汽车点燃式内燃机的燃烧培训课件

《汽车点燃式内燃机的燃烧培训课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车点燃式内燃机的燃烧培训课件（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 第二节 点燃式内燃机的燃烧本节讨论以下内容：一 点火过程与着火落后期二 点燃式内燃机的正常燃烧 三 代用燃料的燃烧四 点燃式内燃机的不正常燃烧五 点燃式发动机的燃烧模型一、点火过程与着火落后期1、火花点火过程目前，火花点火过程有许多方面还不是很清楚。图5-6是常规高压线圈点火系统工作时电压与电流的变化 示意图。整个放电过程可分为三个阶段：（1）击穿阶段（2）电弧阶段 （3）辉光放电阶段 （中间有两个过渡区、前面有一 个预放电阶段）整个过程约1ms。（1）击穿阶段特点： 电极在很高电压（约10-15kV）下，击穿电极间隙内的混合气；离子流从火花塞的一个电极奔向另一个电极，间隙阻抗迅速下降； 建

2、立一个直径约40m的圆柱状离子化气体通道，电能几乎可以无 损失地通过等离子流； 局部温度升至60000K，压力上升到几十个MPa；产生一个强烈的激波向四周传播，使等离子通道的体积迅速膨胀（ 约膨胀到直径2mm），而它的压力、温度迅速下降； 击穿阶段，通过火花塞间隙的峰值电流高达200A； 整个击穿阶段的时间很短，约10ns，故能量小（1mJ）。（2）电弧阶段特点：在击穿阶段末期，形成电极间的电流通道； 电弧放电电压较低（50100V），电流仍很高（1-10A）；与击穿阶段电极间的电流通道内的气体完全离解或离子化相反，放 电带中心部分的离解程度仍很高，但离子化程度比较低（约1%）；在阴极和阳极的

3、电压降是电弧放电电压降的主要部分，电能储存在 这些电极的表层区域，由金属电极导走； 要求有灼热的阴极（以便电弧正常维持），造成了阴极材料的蒸气 蚀损； 由于击穿阶段末期等离子体体积膨胀、体外热交换和扩散作用增强 ，使电弧中心区温度下降到6000K； 整个阶段的时间较短，微秒级，故能量小（1mJ）。一般认为，在电弧阶段火焰传播开始。（3）辉光放电阶段特点： 电流低于200mA，阴极上有大的电压降（300500V），温度较高 ，离子化程度很低（低于0.01%）；大部分点火能量此时放出，时间毫秒级，能量损失比电弧阶段更大 ； 气体的最高平衡温度下降到3000K。点火系统和储能装置（如点火线圈）的设计

4、细节将决定这一阶段的 进程，在发动机运行条件下：对静止的具有化学计量比的混合气点火能量 ，通常只需要0.2mJ；对于较稀或较浓的混合气，或电极处混合气 有较高流速时，需要点火能量为3mJ；为了能使发动机在各种工况下都能可靠点火 ，常规点火系统供给能量一般为3050mJ。2、滞燃期（着火落后期）滞燃期是一个工程上的概念，要准确定义点燃式内燃机的滞燃 期比较困难，因为理论上，点火瞬间即开始火焰传播，可以说几乎 没有滞燃期。目前，工程上所指的滞燃期一般用以下三种方法定义：1）从火花点火至气缸内压力明显脱离压缩线时的时间或曲轴 转角。2）火花点火开始后观察气缸内的火焰传播至某一设定的小的 半径时所需的

5、时间。为试验方便，一般先求出火焰半径与时间的关系曲线，用外推 法求出所设定的小半径的相应时间。3）从火花点火开始直到气缸内10%的燃料燃烧完了的时间或曲 轴转角（又名火焰发展角）。应当指出，以上三种方法测出滞燃期在数值上差别较大，在使 用时应指明采用何种定义的滞燃期。二、点燃式内燃机的正常燃烧主要介绍均质混合气正常燃烧。因绝大部分汽油机在电火花强 制点火前已形成大致均匀混合气（气缸外部利用化油器或喷油）。（一）定容燃烧弹中的燃烧过程因可燃混合气在定容燃烧弹中的燃烧与汽油机的燃烧比较接近 ，所以，可以用定容燃烧弹中的燃烧试 验来说明汽油机的正常燃烧情况。1、初始状态：右图把定容燃烧弹分成相等的四

