第4章汽油机混合气形成与燃烧

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1、第四章 汽油机混合气的形成与燃烧,第一节 汽油的使用性能 第二节 燃烧热化学 第三节 汽油机燃烧过程 第四节 使用因素对燃烧过程的影响,柴油和汽油都是石油的炼制品，主要成分是碳、氢两种元素，含量约占97-98%，其他还有少量的硫、氧、氮等。 石油产品分子式为CnHm，通常称为“烃”。 根据烃分子中碳原子数的不同，可构成不同相对分子质量、不同沸点的物质。 利用沸点不同直接进行分馏，依次得到：石油气-汽油-煤油-轻、重柴油-渣油等。,发动机传统的燃料是汽油和柴油,烃分子中碳原子数的影响,C原子数 沸点 品种 相对分子质量 理化性质 C1C4 常温 石油气 1658 质轻 C5C11 50200 汽

2、油 95120 挥发性强 C11C19 180300 煤油 100180 粘度减小 C16C23 250360 轻/重柴油 180200 化学安定性好 C23以上 360以上 渣油 220280 自燃性差 点燃性好 ,烃分子化学结构,烷烃：直链式结构热稳定性差，容易自燃；支链式结构抗爆性好。 不饱和烃：常温化学安定性差，易氧化。 环烷烃：环状分子结构，热稳定性和自发火温度均较高，抗爆性好，是良好的汽油机燃料。 芳香烃：含苯基结构，热稳定性高，是良好的汽油机抗爆剂。石油中含量少，炼制中常增多芳香烃含量。,第一节 汽油的使用性能,1、辛烷值（很重要的使用性能） 辛烷值表示汽油抗爆性。汽油的辛烷值高

3、，则抗爆震的能力强。 评定：用抗爆性好的异辛烷（辛烷值为100）和容易爆燃的正庚烷（辛烷值为0）按不同比例混合组成标准燃料组（混合液），将被测定汽油在相同条件下与标准燃料进行燃烧比较，标准燃料组中异辛烷含量的体积百分数就是被测汽油的辛烷值。,国产汽油是以辛烷值（研究法RON）进行标号的。,依据辛烷值的多少，其标号为：90、93、95、97； 目前市场上供应的汽油为： 90、93、97。 为了提高汽油的辛烷值，常使用抗爆添加剂。 常用抗爆添加剂：四乙铅。 四乙铅有剧毒，以颜色标明。,2、蒸发性（挥发性）,汽油是多种烃类的混合物，没有一定的沸点。汽油馏出温度的范围称为馏程，用于评价汽油的蒸发性。

4、10%馏出温度：标志起动性；该温度过低，易产生气阻； 50%馏出温度：标志平均蒸发性，它影响着发动机的暖车时间、加速性以及工作稳定性； 90%馏出温度：标志着燃料中含有难于挥发的重质成分的数量。,第二节 燃烧热化学 （只研究燃料中各种成分和空气中的氧进行化学反应的最终结果）,一 、燃料的完全燃烧 1、理论空气量 1）目的：1kg燃料完全燃烧所需要的空气量。 2）已知条件：1 kg燃料中含 kg 碳， kg 氢气， kg氧气。 汽油： kg/kg， kg/kg， kg/kg。 柴油： kg/kg， kg/kg， kg/kg。,3）化学反应方程式,4）需要总的氧气量 12 32 44 4 32 3

5、6 9,1kg燃料完全燃烧所需要的空气量（设含有 kg的氧）,以重量计 数值为：汽油14.9kg/kg；柴油13.6kg/kg。 以莫尔计,kmol/kg燃料,kg/kg燃料,2、过量空气系数和空燃比,1）过量空气系数 ：表示混合气的浓稀程度。 大混合气稀； 小混合气浓。 一般，柴油机：1；汽油机：1。 对于柴油机，1有利于完全燃烧，高速柴油机， =1.2-1.6。,2）空燃比 A/F,空气量与燃料量之比。 空燃比：表示混合气的浓稀程度。 A/F大混合气稀，A/F小混合气浓。,二、燃料的不完全燃烧,1、1的不完全燃烧 主要发生在柴油机上，因混合气形成时间短，混合气不均匀造成，导致局部缺氧。 须

