汽油机混合气形成与燃烧-第五章

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1、本章要求： 了解：汽油机有害排放物的生成机理与控制，汽油机燃烧室。 理解：影响燃烧的因素和措施。 掌握：汽油机混合气的形成，汽油机正常燃烧过程，爆燃和表面点火。,第五章 汽油机混合气形成与燃烧,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.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）正常：正常燃烧，才能保证发动机

2、稳定、可靠的工作,发动机的燃烧过程是将燃料的 化学能转变为热能的过程。,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,-滞燃期 -显燃期 -补燃期 图5-1 汽油机的燃烧过程,第一节 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）（影响因素P110） 从火花塞开始跳火到火焰中心形成滞燃期。 是燃烧的准备阶段，主要进行热量的积累，缸内的压力线与纯压缩线基本重合。 当反应的混合气的温度升高到一定程度后，形成发火区，即火焰中心。 从火花塞跳火瞬时到活塞行至上止点时的

3、曲轴转角，称为点火提前角，用表示。一般为2035CA。 各种因素对滞燃期长短的影响： 燃料的性质、混合气浓度(=0.80.9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。,2、明显燃烧期（速燃期）,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。,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。,火焰前锋向前推进的法向移动速度，称为火焰传播速度。火焰传播速度一般5080m/s。 混合气约8090%在此期间燃烧完毕，温度、压力迅速升高，最高压力在上止点后12A15A（循环功最多）,一

4、般占2030CA。缸内最高压力点与最高温度点重合。,最高压力过早使压缩功增大，过迟散热损失增大；过大产生振动、噪音，过小使膨胀功减少。 压力升高率：即曲轴每转1度时，缸内气体压力的平均升高量： P =P/ P =（P3-P2） =（3-2） P表征压力变化的急剧程度。 P过大，发动机振动和噪声大，工作粗暴； P在ka/A，汽油机工作柔和，性能好。,3、补燃期（后燃期）,从最高压力点到燃烧结束为补燃期。指明显燃烧期以后在膨胀过程中的燃烧，主要由火焰前锋面过后，后面未及燃烧的燃料（燃烧室边缘和缝隙）再燃烧，以及部分燃烧及高温分解的燃烧产物（H2、O2、CO等）重新氧化。 在膨胀中远离上止点放热，热

5、能不能充分利用，使i,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。,总结：,1.上述三个阶段中,火焰传播期速度对燃料燃烧速度和放热速率起决定性的作用。 要在工作柔和的条件下，尽可能地提高火焰传播速度。 2衡量发动机工作粗暴程度的指标明显燃烧期内的平均压力升高率P/， 即曲轴每转1度时，缸内气体压力的平均升高量： P/ =（P3-P2)/(3-2 ） kPa/0CA 一般使火焰中心形成点出现在TDC前12-150CA，缸内最高压力点出现在TDC后12-150CA。 P/=175 245kPa/0CA 3影响火焰传播速度的因素（见教材P111

6、） 混合气浓度、缸内气体的紊流强度、残余废气系数等。,第三节 汽油机的不正常燃烧,(一)现象 1.缸内出现尖锐的金属敲击声 2.油膜破坏,机件磨损加剧； 3.燃烧室、冷却系过热，排温增加； 4.排污增加，严重时排气冒黑烟； 5.压力线出现爆震波。,常见的不正常燃烧:爆震燃烧和表面点火。(P112),一、爆震燃烧,（二）原因,在火焰前锋到达之前,末端混合气的温度、压力超过其临界温度、压力而自燃，形成新的火焰中心,火焰传播速度加大(高达8001000m/s),使得缸内局部压力、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,（在示功图上形成锯齿形）发出尖锐的敲缸声。由于缸内局

7、部的高温、高压，造成下述后果。 (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,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 由于传热损失增加，使冷却水和润滑油温度增加，使润滑油润滑效果变差， 零件磨损加剧。实验表明，严重爆燃时磨损比正常燃烧时大27倍。 4.动力性 和经济性恶化 严重爆燃时的局部高温及

8、强烈的压力冲击波，气体向缸壁的传热量 大大增加，使热效率下降，功率降低，耗油率增加。 5、积碳增多 高温裂解产生的碳粒形成积炭， 6、排气异常 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 ，爆燃。,1、燃料因素（辛烷值） 汽油机的压缩比，应适应汽油辛烷值的要求。 抗爆剂：甲醇、乙醇、甲基叔

9、丁基醚等 2、运转因素（点火提前角、转速、负荷、混合气浓度、燃烧室沉积物）（P116图分析） 发动机转速增加，进气速度加快，压缩终了气体的紊流度提高，火焰传播速度加快，爆燃程度减弱； 气缸残余废气多，会使混合气自燃温度提高，着火延迟期加长，可减弱爆燃； 过量空气系数在0.850.95时，自燃温度低，着火延迟期短，爆燃最严重；点火提前角度大，易爆燃； 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。影响混合气的温度和压力 3、结构因素（气缸直径、火花塞位置、汽缸盖和活塞材料、燃烧室结构） 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

10、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。,（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,二、表面点火或热面点火,表面点火：在汽油机中，不是靠火花塞点燃，而是由燃烧室内炽热表面（如过热的火花塞电极、排气门、积碳等）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 表面点火出现在火花塞点火之后。点火后，在火焰传播过程中，炽热表面在火焰到达前点燃混合气，其火焰以正常速度向未燃气体推进。断火

11、后发动机续转就是这种现象。 2）早燃 表面点火出现在火花塞点火之前。炽热表面温度较高，在点火前，点燃混合气。由于点燃区域较大，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， 散热量, 有效功率。 另外高温、高压加重了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, 与爆燃的区别 沉闷的“敲缸声”。 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

12、起的 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。沉积物被高温火焰包围，急剧氧化而白炽化，将混合气点燃。 压力升高率高5倍，最高压力高150%,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。 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： 汽

13、油对发动机发生爆燃的抵抗能力，用辛烷值表示，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 表征汽油的汽化难易程度。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，由于燃烧开始时活塞已下行，燃烧容积较大，燃气与气缸接触面积大，导致: (1) 损失一部分膨胀功。 (2)燃烧在膨胀过程中进行，后燃量增大。 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

14、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，Ne 、ge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,用过量空气系数表示。,1）=0.85-0.95时，火焰传播速度u最大,用此混合气时，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 0.85为过浓混合气 火焰传播界限： 0.51.3。,图5-7 对火焰传播速度的影响,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

15、分在排气管口与空气相遇而激烈氧化，排气管放炮。 =0.40.5为火焰传播上限。,3）=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。=1.31.4为火焰传播下限。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Ne与燃油消耗率ge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。,nt1 v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。,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 末端混合气的焰前反应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