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1、第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,发动机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程。 对燃烧过程的要求： （1）完全：燃烧完全，才能充分利用燃油的热能；同时影响排出废气的成分。 （2）及时：在上止点附近燃烧（即在上止点后1215CA燃烧完毕），循环功最多。 （3）正常(点火)：正常燃烧，才能保证发动机稳定、可靠的工作。,一般汽油机是在气缸的进气管内，利用喷嘴或化油器使空气和燃油混合，进入气缸后，到压缩行程终了时已大致形成均质混合气，并以电火花点火燃烧。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,1 汽油机的燃烧过程 一、正常燃烧过程 研究方法有：测取展开示功图、高速摄影、模拟装置； 正常燃烧过程进行情
2、况 通常测取燃烧过程的展开示功图研究燃烧过程。在燃烧压力线上， 1点为火花塞跳火点， 2点为出现火焰中心， 3为最高压力点。 将燃烧过程分为三个阶段： 着火延迟期、 明显燃烧期 和后燃期/补燃期。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,1、着火延迟期 从火花塞跳火到形成火焰中心时的时间或曲轴转角。 特点： （1）火花放电时两极电压达1015kV，局部温度可达3000K，加快了混合气的氧化反应速度。 （2）此阶段缸内压力无明显升高。,着火延迟期的长短与以下因素有关： 1）混合气成分 混合气过量空气 为0.80.9(浓)时，着火落后期最短。 2）开始点火时的缸内气体温度和压力 开始点火时缸内气体温度和
3、压 力越高，着火落后期越短。（怠速） 3）缸内气体流动 加强紊流运动，会加快混合气的氧化反应速度，着 火落后期缩短。,4）火花能量 加大火花能量，着火落后期缩短。 5）残余废气量 残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使着火落后期变长 所以应尽量减少残余废气。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,点火提前角：是指从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角。可用其表示点火时刻。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,2、明显燃烧期 从形成火焰中心到最高压力出现。 在均值混合气中，当火焰中心形成之后，火焰向四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前锋，从火焰中心开始层层向四周未燃混合气传播，直到连续不断的火焰前锋扫过整
4、个燃烧室。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,火焰传播速度：火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度。车用汽油机，燃烧室的火焰传播速度可达5080m/s。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,常用平均压力升高率pkPa CA 表征压力变化的急剧程度。,式中：p明显燃烧期始点和终点的气体压力差（kPa）; 明显燃烧期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差。 汽油机的p在200400 kpa/()的范围内。,明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期。明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好，但可能导致压力升高率值过高，工作粗暴，对排污亦不利。 一般明显燃烧期约占2040曲轴转角，燃烧最高压力出现在上
5、止点后1215曲轴转角，p=175250kpa/()为宜。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,3、补燃期 从最高压力点开始到燃料基本燃烧为止称为补燃期。,在此阶段参加燃烧的燃料主要有 （1）火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧。 （2）贴附在缸壁未燃混合气层的部分燃烧。壁温低，易对熄火 产生在大量未燃烃，随后在 膨胀中部分未燃烃继续燃烧。 （3）高温分解燃烧产物（H2、O2 CO等）重新氧化，在膨胀中， 因工质温度下降，热分解产物 又继续燃烧、放热。 这种燃烧已远离上止点， 应尽量减少。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,二、燃烧速度 燃烧速度是指单位时间燃烧的混合气量，可以表达为,式中 t未燃混合
6、气密度； t火焰传播速度， At火焰前锋面积。,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。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,影响燃烧速度的因素有： 1）火焰传播速度t 火焰传播速度是决定明显燃烧期长短的主要因素。现代汽油机的t可高达5080m/s。影响t的主要因素是： 燃烧室中气体的紊流运动 混合气成分 混合气初始温度。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,（2）混合气成分不同，火焰传播速度也明显不同，如图所示为实验所得火焰传播速度与过量空气系数的关系。,当=0.8595时，火焰传播速度最大，燃烧速度最快，功率也最大，称为功率混合比。 当=1
7、.031.1时，火焰传播速度较大，氧气又充足，燃烧完全，称为经济混合比。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,火焰传播下限： 1.3-1.4时，火焰传播速度降低，甚至不能传播。 火焰传播上限： 0.4-0.5时，混合气过浓，也使火焰不能传播。 为了保证可靠的工作，汽油机的在0.6-1.2范围，即空燃比A/F=9-18。,（3）混合气初始温度：混合气初始温度高，火焰传播速度增加。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,2）火焰前锋面积At 利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合，可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积，以调整燃烧速度。它直接影响到明显燃烧期相当曲轴转角的位置及燃烧速度变化的情况，与压力上
