳火到缸内的压力明显脱离压缩线。＊火花塞跳火（10-15kV）后，氧化反应需要一定时间。当混合气局部温度升高到一定程度后（3000K），形成发光区，即火焰中心。＊缸内的压力线与压缩线基本重合。影响着火落后期的因素：

燃料的性质、混合气浓度(=0.85～0.95最短)、火花塞跳火时缸内压力及温度、电火花强度等。另外，与残余废气量、缸内混合气的运动等因素有关。※从火花塞跳火瞬时到活塞行至上止点时的曲轴转角，称为点火提前角，用表示。一般为20—35ºCA。2、急燃期（明显燃烧期或显燃期）

-火焰的传播阶段从火焰中心形成到示功图上的压力达到最高点为止称为明显燃烧期。

或：从火焰中心形成到火焰传遍整个燃烧室

＊火焰前锋扫过整个燃烧室，一般占20—30ºCA。＊混合气约80—90%在此期间燃烧完毕。＊温度、压力迅速升高，出现最高压力点(＜5MPa)与最高温度点。＊最高压力点与最高温度点有时重合。＊出现最高压力点的时刻对功率和经济性有重大影响。※最高压力的位置非常重要！上止点后12℃A~15℃A循环功最多在均质混合气中，当火焰中心出现后，与其临近的一薄层混合气首先燃烧即形成极薄的火焰层，称为火焰前锋。火焰传播—以火核为中心呈球面波形式向周围扩展。分：层流火焰传播、湍流火焰传播层流火焰传播速度VL：火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度。（火焰层薄，VL=0.4～0.5m/s）影响VL因素：温度、压力、Φa（0.85～0.95最快）、Φr、燃料等(当n=5000～8000r/min时，燃烧时间1～2ms，要求速率30～70m/s)湍流火焰传播速度VT—汽油机火焰传播以湍流火焰方式进行

湍流不高时：VT=VL(1+0.00197n)＊火焰前锋皱折，火焰层厚，湍流火焰传播速度一般50—80m/s＊湍流不高时，与湍流强度成线性；高时成非线性＊提高湍流强度可改善燃烧，但太强，VT降低，会出现火焰猝熄，HC排放增加。**湍流—是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中的流体的速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。从物理结构上，是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的，这些漩涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。压力升高率（λP）

：即曲轴每转1度时，缸内气体压力的平均升高量。

λP=dp/dφ＊λP表征压力变化的急剧程度。＊显燃期内平均压力升高率—衡量发动机工作粗暴程度的指标＊发动机的振动和噪声、火焰传播速率与λP相关。＊汽油机λP在0.2～0.4ＭＰa/℃A，工作柔和，性能好。明显燃烧期内平均压力升高率：燃烧速度：单位时间燃烧的混合气量。ρT-未燃混合气密度AT-火焰前锋面积3、后燃期（补燃期）

从最高压力点到燃烧结束为后燃期。＊火焰前锋后面没有燃烧的燃料，以及附在气缸壁上的混合气层继续燃烧，此外，以及部分燃烧及高温分解的燃烧产物（H2、O2、CO等）重新氧化放热。＊在膨胀过程中的燃烧，活塞远离上止点，压力下降。＊远离上止点放热，热能不能充分利用。＊后燃期长，则使ηit↓，Pe↓，be↑，且排气温度↑，散热量↑。过长，会造成发动机过热，排气管“放炮”。＊希望后燃期尽可能短，后燃放热量尽可能少。第三节汽油机的不正常燃烧(一)特征1.出现尖锐的金属敲击声，发出3000—7000Hz的金属振音；2.油膜破坏,机件磨损加剧；3.燃烧室、冷却系、排气温增加；4.严重爆震时Pe下降、be升高；（轻微爆震时Pe上升、be下降）5.排污增加，严重时排气冒黑烟；6.振动加剧，压力线出现爆震波。爆燃时的示功图常见的不正常燃烧:爆震燃烧和表面点火。一、爆震燃烧（二）原因

