内燃机混合气的形成和燃烧

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1、内燃机学 内燃机混合气的形成和燃烧,山东大学 能源与动力工程学院,一、点火过程与着火落后期,1火花点火过程 整个放电过程对分为三个阶段： 击穿阶段 电弧放电阶段 辉光放电阶段,(1) 击穿阶段,电极在1015kV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； 间隙阻抗迅速下降，一个直径约40um的圆柱状离子化的气体通道建立起来，它的温度升至60000K，压力上升到几十个MPa，产生 一个强烈的激波向四周传播； 随着膨胀，压力、温度迅速下降。 这一阶段称为击穿阶段。 通过火花塞间隙的峰值电流高达200A，击穿阶段的时间很短，约10ns。,(2)电弧阶段,击穿阶段的末期造成了电极

2、间的电流通道，因此电弧放电的电压较低(50l00v)，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，因此就造成了阴极材料的蒸发蚀损(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，使电弧中心区温度下降到6000K)，一般认为，在电弧阶段火焰传播开始发生。,(3)辉光放电阶段,辉光放电阶段的特征是电流低于200mA在阴极上有较大的电压降(300500v)且温度较高，离子化程度很低(低于0.01)，点火系统和储能装置(如点火线圈)的设计细节将决定这一 阶段的进程，绝大部

3、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3000K。,(3)辉光放电阶段,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只需要0.2mJ； 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3mJ； 为能使发动机在各种工况下都能可靠点火，常规点火系统供给的能量一般为30一50mJ；,1n = 1400 rpm, l = 1, a = 40 CA BTDC,2. 滞燃期,滞燃期一般用以下三种方法定义； 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。 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： 从火

4、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(又名火馅发展角)； 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。,二、点燃式内燃机中的正常燃烧,(一)定容燃烧弹中的燃烧,图5-7 燃烧部分的膨胀和对已燃、未燃部分的压缩 燃烧以后，压力温度升高，其余部分由于压缩与传热的影响，温度与压力也有所提高。 后续部分的燃烧在更高的压力温度下进行。 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。,由定容燃烧弹得出的结论,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。 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

5、部分功，因而温度较低，两者相差可达数百度。 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。 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。,(二)预混燃烧与扩散燃挠,汽油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，这种燃烧称之为预混燃烧。 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。 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。混合过程控制了燃烧

6、速率，这就是所谓的扩散燃烧。,(三)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,第1阶段-着火阶段,火花跳火到形成火焰中心的阶段。 滞燃期i的长短与下列因素有关： 燃料本身的分子结构和物理化学性能。 点火时缸内气体的压力温度。c，i ； 汽油-空气混合气在0.8-0.9时i最短。 残余废气量 ，i 。 气缸内混合气运动强则i稍有增加。 火花能量 ， i 。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。,第II阶段-急燃期,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，dp/d=0.2-0.4MPa。 急燃期终点一

7、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。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 、 dp/d ，pz 。过迟，则膨胀比 ，燃烧高温时期的传热表面积 。,第III阶段-后燃期,急燃期终点至燃料基本上完全燃烧点为止。 到燃烧室主要容积被火焰充满，混合气燃烧速度开始降低，活塞向下止点加速移动，气缸中压力开始下降，进入后燃期。 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合气层继续燃烧。此外，汽油机燃烧产物中CO2和HC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 放出热量，一 般也作后燃看待。,一

8、般着火开始点出现在上止点前的1215CA; 最高燃烧压力点出现在上止点后1215 CA; 压升率在0.175 0.25MPa/ CA 。,(四)燃烧过程按已燃质量分量划分,在火花点火后，燃料-空气混合气的燃烧速率从很低的数值很快达到最大，然后当燃烧终点时接近零。,利用已燃质最百分数表示燃烧过程阶段,火焰发展期，是指从火花点火到燃料化学能释放10之间的曲轴转角间隔期。 快速燃烧期，指火焰扩展阶段(通常指已燃质量百分数达到10)到火焰传播过程终点(通常指已燃质量百分数达到90)之间的曲轴转角间隔期。 总燃烧期，整个燃烧过程的持续期，指火焰发展期与快速燃烧期之和。,（五)火焰传播速度和燃烧速率,第一

9、章 概 论,(六)着火界限或可燃范围,电火花点燃电极间隙内的可燃混合气，它放出的热量大于向四周混合气的散热量，火焰才能传播发展；反之，将自行熄灭。 过浓的混合气燃烧不完全、放热量少，过稀混合气的热值低、放热量少，均不能点火。 不能点火的混合气浓度界限称为可燃范围或着火界限。 要使混合气正常燃烧，必须保证混合气浓度在可燃范围内。,几种燃料的可燃范围,Engine ignition limits for different fuels (selection),实际发动机着火界限,由于各处温度、压力不完全相同，混合气不一定绝对均匀，因此着火界限比理论值范围窄。 若火花塞间隙附近是浓度合适的新鲜可燃混

10、合气，就比较容易着火； 若火花塞附近有较多的残余废气，着火界限就变窄，以致不能着火。 现代汽油机在较高负荷且工作正常时的着火界限大致为1.3-1.4，一般到1.25-1.35时，汽油机工作循环已不稳定，燃油消耗率迅速上升，混合气再稀一些，发动机即自行熄灭。,(七)不同工况下燃烧过程的特点,第一章 概 论,1点火提前角不同时的燃烧过程,Influence of ignition timing on the mean pressure traces,点火提前角不同时的燃烧过程,保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定，记录功率、燃油消耗率、排气温度随点火提前角的变化，称为汽油机点火提前特性。 每一工

