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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
2、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2030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： 200300kpa 喷射时间排气终了上止点前： 10100CA 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 -点火提前角,一、示功图上的关键点,-着火延迟
3、 -显燃期 -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(=0.850.95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
4、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2035CA。,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2030CA。 混合气约8090%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12A15A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
5、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=0.40.5m/s） 影响VL因素：温度、压力、a（ 0.850.95最快）、 r、燃料等 (当n=50008000r/min时，燃烧时间12ms，要求速率3070m/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5080m/s 湍流不高时，与湍流强度成线性；高时成非线性
6、 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（P） ：即曲轴每转1度时，缸内气体压力的平均 升高量。 P =dp/d,P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P相关。 汽油机P在0.20.4a/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
7、混合气量。,T-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it，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30007000Hz的金属振音； 2.油膜破坏,机件磨损加剧
8、； 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8001000m/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
9、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20002500，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200300 。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
10、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 ，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r ，混合气自燃温度，着火
11、延迟期爆燃减弱； 混合气浓度， a在0.850.95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,降低水温和进气温度 降低末温 降低压缩比 推迟点火 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。
12、,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P较大； 发动机易过热。,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, 早燃与爆燃的区别 沉闷的“敲缸声”（低频敲缸6001200Hz）。 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
13、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 选用低沸点汽油和含胶质少的机油。 在燃料中加抑制热面点火的添加剂。 适当降低压缩比。 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
14、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,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,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
15、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/min,2混合气成份过量空气系数a,a对火焰传播速度的影响,1） a =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 a 0.85为过浓混合气 火焰传播界限： 0.5 a 1.3,2）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。 a =0.40.5为火焰传播上限。,3） a =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。 a =1.31.4为火焰传播下限。 a 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
