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1、内燃机学内燃机学 内燃机混合气的形成和燃内燃机混合气的形成和燃 烧烧山东大学山东大学 能源与动力工程学院能源与动力工程学院一、点火过程与着火落后期一、点火过程与着火落后期1 1火花点火过程火花点火过程整个放电过程对分为三个整个放电过程对分为三个 阶段：阶段：vv击穿阶段击穿阶段vv电弧放电阶段电弧放电阶段vv辉光放电阶段辉光放电阶段(1) (1) 击穿阶段击穿阶段vv电极在电极在10151015kVkV电压作用下，击穿电极间的混电压作用下，击穿电极间的混 合气，离子流从一个电极奔向另一个电极；合气，离子流从一个电极奔向另一个电极；vv间隙阻抗迅速下降，一个直径约间隙阻抗迅速下降，一个直径约40
2、40umum的圆柱状的圆柱状 离子化的气体通道建立起来，它的温度升至离子化的气体通道建立起来，它的温度升至 6000060000KK，压力上升到几十个压力上升到几十个MPaMPa，产生产生 一个一个 强烈的激波向四周传播；强烈的激波向四周传播；vv随着膨胀，压力、温度迅速下降。随着膨胀，压力、温度迅速下降。vv这一阶段称为击穿阶段。这一阶段称为击穿阶段。vv通过火花塞间隙的峰值电流高达通过火花塞间隙的峰值电流高达200200A A，击穿阶击穿阶 段的时间很短，约段的时间很短，约1010nsns。(2) (2)电弧阶段电弧阶段 击穿阶段的末期造成了电极间的电流通道，因此击穿阶段的末期造成了电极间
3、的电流通道，因此 电弧放电的电压较低电弧放电的电压较低(50(50l00v)l00v)，但电流仍很高。但电流仍很高。在阴极和阳极上的电压降是电弧放电电压降的主在阴极和阳极上的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要部分电能储存在这些电极的表层区域由金 属电极导走，这是电弧总能量属电极导走，这是电弧总能量个重要部分。此个重要部分。此 外，电弧要求有灼热的阴极，因此就造成了阴极外，电弧要求有灼热的阴极，因此就造成了阴极 材料的蒸发蚀损材料的蒸发蚀损( (由于击穿阶段末期等离子体体积由于击穿阶段末期等离子体体积 膨胀、体外的热交换和扩散作用增强，使电弧中膨胀、体外的热交换
4、和扩散作用增强，使电弧中 心区温度下降到心区温度下降到60006000K)K)，一般认为，在电弧阶段一般认为，在电弧阶段 火焰传播开始发生。火焰传播开始发生。(3)(3)辉光放电阶段辉光放电阶段辉光放电阶段的特征是电流低于辉光放电阶段的特征是电流低于200200mAmA在阴极在阴极 上有较大的电压降上有较大的电压降(300500(300500v)v)且温度较高，离子且温度较高，离子 化程度很低化程度很低( (低于低于0.010.01) )，点火系统和储能装置点火系统和储能装置( ( 如点火线圈如点火线圈) )的设计细节将决定这一的设计细节将决定这一 阶段的进程阶段的进程 ，绝大部分的点火能量在
5、此时放出，但能量损失，绝大部分的点火能量在此时放出，但能量损失 比电弧阶段更大，气体的最高平衡温度下降到比电弧阶段更大，气体的最高平衡温度下降到 30003000KK。(3)(3)辉光放电阶段辉光放电阶段在发动机运行条件下：在发动机运行条件下：vv对静止的具有化学计量比的混合气点火能量只对静止的具有化学计量比的混合气点火能量只 需要需要0.2mJ0.2mJ；vv对于较稀或较浓的混合气，以及电极处混合气对于较稀或较浓的混合气，以及电极处混合气 有较高流速时，需要点火能量为有较高流速时，需要点火能量为3 3mJmJ；vv为能使发动机在各种工况下都能可靠点火，常为能使发动机在各种工况下都能可靠点火，