6、要解决好燃料与空气的混合问题。,三、燃料和可燃混合气的热值,燃料的热值 1 kg 燃料完全燃烧所产生的热量kJ。有高、低热值之分。 高热值：加入水的汽化潜热的热值。 低热值：不加入水的汽化潜热的热值。 发动机缸内高温，水只能以气态存在，故应取不加入水的汽化潜热的热值，即低热值。 汽油： kJ/kg，柴油： kJ/kg。,可燃混合气的热值,燃料的低热值与单位燃料形成的可燃混合气数量之比。 对汽油形成的混合气：Hu=3750kJ/m3 对柴油形成的混合气：Hu=3750kJ/m3,第三节 汽油机燃烧过程,一、概述： 混合气的形成：在气缸外部的进气管（或进气道）内，利用喷嘴或化油器使空气和燃油混合，

7、形成混合气。 混合过程：从燃料与空气开始接触开始，直至火花塞跳火前止。,着火方式：,混合气进入气缸后，到压 缩行程终了时已大致构成均 质混合气，再经电火花点火 进行燃烧。 近年来汽油机发展，涌现 出一些新型燃烧系统，如： 稀薄燃烧系统、非均质混合气燃 烧系统、缸内喷射技术等。,二、正常燃烧过程,电火花点燃均匀的可燃 混合气，形成火焰中心，并 且火焰从此中心按一定的速 率（一般为2060 m/s）连 续地传播到整个燃烧室空间， 在此期间火焰传播速率，火 焰前锋形状均没有急剧的变 化，称之为正常燃烧。,1、正常燃烧过程分三个阶段：,、着火延迟期（12点）,从电火花跳火形成火焰中心。 1点以前为压缩

8、过程，缸内压力升高不大。 1点火花塞跳火； 2点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。 为什么要提前点火？ 因为存在燃烧延迟，为使燃烧在上止点附近完成，压力最高点出现在上止点后某一合适角度，必须要设置提前点火角。,混合气氧化反应需要一定的时间,火花塞在点跳火之后，并不马上形成火焰中心 ，而要进行氧化反应即延迟一定时间（哪怕该时间非常短，但一定存在）后形成火焰中心进行燃烧 。 特点：该期内放热不多，压力升高不大，气缸中的压力变化基本上与压缩过程相同。,II、明显燃烧期（急燃期）（23点）,这一阶段为燃烧过程的主要阶段。 在此时间内，火焰迅速传遍整个燃烧室，混合气的绝

9、大部分（80%以上）在此时期内完成燃烧，燃料的热能绝大部分在此时间内放出（这与柴油机不同，柴油机随喷随燃，在上止点以后还在向缸内喷入燃料）。 缸内压力、温度迅速升高， MPa/degCA。,代表工作粗暴的程度，它与火焰传播速率有关。,火焰传播速率， 。 工作粗暴，噪声。 在汽油机中，火焰传播速率是一个重要参数，它直接影响燃烧过程的状态（正常燃烧与不正常燃烧），从而影响发动机的功率、效率和使用寿命。 特点：活塞位于上止点附近，燃烧迅速，放热，气缸容积变化很小，缸内压力、温度。,III、补燃期（34点）,3点燃料基本燃烧完。 II期内未燃尽的可燃气在此阶段继续燃烧，但燃烧速度变慢，热量利用率降低，

10、活塞下行，使缸内p 。 汽油机的补燃比较轻。 小结：为了保证汽油机工作柔和，动力性好，一般应使2点处于上止点前1215，3点处于上止点后1215， MPa/degCA。,汽油机正常燃烧过程,是唯一地由定时的火花塞点火开始，且火焰前锋以一定的正常速度传遍整个燃烧室。,2、燃烧速度,燃烧速度是指单位时间燃烧的混合气量。 控制燃烧速度就能控制明显燃烧期的长短及其相对曲轴转角的位置。,影响燃烧速度的因素,火焰速度UT, 气体的紊流运动, 混合气成分, 混合气初始温度,火焰前锋面积AT,可燃混合气密度T,3、不规则燃烧,在稳定正常运转的情况下，各循环之间的燃烧变动和各气缸之间的燃烧差异。 各循环间的燃烧

