第四章-汽油机混合气的形成与燃烧0809课件

第四章第四章 汽油机混合气的形成与燃烧汽油机混合气的形成与燃烧4-1 4-1 汽油机燃烧过程汽油机燃烧过程4-2 4-2 汽油机混合气的形成汽油机混合气的形成4-3 4-3 燃烧室燃烧室本章要求：本章要求：（1 1）了解汽油机混合气形成与燃烧的特点。）了解汽油机混合气形成与燃烧的特点。（2 2）掌握汽油机的正常燃烧过程。）掌握汽油机的正常燃烧过程。（3 3）掌握汽油机的不正常燃烧。）掌握汽油机的不正常燃烧。（4 4）掌握影响燃烧过程的使用因素；了解）掌握影响燃烧过程的使用因素；了解结构因素对燃烧过程的影响。结构因素对燃烧过程的影响。（5 5）了解汽油机的燃烧室。）了解汽油机的燃烧室。1.1.燃烧过程的重要性燃烧过程的重要性 燃燃料料燃燃烧烧完完全全的的程程度度，直直接接影影响响到到热热量量产产生生的的多多少少和和排排出出的的废废气气的的成成分分，而而燃燃烧烧时时间间又又关关系系到到热热量量的的利利用用程程度度。所所以以燃燃烧烧过过程程是是影影响响发发动动机机的的动动力力性性、经经济济性性和和排排气气污污染染的的主主要要过过程程，同同时时与与噪噪声声、振振动动、启启动动性性能能和和使使用用寿寿命命也也有有重大关系。重大关系。2.2.对燃烧过程的要求对燃烧过程的要求 1 1）燃烧完全，释放出尽）燃烧完全，释放出尽可能多的热能，减少废可能多的热能，减少废气中的有害物质。气中的有害物质。2 2）燃烧及时，使放热集）燃烧及时，使放热集中在上止点附近，提高中在上止点附近，提高热功转换能力。热功转换能力。3.3.燃烧过程的研究方法燃烧过程的研究方法 高速摄影法、示功图法高速摄影法、示功图法一、汽油机正常燃烧：一、汽油机正常燃烧：（一）汽油机正常燃烧过程：（一）汽油机正常燃烧过程：燃烧过程分为三个阶段：燃烧过程分为三个阶段：（）着火延迟期；）着火延迟期；（）明显燃烧期；）明显燃烧期；（）后燃期。）后燃期。4-1 4-1 汽油机燃烧过程汽油机燃烧过程示功图上的关键点示功图上的关键点1 1、火花塞跳火、火花塞跳火2 2、着火点、着火点3 3、缸内最高压力点、缸内最高压力点 -点火提前角点火提前角压缩线(倒拖线)点火提前角：是指从火花塞跳火到上点火提前角：是指从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角。可用其表示点火时止点间的曲轴转角。可用其表示点火时刻。刻。压缩线(倒拖线)（）着火延迟期（）着火延迟期（1-21-2点）：点）：从火花塞跳火压力偏离压缩线的时间或曲轴转角。从火花塞跳火压力偏离压缩线的时间或曲轴转角。作用作用：点燃混合气形成火焰核心；：点燃混合气形成火焰核心；特点特点：燃烧量小，压力升高不明显。：燃烧量小，压力升高不明显。火花塞放电特性火花塞放电特性 ：两极电压达两极电压达101015Kv15Kv；击穿电极间隙的混合气，造成电极间电流通过；击穿电极间隙的混合气，造成电极间电流通过；电火花能量多在电火花能量多在404080mJ80mJ；局部温度可达局部温度可达3000K3000K，使电极附近的混合气立即，使电极附近的混合气立即 点燃；点燃；形成火焰中心，火焰向四周传播；形成火焰中心，火焰向四周传播；气缸压力脱离压缩线开始急剧上升。气缸压力脱离压缩线开始急剧上升。影响影响i i长短的因素：长短的因素：燃料，辛烷值燃料，辛烷值 i i ；缸内缸内(p+T)(p+T)i i；混合气浓度（混合气浓度（=0.80.9 0.80.9 0.80.9 0.80.9 时，时，时，时，i i最短）；最短）；残余废气系数残余废气系数 i i 点火能量点火能量i i。希望：尽量缩短希望：尽量缩短 并保持稳定。并保持稳定。i i （）明显燃烧期（）明显燃烧期（2-32-3点）：从火焰核心形成火焰传播到整个点）：从火焰核心形成火焰传播到整个燃烧室。燃烧室。作用作用：把大量燃料的化学能迅速转变为热能；：把大量燃料的化学能迅速转变为热能；特点：是汽油机燃烧的主要时期，热量利用率高。明显燃烧期特点：是汽油机燃烧的主要时期，热量利用率高。