6、常 规点火系统供给的能量一般为规点火系统供给的能量一般为3030一一5050mJmJ；1 1n = 1400 rpm, n = 1400 rpm, l l = 1, = 1, a a = 40 CA BTDC= 40 CA BTDC2. 2. 滞燃期滞燃期滞燃期一般用以下三种方法定义；滞燃期一般用以下三种方法定义；vv从火花点火至缸内压力明显脱离压缩线时的时从火花点火至缸内压力明显脱离压缩线时的时 间或曲轴转角。间或曲轴转角。vv火花点火开始后观察气缸内的火焰传播至某一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时间：设定的小的半径时所需的时间：vv从火花点火开始直到气缸内
7、从火花点火开始直到气缸内1010的燃料燃烧完的燃料燃烧完 了的时间或曲轴转角了的时间或曲轴转角( (又名火馅发展角又名火馅发展角) )；以上三种方法测出的滞燃期在数值上差别较大，以上三种方法测出的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。在使用时应指明采用何种定义的滞燃期。二、点燃式内燃机中的正常燃烧二、点燃式内燃机中的正常燃烧( (一一) )定容燃烧弹中的燃烧定容燃烧弹中的燃烧图图5-7 5-7 燃烧部分的膨胀和对已燃、未燃部分的压缩燃烧部分的膨胀和对已燃、未燃部分的压缩vv燃烧以后，压力温度升高，其余部分由于压缩燃烧以后，压力温度升高，其余部分由于压缩 与传热的影响，温
8、度与压力也有所提高。与传热的影响，温度与压力也有所提高。vv后续部分的燃烧在更高的压力温度下进行。后续部分的燃烧在更高的压力温度下进行。vv燃烧时气体膨胀，压缩已燃烧气体和未燃烧气燃烧时气体膨胀，压缩已燃烧气体和未燃烧气 体，使它们的压力温度再升高。体，使它们的压力温度再升高。由定容燃烧弹得出的结论由定容燃烧弹得出的结论vv相继投入燃烧的混合气，比前一层有更高的密相继投入燃烧的混合气，比前一层有更高的密 度，燃烧速率也不相同。度，燃烧速率也不相同。vv初期燃烧的气体因获得压缩功，最终温度较高初期燃烧的气体因获得压缩功，最终温度较高 。后燃烧的混合气，损失部分功，因而温度较。后燃烧的混合气，损失
9、部分功，因而温度较 低，两者相差可达数百度。低，两者相差可达数百度。vv燃烧造成压缩一膨胀，引起气流运动，且燃烧燃烧造成压缩一膨胀，引起气流运动，且燃烧 初期运动方向与末期相反。初期运动方向与末期相反。vv火焰传播速度先加速后减速。远离火焰中心的火焰传播速度先加速后减速。远离火焰中心的 混合气在火焰前锋到达前，先期反应已有较大混合气在火焰前锋到达前，先期反应已有较大 的发展，因而火焰前锋的速度越来越大，最后的发展，因而火焰前锋的速度越来越大，最后 因缸壁的冷却作用而变慢。因缸壁的冷却作用而变慢。( (二二) )预混燃烧与扩散燃挠预混燃烧与扩散燃挠vv汽油机和气体燃料发动机中，燃烧时在火焰到汽油
10、机和气体燃料发动机中，燃烧时在火焰到 达之前燃料与空气已充分混合，这种燃烧称之达之前燃料与空气已充分混合，这种燃烧称之 为预混燃烧。为预混燃烧。vv在柴油机中，在滞燃期内蒸发并与空气的部分在柴油机中，在滞燃期内蒸发并与空气的部分 燃料的燃烧可以看作是预混燃烧。燃料的燃烧可以看作是预混燃烧。vv柴油机的大部分燃料是在着火后喷入气缸的，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，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 决于混合速率决于混合速率。混合过程控制了燃烧速率，这混合过程
11、控制了燃烧速率，这 就是所谓的扩散燃烧。就是所谓的扩散燃烧。( (三三) )点燃式发动机的燃烧过程点燃式发动机的燃烧过程点燃式发动机燃烧过程的实际进展分成三个阶段点燃式发动机燃烧过程的实际进展分成三个阶段第第1 1阶段阶段-着火阶段着火阶段火花跳火到形成火焰中心的阶段。火花跳火到形成火焰中心的阶段。滞燃期滞燃期 i i的长短与下列因素有关：的长短与下列因素有关：vv燃料本身的分子结构和物理化学性能。燃料本身的分子结构和物理化学性能。 vv点火时缸内气体的压力温度。点火时缸内气体的压力温度。 c c ， i i ； vv汽油汽油- -空气混合气在空气混合气在0.8-0.90.8-0.9时时 i