6、部分 （1、2、3、4），其中每部分包含等量的 可燃混合气，状态均为（p0、T0），（即 图5-7a）。2、区域1燃烧：设第一部分首先燃烧（在p0、T0下），压力、 温度升高（ p1、T1 ），体积膨胀，其余三部分由于压缩与传热的影 响，温度与压力也有所提高，见图5-7b。3、区域2燃烧：区域2在（ p1、T1 ）下开始燃烧（图5-7c）， 燃烧时，区域2的气体要膨胀，压缩已燃烧气体1和未燃烧气体3和4 ，使它们的压力温度再升高。4、其它区域燃烧：然后依次燃烧3和4部分的混合气。根据定容燃烧弹物理模型，可以得出以下结论：1）等截面燃烧室内，燃烧速率不相等的。因为，火焰沿燃烧 室不断传播，相继投

7、入燃烧的各层混合气，比前一层混合气有更高 的密度。2）燃烧室内各处燃气温度不相等。因为，各部分混合气在投 入燃烧前的状态不同，燃烧后受压缩的情况也不同。靠近火花塞的那部分混合气，先在较低温度下燃烧，在低压下 膨胀；最后在高压下回到原来的体积，这部分气体除获得燃烧的化 学能外，还获得压缩功，因而最终温度较高。相反，最后燃烧的那部分混合气，要损失一部分功，因而温度 较低，两者相差可达数百度。这可以用来解释：为什么高速摄影记录燃烧过程（在火焰传播 接近终点）时，火花塞附近又发生“后辉”的原因。3）气流静止的燃烧室内会引起气流运动（火焰传播的压缩-膨 胀）。而且这种气流运动的方向，在燃烧初期与燃烧末期

8、是相反的， 使火焰传播速度产生先加速后减速的倾向。远端混合气，所受压缩与传热时间最长，在火焰前锋到达前， 先期反应已有较大的发展。因而，火焰前锋的速度越来越大，但在接近缸壁时，由于缸壁 的冷却作用而变慢。（二）预混燃烧与扩散燃烧预混燃烧：在燃烧过程中，如果化学反应控制了燃烧速率，即 混合过程比化学反应（燃烧反应）要快得多，或者在火焰到达之前 燃烧与空气已充分混合，这种可燃混合气的燃烧称之为预混燃烧。汽油机和气体燃烧发动机的可燃混合气的燃烧基本上属预混燃 烧。在柴油机中，燃料是借助于喷油装置在接近压缩终了时喷入气 缸，经过一个很短的滞燃期后即开始着火。在滞燃期内，若喷入气 缸的燃料在着火前已蒸发

9、并与空气混合，那么这部分燃料的燃烧可 以看作是预混燃烧。扩散燃烧：在燃烧过程中，如果混合过程控制了燃烧速率，即 化学反应（燃烧反应）比混合过程要快得多，这就是所谓的扩散燃 烧。柴油机的大部分燃料是在着火后喷入气缸的，它处于一边与空 气混合、一边燃烧的情况下，由于混合过程比反应速率慢，因此燃 烧速率取决于混合速率。扩散燃烧的显著特征是，它的燃烧速率取决于使燃料和氧化剂 达到适宜进行化学反应所需要的扩散速率。（三）点燃式发动机的燃烧过程-（以汽油机的正常燃烧为例）通常把点燃式发动机燃烧过程分成三个阶段，如图。第阶段1-2称为着火阶段，是指电 火花跳火到形成火 焰中心的阶段。第阶段23称为急燃期，是

10、指火 焰由火焰中心烧遍 整个燃烧室的阶段， 因此也称为火焰传 播阶段。第阶段34称为后燃期，它相当 于急燃期终点3至燃料基本上完全燃烧点4为止。各个阶段特征分述如下：第阶段（着火阶段）-着火落后期、滞燃期：电火花在上止点前角（1点）跳火以后，混合气中并不立即产 生火焰。高速摄影表明，在1点（图5-8）亮后，至2点再亮，这段 时间约占整个燃 烧时间的15%左右。但工程上一般是按气缸压力开始 与压缩压力相分离 的2点计算的，2点 与2点相差甚微，它与底片的感光性 能及测压仪器的灵 敏度有关。滞燃期i的长短与下列因素有关：1）燃料本身的分子结构和物理化学性能。2）点火时缸内气体压力、温度。它与压缩比

11、有关，压缩比高 ，滞燃期短。3）混合气过量空气系数a。 试验表明，汽油-空气混合气在a=0.80.9时（较理论空燃比浓）， i最短，如右图所示。4）残余废气量增加，i增加。5）气缸内混合气运动强，则 i稍有增加。由于气流运动，火焰中心不一定在电极间隙处，有可能在电极间附近。6）火花能量大，i缩短。对于电火花点火的汽油机而言，气缸内着火的时间（2点）可 以用控制点火提前角的办法来达到，所以滞燃期的长短对汽油机工 作的影响不大，这一点是与柴油机完全不同的。第阶段-火焰传播阶段：在这一阶段内，压力升高很快，压力 升高率dp/d =0.20.4MPa/ CA。压力升高率代表发动机工作粗暴的程度。它与振

