第四章汽油机混合气形成讲义.

第四章汽油机混合气的形成与燃烧1、汽油机燃烧过程的特点：①混合气均匀，在气缸外部形成混合气预混合时间长②火花塞放电点火，可控制点火时间、地点、能量；③传播式燃烧，燃烧速度和放热速率取决于火焰传播速度。2、火焰传播速度UT——单位时间内火焰前锋面相对未燃混合气向前推动的距离。用UT表示[m/s]。3、燃烧速度Um：单位时间燃烧的混合气质量。燃烧速度用Um表示[kg/s].Um=dm/dt=ρTUTAT[kg/s].式中ρT——未燃混合气密度；UT——火焰传播速度；AT——火焰前锋面积。一、汽油机正常燃烧：（一）汽油机正常燃烧过程：燃烧过程分为三个阶段：（Ⅰ）着火延迟期；（Ⅱ）明显燃烧期；（Ⅲ）后燃期。§4-1汽油机燃烧过程点火提前角：是指从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角。可用其表示点火时刻。（Ⅰ）着火延迟期（1-2点）：从火花塞跳火压力偏离压缩线的时间或曲轴转角。作用：点燃混合气形成火焰核心；特点：燃烧量小，压力升高不明显。火花塞放电特性：①两极电压达10～15Kv；②击穿电极间隙的混合气，造成电极间电流通过；③电火花能量多在40～80mJ；④局部温度可达3000K，使电极附近的混合气立即点燃；⑤形成火焰中心，火焰向四周传播；⑥气缸压力脱离压缩线开始急剧上升。影响τi长短的因素：①燃料，辛烷值↑→τi↑；②缸内(p+T)↑→τi↓；③混合气浓度（α=0.8~0.9时，τi最短）；④残余废气系数γ↑→τi↑⑤点火能量↑→τi↓。希望：尽量缩短并保持稳定。γ↑→τi↑（Ⅱ）明显燃烧期（2-3点）：从火焰核心形成火焰传播到整个燃烧室。作用：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度。平均压力升高率λp〔kPa／ºCA〕：式中—第二阶段终点3和起点2的压力；—第3和2相对上止点的曲轴转角。一般明显燃烧期约占20ºCA～40ºCA曲轴转角，燃烧最高压力Pmax出现在上止点后12ºCA～15ºCA曲轴转角，λp=175~250kpa/ºCA为宜。λp值过高，工作粗暴，对排污(NOx)亦不利。23,pp23,2323pppp（Ⅲ）后燃期（3点以后），从压力最高点到燃料燃烧90%以上的时间或曲轴转角。作用①火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧；②贴附在缸壁上未燃混合气层的部分燃烧；③高温分解的燃烧产物（H2、CO等）重新氧化。特点：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。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。（二）影响燃烧速度的因素燃烧速度Um：单位时间燃烧的混合气质量。Um==dm/dt=ρTUTAT[kg/s].式中ρT——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。1.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。现代汽油机的UT一般可高达50—80m/s。在5000～8000rpm，燃烧时间仅0.001～0.002s。影响UT的主要因素是：燃烧室中气体的①紊流运动②混合气成分③混合气初始温度。①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，火焰传播速度加快。紊流较弱紊流强烈②混合气成分不同，火焰传播速度也明显不同，如图所示为实验所得火焰传播速度与过量空气系数的关系。当α=0.85－0.95时，火焰传播速度最大，燃烧速度最快，功率也最大，称为功率混合比。当α=1.03－1.1时，火焰传播速度较大，氧气又充足，燃烧完全，称为经济混合比。火焰传播下限：α＞1.3－1.4时，火焰传播速度降低，甚至不能传播。火焰传播上限：α＜0.4－0.5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α在0.6－1.2范围，即空燃比A/F=9-18。③混合气初始温度Ta:Ta↑→UT↑。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。2．火焰前锋面积AT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。3.可燃混合气密度ρT增大未燃混合气密度，可以提高燃烧速度，因此增大压缩比和进气压力等，均可加大燃烧速度。（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下，1.各循环之间的燃烧差异;2.各缸之间的燃烧差异。1、循环变动:工况一定各个循环的示功不同。原因：①火花塞附近混合气的混合比；②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。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佳状态→be↑，Pe↓，不正常燃烧倾向增加，整个汽油机性能下降。影响的因素：①当α=0.8～0.9时循环燃烧变动最小；②在中等负荷以上变动较小；③加强紊流有助于减少变动，因此转速增加，一般变动减小；④加大点火能量，采用多点点火，情况可有所改善；⑤点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感。