明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好。愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好。用平均压力升高率表示气缸内压力上升的急剧程用平均压力升高率表示气缸内压力上升的急剧程度。平均压力升高率度。平均压力升高率 ppppkPakPakPakPa CACACACA ：式中式中 第二阶段终点第二阶段终点3 3和起点和起点2 2的压力；的压力；第第3 3和和2 2相对上止点的曲轴转角。相对上止点的曲轴转角。一般明显燃烧期约占一般明显燃烧期约占2020CA CA 40 40 CACA曲轴转角，曲轴转角，燃烧最高压力燃烧最高压力PmaxPmax出现在上止点后出现在上止点后1212CACA1515CACA曲曲轴转角，轴转角，p=175250kpa/p=175250kpa/CACA为为 宜。宜。p p 值过高，值过高，工作粗暴，对排污工作粗暴，对排污(NOx)(NOx)亦不利。亦不利。（）后燃期（）后燃期（3 3点以后），点以后），从压力最高点到燃料燃烧从压力最高点到燃料燃烧90%90%以上的时间或以上的时间或曲轴转角。曲轴转角。作用作用 火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧；火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧；贴附在缸壁上未燃混合气层的部分燃烧；贴附在缸壁上未燃混合气层的部分燃烧；高温分解的燃烧产物（高温分解的燃烧产物（H H2 2、COCO等）重新等）重新 氧化。氧化。特点特点：燃烧速度慢，远离上止点，热量利用率低。：燃烧速度慢，远离上止点，热量利用率低。希望：尽量减少后燃期。希望：尽量减少后燃期。唯一地由定时的火花点火开始，且火焰前锋以一唯一地由定时的火花点火开始，且火焰前锋以一定的正常速度传遍整个燃烧室的过程。定的正常速度传遍整个燃烧室的过程。1.1.上述三个阶段中上述三个阶段中,火焰传播期速度对火焰传播期速度对i i起决定性的作用。起决定性的作用。要在工作柔和的条件下，尽可能地提高火焰传播速度。要在工作柔和的条件下，尽可能地提高火焰传播速度。2 2衡量发动机工作粗暴程度的指标衡量发动机工作粗暴程度的指标明显燃烧期内的明显燃烧期内的平均压平均压力升高率力升高率pp，即曲轴每转即曲轴每转1 1度时，缸内气体压力的平均升高量：度时，缸内气体压力的平均升高量：pp=（P P3 3-P-P2 2)/()/(3 3-2 2）kPa/kPa/0 0CACA 一般使火焰中心形成点出现在一般使火焰中心形成点出现在TDCTDC前前12-1512-150 0CACA，缸内最高压，缸内最高压力点出现在力点出现在TDCTDC后后12-1512-150 0CACA。pp=175 245kPa/=175 245kPa/0 0CACA3 3影响火焰传播速度的因素：影响火焰传播速度的因素：混合气浓度、缸内气体的紊流强度、残余废气系数等。混合气浓度、缸内气体的紊流强度、残余废气系数等。总结总结（二）（二）燃烧速度燃烧速度 燃烧速度燃烧速度Um：单位时间燃烧的混合气质量。单位时间燃烧的混合气质量。Um=dm/dt=TUTAT kg/s.式中式中 T 未燃混合气密度；未燃混合气密度；U UT T火焰传播速度；火焰传播速度；AT火焰前锋面积。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。对曲轴转角的位置。火焰传播速度火焰传播速度UT火焰传播速度是决定明显燃烧期长短的主要因素。火焰传播速度是决定明显燃烧期长短的主要因素。现代汽油机的火焰传播速度可高达现代汽油机的火焰传播速度可高达5080m/s。火焰传播方式可分为火焰传播方式可分为层流传播层流传播和和湍流传播。湍流传播。影响燃烧速影响燃烧速度的因素：度的因素：火焰传播速度火焰传播速度火焰前锋面积火焰前锋面积未燃混合气密度未燃混合气密度气体的紊流运动气体的紊流运动混合气成分混合气成分混合气初始温度混合气初始温度1.