11、变动 各缸间燃烧差异,4、燃烧室壁面的熄火作用,产生机理：燃烧室壁面附近的火焰不能传播，在熄火区内存在大量未燃烧的烃，它是汽油机排气中HC的主要来源之一。 控制措施： 减小熄火厚度 减小燃烧室的面容比FV,三、不正常燃烧,1,爆 燃,1、爆震燃烧,现象：火焰中心形成后，火焰在传播过程中，末端混合气受到已燃气体的作用（压缩、热辐射），在正常火焰未到达前形成了新的火焰中心而发生自燃。,不同燃烧状况缸内压力变化比较,1）外部特征：, 发出特殊尖锐的金属敲击声（因局部高压形成的压力冲击波，以超音速的速度向前推进，撞击缸壁而引起强迫振动形成）； 轻微爆震时，功率稍（更接近等容燃烧）； 强烈爆震时，功率，

12、工作变得不稳定（发抖），n ,产生振动，油耗上升，排温；,燃烧室和冷却系过热,（因润滑油膜遭到破坏，使冷却水、润滑油温度）； 冒黑烟（未能燃烧的碳粒析出） 如果对气缸压力进行测量，气缸压力曲线出现爆震波。,2）产生的原因, 缸内末（终）端混合气发生自燃 。 未燃混合气受到强烈的压缩和热幅射。处于最后燃烧位置上的那部分末端混合气（end gas），由于热幅射作用，促使加速氧化反应，以致在正常火焰尚未到达时，末端混合气最适于发火的部位已经形成了一个或几个火焰中心，以远大于正常燃烧火焰前锋面推进的速度向周围传播而燃烧。 本质：末端混合气自燃。,3）危害,局部高压冲击波，引起冲击负荷，破坏润滑油膜；

13、局部高温：T高达40000C，燃烧产物分解，C、CO、H2、2、NO； C、CO、H2 遇氧后继续燃烧，形成补燃，使排温，散热损失增加。 缸盖、活塞顶温度，导致工作部件损坏，冷却系过热； 易形成积炭，损坏排气门、活塞等； Pe，效率。,4）常易发生的工况,低速、节气门全开（如低速大负荷爬长坡）。 5）防止措施 若火焰传播时间为t1，焰前反应时间为t2， 当t1t1。,影响爆燃的因素,压缩比 、燃料品质、燃烧室结构、点火时刻、混合气成分、转速、负荷等。 在一定时，燃料品质具有决定性意义，这就是汽油机随不同时对汽油牌号有不同要求的原因所在。 使用方面：注意消除燃烧室内积炭。,2、表面点火,在火花点

14、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、排气阀，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，均称为表面点火或炽热点火。 这种点燃不能控制，燃烧开始过早。 特点：缸内压力增长很快， 较正常值大。 危害：产生低频（沉闷）的金属敲击声，机件负荷，功率，火花塞、活塞等零件过热，使用寿命。,与爆燃的区别：缸内不产生压力波动；,与爆燃的联系：在9、n较高时，表面点火诱发爆燃；爆燃又会让更多的炽热表面温度升高，促使更剧烈的表面点火，两者互相促进，危害可能更大。 表面点火现象较多在出现在 9的强化汽油机上，目前由于控制排放等要求，汽油机大都降到9以下，因此对表面

15、点火的重视程度相应下降。,第四节 使用因素对燃烧过程的影响,1、混合气浓度（过量空气系数 值） 在 =0.8-0.9时，Pe达最 高值，且爆燃倾向最大； 在=1.03-1.1时，be最低； 当0.8及1.2时， 经济性差，HC排放量增多 且工作不稳定。,第四节 使用因素对燃烧过程的影响,1、混合气浓度（过量空气系数 值）,在=0.850.95时:,Pz、Tz、p/、Pe均达最高值，动力性最好； 爆燃倾向增大； 不完全燃烧，CO排放量，油耗，热效率。,在=1.05-1.1时:,燃料燃烧完全，be最低，经济性最好； 缸内温度最高且有富裕空气，NOx排放量大。 在1.2时： 火焰速度缓慢，燃料不完全燃烧，经济性差； HC排放量增多； 工作不稳定。,2、点火提前角,从发出电火花到上止点间的曲轴转角。 过大（点火过早），大部分混合气在压缩过程中燃烧，活塞所消耗的压缩功增加，且 升高，末端混合气燃烧前的T增加，