11、况都存在一最佳点火提前角，对应发动机功率最大，燃油消耗率最低。 最佳点火提前角相当于使最高燃烧压力在上止点后12-15CA时达到，这时实际示功图与理论示功图最为接近。 选择最佳点火提前角时，要考虑到发动机的整个运行范围能保证最大功率而无爆燃发生。,2混合气浓度不同时的燃烧过程,汽油机的转速、节气门开度保持一定，点火提前角为最佳值时，功率、燃油消耗率、排气温度随过量空气系数的变化曲线，称为汽油机在某一转速和节气门开度下的调整特性。,混合气浓度不同时的燃烧,a=0.8-0.9时， i最短，火焰传播速率最高。 a1时，分子变更系数，燃料蒸发量 ，进气温度 ， c有所 ，pz 、dp/d、Tmax、P

12、e均达到最大值，但由于不完全燃烧，be 。 a =1.031.1时， be达较佳值，因为气缸内燃料、空气和残余废气不能绝对均匀混合，因而不可能刚好在a =1时获得完全燃烧。 混合气稍稀时， Tmax ，燃烧产物离解等不良影响减少，有利于提高热效率，但是过稀的混合气使燃烧速率 ,燃烧时间 ，热效率 。,混合气浓度不同时的燃烧,3负荷不同时的燃烧过程,汽油机上，转速不变，改变节气门开度调节进入气缸的混合气量，以达不同的负荷要求。 节气门关小时， c ，但留在气缸内的残余废气量不变，使残余废气系数 ， i ，火焰传播速率 ，pz、Tmax、 dp/d ，冷却水散热损失相对 ，be 。 随着负荷 ，最

13、佳点火提前角要提早，在汽油机中，均用点火提前真空洞节器来自动调整。,4转速不同时的燃烧过程,当n时： 气缸中湍流 ，火焰传播速率大体与n成正比例 ，因而pz、dp/d随n的变化不大。 散热损失 ，进气被加热，缸内混合得更均匀，有利于i 。残余废气系数 气流吹走电火花的倾向 ，促使i 。因此，以秒计的i与n的关系不大，但是按计的i却随n的而。 在汽油机上均设有点火提前角的离心自动调节装置，使在n时， 点火提前角。,点火提前角对汽油机的经济性影响,点火提前角偏离最佳值5CA，热效率下降1；偏离10CA，热效率下降5；偏离20CA，热效率下降16。 影响最佳点火提前角的因素：大气压力、温度、湿度、缸

14、体温度、燃料辛烷值、空燃比、残余废气系数、排气再循环等。 传统的点火控制装置只考虑点火提前角随转速、负荷的变化。,点火提前角对汽油机的经济性影响,电喷系统中，调节点火提前角的控制逻辑为：当负荷不变时，改变点火提前角一个步长，则： 点火提前后，转速增加点火再提前 点火提前后，转速下降点火推迟 点火推迟后，转速增加点火再推迟 点火推迟后转速下降点火提前,(八)燃烧的循环变动,燃烧循环变动的危害,1燃烧循环变动现象,燃烧循环变动是点燃式发动机燃烧过程的一大特征。 燃烧循环变动的定义是，在发动机以其一工况稳定运行时，这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化； 燃烧循环变动的具体表现在压力曲线、火焰

15、传播情况及发动机功率输出均不相同。 当采用稀薄燃烧和在低负荷、低转速下运转时，这种循环的变动会加剧。,多循环示功图,多循环示功图,循环差别,A/F:化油器 14.7 电喷14.5,燃烧循环变动,燃烧循环变动的危害,循环的燃烧过程快馒不同，使发动机的转速和输出转矩产生波动，影响发动机的性能。 燃烧快的循环，pz和爆燃的趋势都，限制了使用低辛烷值汽油和采用高压缩比。燃烧慢的循环，可能在EVO时混合气还未燃烧完，因而HC排放及油耗都会，尤其在稀薄混合气燃烧或怠速工况时。 由于循环变动，每一循环点火提前角不可能都处在最佳值，影响发动机性能指标的提高，如果消除循环变动，可以pz，改善工作粗暴性和be，降

16、低发动机排放污染。,燃烧循环变动的危害,发动机最佳点火提前角、空燃比是根据平均循环的要求确定的，对于有循环变动的绝大多数循环将不一定是最佳值; 发动机的压缩比和燃料辛烷值是根据最倾向于敲缸的要求确定的，因此只有减少燃烧循环变动，才有可能获得最佳的性能。 导致较高的排气污染。 燃烧的循环变动导致平均指示压力以及输出转距的变动，使车辆的驱动性能恶化。,燃烧循环变动的危害,燃烧循环变动的危害,如图：过早，负功；NOx；爆燃过晚，等容度，散热， i 改变ig可调整c （注：MBT，Minimum advance for Best Torque，最大扭矩的最佳点火提前),2燃烧循环变动的表征参数,与气缸压力有关的参数，如最高气缸压力及相应的曲轴转角、最大压力升高比及相应的曲轴转角、平均指示压力的变化。 与燃烧速率有关的参数，如最大燃烧速率、火焰发展角、快速燃烧角。 与火焰前锋位置相应的参数，如火焰半径、火焰前锋面积、己燃和未燃的容积随时间的变化曲线、火焰到达某一指定位置所需要的时间。,