在火焰前锋到达之前,末端混合气受压缩和辐射的作用使温度、压力超过其临界温度、压力，产生自燃。＊末端混合气自燃，形成新的火焰中心,火焰传播速度可达800—1000m/s（强烈爆震）,缸内局部压力、温度急剧升高,压力来不及平衡,形成冲击波（激波）,冲击波反复撞击缸壁（频率可达3000Hz-5000Hz）,发出尖锐的敲缸声。＊激波来回反射，在示功图上形成锯齿形。＊大于5%的混合气自燃，足以引起激烈的爆燃。※重载爬坡、急加速时易爆震，换低挡以提高发动机转速可消除爆震。（三）危害（强烈爆震）1、机件过载冲击负荷大，机件的机械负荷增加，使机件变形损坏。噪声增大。2、机件烧损汽油机燃烧终了的温度为2000~2500℃，由于冷却水和气体附面层的作用，活塞顶、燃烧室壁和缸壁的温度保持在200~300℃。爆燃冲击波破坏燃烧室内附面层和局部高温，使活塞头和气门等烧损，同时会引起发动机过热。3、润滑变差发动机过热，使润滑效果变差，使磨损加剧。4、积碳增多高温裂解产生的碳粒形成积炭，5、Pe下降、be上升另外，高温裂解使燃烧产物分解为CO、H2、O2、NO及游离碳增多，排气冒烟严重。CO、H2、O2等膨胀过程中重新燃烧，使排温增高。（四）影响爆燃的因素

有燃料因素、使用因素、结构因素等。为便于分析，假定：t1

-从火焰中心形成起到火焰前锋传到末端混合气为止的时间。t2

-从火焰中心形成起到末端混合气自行着火的时间。所以：

当t1<t2不爆燃，当t1>t2，爆燃。1、燃料因素

汽油机的压缩比，应适应汽油辛烷值的要求。2、运转因素＊点火提前角（BTDC）

↑，混合气的温度和压力↑—易爆燃；＊转速↑，进气速度↑，压缩终了气体紊流度↑，火焰传播速度↑，—爆燃程度减弱；＊负荷↑，进气量↑，混合气的温度和压力↑—易爆燃；＊残余废气Φr↑，混合气自燃温度↑，着火延迟期↑—爆燃减弱；＊混合气浓度，Φa在0.85~0.95时，自燃温度低，着火延迟期短—爆燃最严重＊缸内积碳↑，使热阻加大，壁面温度升高，实际压缩比增加—爆燃加重（五）减轻爆燃的措施①降低水温和进气温度②降低末温③降低压缩比④推迟点火⑤增多残余废气3、结构因素＊燃烧室结构能使压缩终了气体紊流速度提高，火焰传播速度加快，能避免爆燃；＊火花塞的位置和数目使火焰行程缩短，可减少爆燃；＊使末端气体接触的燃烧室壁强冷却，可减少爆燃；＊采用小直径的气缸，不易爆燃。二、表面点火或热面点火定义：在火花点火式汽油机中，凡是不依靠火花塞点火，而是由燃烧室内炽热表面（如过热的火花塞电极、排气门、积碳）点燃混合气的现象。早燃或早火—在火花塞跳火之前后燃或后火—在火花塞跳火之后分非爆燃性表面点火爆燃性表面点火1、非爆燃性表面点火-火焰以正常速度传播1）后燃＊点火后或不点火，炽热表面在火焰到达前点燃混合气；＊

断火后发动机续转就是这种现象。2）早燃

＊炽热表面温度较高，在点火前，点燃混合气。＊点燃区域较大，火焰传播速度快，P和λP较大；＊发动机易过热。⑴早燃的危害＊压缩负功↑，＊缸内温度↑，＊与缸壁接触面积↑,

→散热量↑,有效功率↓。＊活塞连杆组的机械负荷、热负荷↑,使用寿命↓。

图5-4早燃时的示功图⑵早燃与爆燃的区别①沉闷的“敲缸声”（低频敲缸600—1200Hz）。②被炽热表面点燃，无压力波产生，而爆燃时为自燃，有压力波产生。

另外:爆燃早燃缸内炽热表面产生缸内温度、压力升高※非爆燃性表面点火大体是发动机长时间高负荷运转引起的。2、爆燃性表面点火（激爆）＊热面点火后火焰以爆燃速度传播＊由燃烧室沉积物引起的＊压力升高率高5倍，最高压力高150%原因：发动机低速、低负荷运转时，燃烧室表面极易形成导热性很差的沉积物。高速、大负荷时，沉积物被高温火焰包围，急剧氧化而白炽化，将混合气点燃。加速时，气流吹起已着火的碳粒产生多点着火，使混合气激烈燃烧。3、影响热面点火的因素及预防措施

凡是能使缸内的T、P降低的因素，都可预防热面点火①选用低沸点汽油和含胶质少的机油。②在燃料中加抑制热面点火的添加剂。③适当降低压缩比。④选用合格的火花塞、排气门。4、小结：爆燃

表面点火末端混合气自燃炽热表面点燃火花塞跳火之后火花塞跳火之前、后有压力冲击波无压力冲击波敲击声较清脆敲击声较沉闷

二者又相互联系，相互促进。第四节影响燃烧过程的因素

一、燃油的影响1、汽油的抗爆性＊辛烷值越高，抗爆性越好。＊填加各种添加剂，可提高汽油的辛烷值。2、汽油蒸发性＊蒸发性越强，与空气混合越均匀，混合气燃烧速度越快，易于完全燃烧。＊但蒸发性过强，易产生气阻。1.点火提前角θ