12、i最短。最短。 vv残余废气量残余废气量 ， i i 。 vv气缸内混合气运动强则气缸内混合气运动强则 i i稍有增加。稍有增加。 vv火花能量火花能量 ， i i 。内着火的时间可以用点火提前角控制，滞燃期内着火的时间可以用点火提前角控制，滞燃期 长短对汽油机工作的影响不大。长短对汽油机工作的影响不大。第第IIII阶段阶段- -急燃期急燃期vv火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段，称为火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段，称为 火焰传播阶段。在这一阶段内，压力升高很快火焰传播阶段。在这一阶段内，压力升高很快 ，dp/ddp/d = =0.2-0.2-0.4MPa0.4MPa。vv急燃期终点一般为
13、最高压力点或最高温度点；急燃期终点一般为最高压力点或最高温度点； 取放热率骤然下降的时刻则更为合理。取放热率骤然下降的时刻则更为合理。vv 最高燃烧压力点时刻，影响发动机性能最高燃烧压力点时刻，影响发动机性能。过早，则混合气必然过早点燃，压缩负功过早，则混合气必然过早点燃，压缩负功 、 dp/ddp/d ，p pz z 。过迟，则膨胀比过迟，则膨胀比 ，燃烧高温时期的传热表，燃烧高温时期的传热表面积面积 。第第IIIIII阶段阶段- -后燃期后燃期vv急燃期终点至燃料基本上完全燃烧点为止。急燃期终点至燃料基本上完全燃烧点为止。vv到燃烧室主要容积被火焰充满，混合气燃烧到燃烧室主要容积被火焰充满
14、，混合气燃烧 速度开始降低，活塞向下止点加速移动，气速度开始降低，活塞向下止点加速移动，气 缸中压力开始下降，进入后燃期。缸中压力开始下降，进入后燃期。vv在后燃期中主要是湍流火焰前锋后面没有完在后燃期中主要是湍流火焰前锋后面没有完 全燃烧掉的燃料，以及附在气缸壁面上的混全燃烧掉的燃料，以及附在气缸壁面上的混 合气层继续燃烧。此外，汽油机燃烧产物中合气层继续燃烧。此外，汽油机燃烧产物中 COCO2 2和和HCHC的离解现象比柴油机严重，在膨胀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而过程中温度下降后又部分复合而 放出热量，放出热量， 一一 般也作后燃看待。般也作后燃看待。vv
15、一一 般着火开始点般着火开始点 出现在上止点前出现在上止点前 的的12151215 CA;CA;vv最高燃烧压力点最高燃烧压力点 出现在上止点后出现在上止点后 1215 1215 CACA; ;vv压升率在压升率在0.175 0.175 0.250.25MPaMPa/ / CA CA 。( (四四) )燃烧过程按已燃质量分量划分燃烧过程按已燃质量分量划分在火花点火在火花点火 后，燃料后，燃料- - 空气混合气空气混合气 的燃烧速率的燃烧速率 从很低的数从很低的数 值很快达到值很快达到 最大，然后最大，然后 当燃烧终点当燃烧终点 时接近零。时接近零。利用已燃质最百分数表示燃烧过程阶段利用已燃质最
16、百分数表示燃烧过程阶段vv火焰发展期火焰发展期，是指从火花点火到燃料化学能释，是指从火花点火到燃料化学能释 放放1010之间的曲轴转角间隔期。之间的曲轴转角间隔期。vv快速燃烧期快速燃烧期，指火焰扩展阶段，指火焰扩展阶段( (通常指已燃质量通常指已燃质量 百分数达到百分数达到1010) )到火焰传播过程终点到火焰传播过程终点( (通常指通常指 已燃质量百分数达到已燃质量百分数达到9090) )之间的曲轴转角间隔之间的曲轴转角间隔 期。期。vv总燃烧期总燃烧期，整个燃烧过程的持续期，指火焰发，整个燃烧过程的持续期，指火焰发 展期与快速燃烧期之和展期与快速燃烧期之和。（五（五) )火焰传播速度和燃烧速率火焰传播速度和
