第四章-汽油机混合气形成与燃烧(1)

汽车发动机原理同学们好汽车发动机原理第四章汽油机混合气形成与燃烧第四章汽油机混合气形成与燃烧——概述4.1概述发动机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程。燃烧过程的基本要求是：（1）燃烧完全。充分利用燃油的化学能；尽量减少有害污染物排放。（2）时机恰当。在上止点后的10°~20°CA达到最大燃烧压力。（3）稳定正常。保证发动机稳定、可靠地工作。多数汽油机的燃烧过程为：利用喷嘴或化油器，在进气管内使空气和燃油混合，再进入气缸，到压缩行程接近终了时，以电火花点燃并燃烧。第四章汽油机混合气形成与燃烧——概述4.1概述汽油机的燃烧分为正常与不正常燃烧两种当汽油机的燃烧不能按正常燃烧的要求，燃烧不稳定、最高燃烧压力出现过早，则出现不正常燃烧。汽油机的不正常燃烧主要是爆震和表面点火。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程以展开示功图研究燃烧过程。压缩线无燃烧膨胀线火花塞点火着火最高压力压缩线无燃烧膨胀线火花塞点火着火最高压力着火延迟期明显燃烧期后燃期点火提前角第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程以展开示功图研究燃烧过程。展开示功图的气缸压力线上，在1点，火花塞跳火，经过短暂的着火延迟，到2点出现火焰中心和明显燃烧，随之，在3点出现最高燃烧压力。燃烧过程分为三个阶段：着火延迟期即Ⅰ阶段。明显燃烧期即Ⅱ阶段。后燃期即Ⅲ阶段。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程着火延迟期明显燃烧期后燃期第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价A、特点：火花放电的电压高，局部温度可达3000K，混合气氧化反应速度逐渐加快；缸内压力无明显升高。B、评价指标着火延迟期长度Dj12=j2-j1着火延迟期（1）着火延迟期第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价着火延迟期（1）着火延迟期混合气成分混合气过量空气系数a为0.8~0.9时，着火延迟期最短。点火时的缸内气体状态气体温度和压力越高，着火延迟期越短。C、影响因素：第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价着火延迟期（1）着火延迟期C、影响因素：缸内气体流动紊流运动强，加快混合气氧化速度，着火延迟期缩短。火花能量火花能量大，着火延迟期缩短。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价着火延迟期（1）着火延迟期C、影响因素：残余废气量残余废气多，着火延迟期变长。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价（1）着火延迟期点火提前角为克服着火延迟期，点火需要提前。从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角称为点火提前角，表示点火时刻。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价（2）明显燃烧期明显燃烧期A、特点：燃烧速度快，缸内压力急剧升高。B、评价指标最高燃烧压力（最高爆发压力）pZ以及出现时刻j3。希望j3在上止点后15°曲轴转角之内。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价（2）明显燃烧期明显燃烧期平均压力升高率表示压力变化升高的急剧程度。232jjjDDpppz第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价（2）明显燃烧期明显燃烧期C、燃烧过程燃烧过程为火焰传播。在均质混合气中，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个燃烧室。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价（2）明显燃烧期火焰前锋的位置随着燃烧的进行而变化。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价（2）明显燃烧期火焰传播速度：火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度。汽油机火焰传播速度可达50~80m/s。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程1．正常燃烧过程的评价（3）后燃期后燃期特点：燃烧速度慢，燃烧放热因活塞下行不能利用，反而使排气温度升高。后燃虽不能绝对消除，但通过完善燃烧过程，可尽量减少。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程2．正常燃烧过程的定义唯一地由火花定时点火开始，火焰前锋以正常速度传播到整个燃烧室。3．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时，汽油机存在同一气缸各循环之间的燃烧差异和各缸之间的燃烧差异。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.1．正常燃烧过程4．汽油机的不正常燃烧当汽油机的燃烧不能按正常燃烧的要求，即并非由火花定时点火开始，或者火焰前锋速度过快；或者不是火焰前锋传播到整个燃烧室，则出现不正常燃烧。汽油机的不正常燃烧主要是爆震和表面点火。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.2．燃烧速度衡量汽油机燃烧过程完善程度的指标主要是最高燃烧压力pZ及其出现时刻j3、平均压力升高率、排气温度和排放性能(反映燃料完全燃烧程度)等指标。从发动机的动力性和经济性角度，主要是最高燃烧压力、最高燃烧压力出现时刻和平均压力升高率，这些指标与燃烧速度有关。