θ过大→发动机过热；功率↓；缸内最高温度、压力↑；爆燃倾向↑。

图5-5点火提前角对示功图的影响二.使用因素的影响

θ过小

则燃烧容积较大，燃气与气缸接触面积大，损失一部分膨胀功；后燃量增大。导致:→散热损失大，排气温度过高，发动机过热，功率下降。但缸内温度、压力的降低,使t2增大,爆燃倾向减小。

※最佳点火提前角：在一定的发动机负荷、转速下，对应最大的功率和最低的燃油消耗率的点火提前角。

点火调整特性：

在一定的发动机转速、一定的节气门开度下，Pe与be随点火提前角的改变而变化的规律。a）节气门全开b）转速n=1600r/min2．混合气成份—过量空气系数Фa

Фa对火焰传播速度的影响1）Фa

=0.85-0.95时，火焰传播速度u最大,发动机的功率达最大，故称功率混合气。＊供给功率混合气时,爆燃倾向加大＊

Фa

<0.85为过浓混合气＊火焰传播界限：0.5<Фa

<1.32）低负荷或怠速时→较浓的混合气＊残余废气多，会引起断火；燃烧速度慢，发动机易过热；高温未燃成分在排气管口与空气相遇而激烈氧化，排气管放炮。＊

Фa

=0.4~0.5为火焰传播上限。3）Фa

=1.05-1.15时，为经济混合气＊燃烧最完全，热效率最高，油耗最低。＊但混合气过稀，燃烧缓慢，含氧高的高温废气能点燃进气管新鲜混合气→化油器回火。＊

Фa

=1.3~1.4为火焰传播下限。＊

Фa

>1.15为过稀混合气4)混合气成份调整特性:

＊在汽油机转速，节气门开度一定，点火提前角最佳时,性能指标(功率Pe与燃油消耗率be等)随混合气成份而变化的规律。3.发动机转速n

图5-9涡流状况对火焰传播速度的影响

a)无涡流b)有涡流※

n↑→最佳点火提前角↑（图5-6），所以发动机上装有离心式点火自动提前装置。＊

n↑→ηv↓→缸内r↑→末端混合气的焰前反应↓→t2↑→爆燃倾向↓。＊所以发动机在低速运转时最易发生爆燃。＊

n↑→缸内混合气的涡流运动（紊流）↑,燃料与空气的混合得到改善；压缩过程的放热量↓→缸内压力、温度↑→火焰传播速度↑→t1↓

。4.发动机负荷＊负荷↑→缸内温度、压力↑，残余废气相对减少→滞燃期↓→t1

↓→末端混合气焰前反应↑→t2↓→爆燃倾向↑。＊负荷↑→燃烧所占的曲轴转角↑→最佳点火提前角↓。（图5-6）※发动机在低负荷时，爆燃倾向减小，应增大点火提前角，所以发动机上装有真空式点火提前装置。5.其他因素＊进气温度↑、冷却水温度↑、燃烧室壁积碳、进气压力↑→爆燃倾向↑。总之，发动机在低速、大负荷时，最易发生爆燃。※在使用中，调整点火提前角应在低速、大负荷工况下进行。三、结构因素的影响（一）压缩比

1、ε↑时：缸内燃烧的最高温度、最高压力↑，ηit↑

be↓但末端混合气易自燃，爆燃倾向↑，表面点火倾向↑。

2、ε↑→Pe↑、be↓，但受到爆燃的限制。要防止爆燃：a.改进燃烧室的设计；b.提高汽油的辛烷值。（二）燃烧室1.对燃烧室的要求：

1)容积分布要合理

要有适宜的放热规律适宜的放热规律能够使燃油释放的热量充分利用,发动机工作柔和，运转平稳，即：

＊燃烧初期压力升高率小，工作柔和；

＊燃烧中期急剧放热，循环功大；

＊燃烧后期补燃少，ηit↑※放热规律:燃油燃烧时的放热率随曲轴转角而变化的规律。图5-10燃烧室容积分布对燃过程的影响

2)应具有良好的抗爆性。A.结构尽量紧凑面容比小（烧室表面积与容积之比）火焰传播距离短，爆燃↓散热面积小，ηit↑激冷区小，HC↓

B.燃烧室内的混合气要有适当的涡流强度(进气涡流、挤气涡流)。进气涡流：利用进气口和进气道的形状（切线和螺