12、动、噪声、火焰传播速率有密 切相关，因此火焰传播速率高的可燃混合 气均促使dp/d 增加。火花塞位置、燃烧室型式对其也有影响。急燃期终点一般为最高压力点3或最高温度点3（有时3和3点 重合）。若取放热率骤然下降时刻作为急燃期终点应更为合理。最高燃烧压力点3到达的时刻，对发动机的功率、经济性有重 大影响。如3点到达过早，则混合气必然过早点燃，从而引起压缩 过程负功的增加，压力升高率增加，最高燃烧压力过高。相反，如 3点到达过迟，则膨胀比将减小，同时，燃烧高温时期的传热表面 积增加，也是不利的。3点的位置可以通过点火提前角ig来调整。第阶段-后燃期：它相当于急燃期终点3至燃料基本上完全燃烧点4为止

13、。p- 图 上的点3表示燃烧室主要容积已被火焰充满，混合气燃烧速度开始 降低，加上活塞向下止点加速移动，使气缸中压力从点3开始下降 ，在后燃期中主要是湍 流火焰前锋后面未完全燃 烧的燃料、气缸壁面上的 混合气层继续燃烧。汽油机燃烧产物中 CO2和H2O的离解现象比柴油机严重，在膨胀过程 中温度下降后又部分复合 放热。一般也作后燃看待。一般调整点火提前角，使点2在BTDC12-15CA，点3在 ATDC12-15CA到达，（dp/d ）max为0.1750.25MPa/CA。可 使汽油机工作柔和、动力性能良好。（四）燃烧过程按已燃质量分量划分下图是已燃质量百分数（质量燃烧率）与曲轴转角的关系曲线

14、 。可见，在火花点火以后，燃料-空气混合气的燃烧速率从很低达 到最大（燃烧过程中部），然后接近于零（燃烧终了时）。利用已燃质量百分数表示燃烧过程各阶段较 为方便，并以此可定义发 动机燃烧的各个阶段。根据此曲线，点燃式发动机燃烧过程可以描述 为：1）火焰发展期-从火花点火到燃料化学能释放 10%之间的曲轴转角间隔期。2）快速燃烧期-大量工质燃烧所需的曲轴转角 间隔。定义为从火焰扩展阶 段（10%已燃质量百分数） 到火焰传播过程终点（90 %已燃质量百分数）之间的曲轴转角间隔期。3）总燃烧期-整个燃烧过程的持续期，它是火 焰发展期与快速燃烧期之 和。（五）火焰传播速率和燃烧速率可燃混合气着火以后，

15、即形成火焰中心，火焰由此中心以一定 的速率传播到整个燃烧室。按混合气流动特性，火焰分为层流火焰 和湍流火焰。1、层流火焰(传播)速率SL层流火焰(传播)速率定义为火焰前锋相对于未燃混合气的相对 速率，其表达式为（5-18）式中，Af为火焰面积，u为未燃混合气密度， 为质量燃烧率。所以，如果求出火焰(传播)速率，就可以得到质量燃烧率。对发动机使用的混合气，层流火焰（传播）速率在40180 cm/s 之间。在实际计算SL 时，常采用Mattavi 经验公式（5-19）式中，SL0=30.5-54.9 (-1.21)2（标准状态下）； =2.18 - 0.8 (-1)；=-0.16+0.22 (-1

16、)； 为燃空当量比（过量空气系数的倒数）； p为压力（kPa）； Tu为火焰前锋面前未燃气体温度(K)。2、湍流火焰速率ST缸内湍流作用：大标尺湍流使火焰前锋面发生扭曲，除增加锋 面面积外，还使火焰前锋 分裂成许多燃烧中心，导 致湍流火焰速率大大增加；小标尺湍流可大大增加焰面中分子与新鲜混合 气中的分子的相互渗透， 因此使湍流速率增加（图 5-11）。湍流较弱时，火焰锋面完整；湍流较强时，锋 面被撕裂成碎片。定义：FSR=ST/SL，称为火焰（湍/层流）速率比。因此，湍流 速率与层流速率存在如下关系 （5-20）当缸内湍流强度不高时，Mattavi给出了便于计算的经验关系式 （5-21） 式中，n为发动机转速(r/min）。但在发动机的实际燃烧过程中，火焰传播速率与湍流强度之比 的关系并不一定是线性的。湍流强度不高时，火焰传播速率与湍流强度之间呈线性关系； 湍流增加到一定强度时，火焰传播速率随湍流强