8、升密切相关。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,3）可燃混合气密度t 增大未燃混合气密度，可以提高燃烧速度，因此增大压缩比和进气压力等，均可加大燃烧速度。,三、汽油机的不规则燃烧 汽油机的不规则燃烧是指在稳定正常运转情况下，各循环之间的燃烧变动和各缸之间的燃烧差异。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,（一）、各循环之间的燃烧变动 各循环之间的燃烧变动主要是燃烧的不稳定性，表现为循环的压力波动。如图示出不同循环的气缸压力变化情况。从中可以看到变化较大，低负荷时情况更严重。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,这种循环间的燃烧变动使汽油机空燃比和点火提前角调整对每一循环都不可能处于最佳状态，因而油耗
9、上升，功率下降，不正常燃烧倾向增加，使汽油机性能下降。 产生这种现象的主要原因是：火花塞附近混合气的混合比和气体紊流性质、程度在各循环均有变动，致使火焰中心形成所用的时间不同，即由有效着火时间变动而引起的。,对各循环之间的燃烧变动的现象的机理至今还不十分清楚，但可以肯定（1） =0.8-0.9时循环燃烧变动最小，混合气加浓或减稀变动均增加。因此，为了减少排气中的CO而运用稀混合气时，即使在较高负荷也容易发生循环变动，成为用稀混合气的障碍。（2）在中等负荷以上变动较小，低负荷时，残余废气量相对增多，变动更为明显。（3）加强紊流有助于减少变动，因此转速增加，一般变动减小。（4）加大点火能量，采用多
10、点点火，情况有所改善。（5）点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,（ 二） 各缸之间的燃烧差异 各缸之间的燃烧差异主要是由于燃料分配不均使空燃比不一致造成的。 影响混合气分配不均匀的因素很多，总的来说，与进气系统所有零件的设计和安装位置都有关系，任何不对称和流动阻力不同的情况都会破坏均匀分配，其中影响最大的是进气管的设计。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,燃烧室壁面的熄火作用 由链反应中断和冷缸壁使接近缸壁的一层气体冷却所致； 1时，熄火厚度最小； 负荷减小，熄火厚度显著增加； 燃烧室温度、压力提高，气缸紊流加强，熄火厚度减小；,第四章 汽油机混合气的形成和
11、燃烧,四、 汽油机的不正常燃烧 汽油机的不正常燃烧主要是爆燃和表面点火。,（一） 爆燃 爆燃的外部特征 气缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦称为敲缸。轻微敲缸时，发动机功率上升，油耗下降，但严重时会产生冷却水过热，功率下降，油耗上升，发动机磨损加剧，排放污染增加（主要是排气冒黑烟）。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,爆燃产生的原因,正常燃烧：有明显的火焰前锋，且逐层向外传播，直至燃烧完毕。,爆燃：火焰前锋未到，未燃混合气的温度达到其自燃温度而着火燃烧，形成新的火焰中心，产生新的火焰传播。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,正常燃烧与爆燃的不同,正常燃烧的火焰传播速度为5080m/s，无压力波，
12、压力升高率在200400 kpa/()的范围内。 爆燃的火焰传播速度：轻微爆燃时，火焰传播速度约为100m/s300m/s，强烈爆燃时可高达800m/s1000m/s。使未燃混合气瞬时燃烧完毕，局部压力、温度很高，形成强烈的压力冲击波。冲击波反复撞击燃烧室壁，发出尖锐的敲缸声。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,爆燃的危害 1机件过载 强烈爆燃时的冲击波能使缸壁、缸盖、活塞、连杆、曲轴等机件的机械负荷增加，使机件变形甚至损坏。,2机件烧损 汽油机燃烧终了时的温度可达到20002500, 而活塞顶、燃烧室壁及缸壁的温度仅为200300，除了冷却水的作用外，能够维持如此低温度的原因，还包括在这些壁
13、面上形成了气体的附面层，它起到隔热的作用。而强烈爆燃时的冲击波会破坏这一附面层，使机件直接与高温燃气接触。而严重爆燃时，局部燃气温度可高达4000以上，这样会使活塞头部和气门等机件烧损。同时热量传给冷却水引起发动机过热。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,3性能指标下降 严重爆燃时的局部高温及强烈的压力冲击波，破坏了附面层，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。 4发动机磨损加剧 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。,5排气冒黑烟，补燃增加，排气温度增加 爆燃时局部高温引起热分解
14、现象严重，使燃烧产物分解为CH、H2、O2、NO及游离碳的现象增多，排气冒烟严重。CH、H2、O2等在膨胀过程中重新燃烧又使补燃增加，排气温度增高。 爆燃产生的炭粒形成积炭，破坏活塞环、火花塞、气门等零件的正常工作，使发动机可靠性下降。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,6轻微爆燃有利 接近等容燃烧，热效率提高，汽车上坡时驾驶员感觉轻松。,（四）影响爆燃的因素 1燃料的性质 辛烷值高的燃料抗爆燃能力强。四乙铅添加剂能有效地提高燃料的抗爆燃能力，但这会排除有毒的含铅颗粒，污染大气并影响催化剂的使用，因此近年来各国都对含铅汽油的使用,2末端混合气的压力和温度 末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾向
15、增大。例如，提高压缩比，则气缸内压力、温度升高，爆燃易发生；又如，气缸盖、活塞的材料使用轻金属，由于其导热性好，末端混合气压力、温度低，爆燃倾向小，可提高压缩比0.40.7单位。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,3火焰前锋传到末端混合气的时间 提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会减少火焰前锋传到末端混合气的时间，有利于避免爆燃。例如，气缸直径大时，火焰传播距离增加，爆燃倾向增大，所以没有很大缸径的汽油机。,(二)表面点火 在汽油机中，凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面（如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的现象，统称表面点火。它的点火时刻是不可控制的，多发生在=9以上的强化汽油机上。,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,炽 热 表 面,1后火 表面点火出现在火花塞跳火后，并且形成的火焰前锋仍以正常的火焰传播速度向未燃气体推进，称为后火。出现这种现象时，可在发动机断火后发现，发动机仍像有电火花一样，继续运转，直到炽热点温度下降到不能点燃混合气为止，发动机才停转。,2早燃 是指在火花塞点火之前，炽热表面就点燃混合气的现象。,由于早燃提前点火而且热点表面比火花大，使燃烧速率快，气缸压力、温度增高，发动机工作粗暴，并且由于压缩功增大，向缸壁传热增加，致使功率下降，火花塞、活塞等零件过热。 早燃会诱发爆燃，爆燃又会让更多的炽热表面温度升高，促使