燃烧速度是指单位时间燃烧的混合气量，可以表达为TTTAUdtdm第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.2．燃烧速度TTTAUdtdm式中T未燃混合气密度；UT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，即控制最高燃烧压力、最高燃烧压力出现时刻和平均压力升高率。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响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UT可高达50~80m/s。影响UT的主要因素是：燃烧室中气体的紊流运动、混合气成分和混合气初始温度。1.火焰传播速度UT第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素1.火焰传播速度UT（1）紊流运动紊流强烈紊流较弱紊流运动使火焰前锋燃烧区加厚，火焰传播速度加快。（参考第三章）第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素1.火焰传播速度UTa=0.85~0.95时，火焰传播速度最大，燃烧速度最快，发动机功率最大，这种混合气称为功率混合气。a=1.03~1.1时，火焰传播速度较大，氧气充足故燃烧完全，发动机经济性最好，这种混合气称为经济混合气。（2）混合气成分第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素1.火焰传播速度UT（2）混合气成分燃烧界限（参考第三章）a＞1.3~1.4，混合气过稀，火焰不能传播，为火焰传播下限；a＜0.4~0.5，混合气过浓，火焰也不能传播，为火焰传播上限。汽油机a=0.6~1.2，即空燃比A/F=9~18。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素1.火焰传播速度UT混合气初始温度高，火焰传播速度增加。发动机压缩比大，混合气初始温度高；大气温度高则混合气初始温度也高。其他引起进气终了温度提高的因素也导致混合气初始温度上升，但会造成充气效率下降。（3）混合气初始温度第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素火焰前锋面积与火花塞位置、燃烧室结构及活塞位置有关。利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合，可以改变不同时刻火焰前锋扫过的面积，以调整燃烧速度。它直接影响燃烧速度的变化、明显燃烧期相对应的曲轴转角位置以及压力升高率。2.火焰前锋面积AT第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素2.火焰前锋面积AT火花塞位置对火焰传播的影响第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素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、提高进气压力、采用增压技术等，均可加大燃烧速度。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.2．燃烧速度燃烧速度的影响因素3.可燃混合气密度T2.火焰前锋面积AT1.火焰传播速度UT（1）紊流运动（2）混合气成分（3）混合气初始温度第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.3．汽油机的不规则燃烧1、循环间燃烧变动同一气缸不同循环之间的燃烧差异称为循环间燃烧变动，是燃烧不稳定性体现，表现为循环的压力波动。混合气浓度以及混合质量对气缸压力变化情况影响甚大。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.3．汽油机的不规则燃烧1、循环间燃烧变动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。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.3．汽油机的不规则燃烧1、循环间燃烧变动循环间燃烧变动现象的某些特点（1）a=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。（2）低负荷时变动更为明显。（3）加强紊流有助于减少变动。（4）加大点火能量，采用多点点火，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形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.3．汽油机的不规则燃烧多缸发动机各个气缸之间的燃烧存在差异，称为缸间燃烧差异，是燃烧不均衡性体现，表现为各气缸的工作循环变化。2、缸间燃烧差异第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.3．汽油机的不规则燃烧2、缸间燃烧差异各缸间燃烧差异主要原因有：由于燃料分配不均，使各缸空燃比不一致；各缸进气量分配不均匀；各缸内空气运动不相同以及燃烧室结构的微小差异等等。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的燃烧过程4.2汽油机的燃烧过程4.2.3．汽油机的不规则燃烧2、缸间燃烧差异这些原因各自又包含若干复杂因素。其中，最主要的影响方面是混合气浓度以及分配。一般地说，所有影响到混合气形成，影响到气缸进气的因素都会发生作用。这种气缸间的燃烧差异使汽油机各气缸的空燃比和点火提前角调整不可能处于最佳状态，因而整机油耗上升，功率下降，不正常燃烧倾向增加，排放性能变差，整个汽油机性能达不到最佳状态。第四章汽油机混合气形成与燃烧——汽油机的不正常燃烧4.3汽油机的不正常燃烧A、爆震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。严重时会产生冷却水过热。功率下降，油耗上升。排放污染增加（