火焰传播速度火焰传播速度UT 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。现代汽油机的机的UT一般可高达一般可高达5080m/s。在。在50008000rpm，燃烧时，燃烧时间仅间仅0.0010.002s。影响影响UT 的主要因素是：燃烧室中气体的的主要因素是：燃烧室中气体的紊流运动紊流运动 混合混合气成分气成分混合气初始温度。混合气初始温度。紊流运动：紊流运动是由一定运动方向的涡紊流运动：紊流运动是由一定运动方向的涡流和无规则的气体脉动所组成。涡流运动可使火流和无规则的气体脉动所组成。涡流运动可使火焰前锋表面扭曲，甚至分隔成许多火焰中心，使焰前锋表面扭曲，甚至分隔成许多火焰中心，使火焰前锋燃烧区加厚，如图所示，火焰传播速度火焰前锋燃烧区加厚，如图所示，火焰传播速度加快。加快。紊流较弱紊流较弱紊流强烈紊流强烈混合气成分不同，火焰传播混合气成分不同，火焰传播速度也明显不同，如图所示速度也明显不同，如图所示为实验所得火焰传播速度与为实验所得火焰传播速度与过量空气系数的关系。过量空气系数的关系。当当=0.85=0.850 0.9595时，火焰时，火焰传播速度最大，燃烧速度最传播速度最大，燃烧速度最快，功率也最大，称为功率快，功率也最大，称为功率混合比。混合比。当当=1.03=1.031.11.1时，火焰传时，火焰传播速度较大，氧气又充足，播速度较大，氧气又充足，燃烧完全，称为经济混合比。燃烧完全，称为经济混合比。火焰传播下限：火焰传播下限：1.31.31.41.4时，火焰传播速度降低，甚至不能传播。时，火焰传播速度降低，甚至不能传播。火焰传播上限：火焰传播上限：0.40.40.50.5时，混合气过浓，也使火焰不能传播。时，混合气过浓，也使火焰不能传播。为了保证可靠的工作，汽油机的为了保证可靠的工作，汽油机的在在0.60.61.21.2范围，即范围，即空燃比空燃比 A/F=9-18A/F=9-18。混合气初始温度混合气初始温度Ta:TaUTa:TaUT T。注意，混合气火焰传播界限并非常数，它是随条件注意，混合气火焰传播界限并非常数，它是随条件而变化的，如混合气温度高，点火能量大，气体紊流而变化的，如混合气温度高，点火能量大，气体紊流强等，火焰传播界限就扩大；混合气中废气含量多，强等，火焰传播界限就扩大；混合气中废气含量多，界限就变窄。界限就变窄。2 2火焰前锋面积火焰前锋面积A AT T 利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合，可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，与压力上升密切相关。燃烧速度变化的情况，与压力上升密切相关。3.3.可燃混合气密度可燃混合气密度T T 增大未燃混合气密度，增大未燃混合气密度，可以提高燃烧速度，因可以提高燃烧速度，因此增大压缩比和进气压此增大压缩比和进气压力等，均可加大燃烧速力等，均可加大燃烧速度。度。（三）、汽油机的不规则燃烧（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汽油机的不规则燃烧是指在稳定正常运转情况下，下，1.1.各循环之间的燃烧差异各循环之间的燃烧差异;2.2.各缸之间的燃烧差异。各缸之间的燃烧差异。1 1、循环变动循环变动:工况一定各个循环的示功不同。工况一定各个循环的示功不同。原因：原因：火花塞附近混合气的混合比；火花塞附近混合气的混合比；气体紊流性质、程度在各循环均有变动，致使火气体紊流性质、程度在各循环均有变动，致使火焰中心形成的时间不同，即由有效着火时间变动而引起。焰中心形成的时间不同，即由有效着火时间变动而引起。危害：危害：使空燃比和点火提前角调整对每一循环都不可能处于最使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佳状态be be，PePe，不正常燃烧倾向增加，整个汽油，不正常燃烧倾向增加，整个汽油机性能下降