2、各缸间燃烧差异原因：主要是由于分配不均匀造成的.危害：整个汽油机be↑，Pe↓排放性能恶化。影响因素：①分配不均匀:在进气管内存在着空气、燃料蒸气、各种比例的混合气、大小不一的雾化油粒以及沉积在进气管壁上厚薄不同的油膜，要想让它们均匀分配到各个气缸是很困难的。②进气歧管的差别:各缸间进气重叠引起的干涉等现象，导致各缸进气量、进气速度以及气流的紊流状态等不能完全一致。③α的影响:各缸混合气成分不同，使得各缸不可能在最佳调整状况下工作，即各缸不可能都处于经济混合气或功率混合气浓度。④进气管的设计:进气系统所有零件的设计和安装位置都有关系，任何不对称和流动阻力不同的情况都会破坏均匀分配，其中影响最大的是进气管的设计（四）燃烧室壁面的熄火作用：在火焰传播过程中，即紧靠壁面附近的火焰是不能传播的。（1）原因：由链反应中断和冷缸壁使接近缸壁的一层混合气冷却所造成。（2）影响因素是：①当α=1左右，熄火厚度最小，混合气加浓或减稀，此厚度均增加；②负荷减小时，熄火厚度显著增加；③燃烧室内(p+T)↑→紊流↑，熄火厚度↓。（3）危害：存在大量未燃烧的烃，排气中HC↑↑。（4）解决措施：尽量减小熄火厚度及燃烧室的面容比F/Vc，以降低汽油机的HC排出量。二、不正常燃烧不正常燃烧可分（一）爆燃;（二）表面点火。（一）爆燃：处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合气（常称末端混合气），受到压缩和辐射热的作用，加速了先期反应产生了自燃。压力冲击波反复撞击缸壁。气缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦称之敲缸。（1）影响因素是：1）燃料性质：辛烷值高的燃料，抗爆燃能力强。2）末端混合气的压力、温度、压缩比和缸盖、活塞的材料。①末端混合气的(压力+温度)↑②ε↑→气缸内(压力+温度)↑→爆燃倾向↑；③气缸盖、活塞的材料使用轻金属，由于其导热性好，末端混合气压力、温度低，爆燃倾向小，可提高压缩比0.4～0.7单位。3）火焰前锋传播到末端混合气的时间:体高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间，这有利于避免爆燃。例如，气缸直径大时，火焰传播距离增加，爆燃倾向增大，故没有很大缸径的汽油机。（2）危害①严重时破坏缸壁表面的附面气膜和油膜，使传热增加，气缸盖和活塞顶温度升高，冷却系过热，功率减少，耗油率增加，②甚至造成活塞、气门烧坏，轴瓦破裂，火花塞绝缘体破裂，润滑油氧化成胶质，活塞环粘在槽内。轻微敲缸时，发动机功率上升，油耗下降；严重时，可产生冷却水过热，功率下降，耗油率上升。※正常燃烧与爆燃的不同正常燃烧的UT为50~80m/s，无压力波，在0.2~0.4Mpa/ºCA的范围内。爆燃的火焰传播速度：轻微爆燃时，火焰传播速度约为100m/s~300m/s，强烈爆燃时可高达800m/s~1000m/s。使未燃混合气瞬时燃烧完毕，局部压力、温度很高，形成强烈的压力冲击波。冲击波反复撞击燃烧室壁，发出尖锐的敲缸声。p（二）表面点火----热点点火由燃烧室内炽热表面（如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的现象，统称表面点火。点火时刻是不可控制的，多发生在ε9的汽油机上。1、早燃是指在火花塞点火之前，炽热表面就点燃混合气的现象。由于它提前点火而且热点表面比火花大，使燃烧速率快，气缸压力、温度增高，发动机工作粗暴，并且由于压缩功增大，向缸壁传热增加，致使功率下降，火花塞、活塞等零件过热。早燃会诱发爆燃，爆燃又会让更多的炽热表面温度升高，促使更剧烈的表面点火，两者互相促进，危害可能更大。2、后燃是指在火花塞点火之后，炽热表面或受热辐射点燃混合气的现象。与爆燃不同，表面点火一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致，没有压力冲击波，“敲缸声”比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成。凡是能促使燃烧室温度和压力升高以及促使积炭等炽热点形成的一切条件，都能促成表面点火。1．爆燃是火花塞跳火后末端混合气的自燃现象；表面点火一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致。2．爆燃时有强烈的压力冲击波，有尖锐的金属敲击声；表面点火没有压力冲击波，敲缸声比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成。※表面点火与爆燃的不同点：三、使用因素对燃烧的影响1、混合气浓度当α＝8~0.9时，UT、Pz、、Pe均达最高值，爆燃倾向↑。当α＝l.03~1.1时，燃烧完全，be最低。最高温度+富裕空气→NOx↑。当α＜0.8及α1.2时，UT↓→燃烧不完全，致使（CO、HC、be）↑工作不稳定。可见，在均质混合气燃烧中，混合气浓度对燃烧影响极大，必须严格控制。p2、点火提前角点火提前角是从发出电火花到上止点间的曲轴转角。其数值应视燃料性质、转速、负荷、过量空气系数等很多因素而定。点火提前角调整特性：当汽油机节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，汽油机功率和耗油率随点火提前角改变而变化的关系称为点火提前角调整特性。过小，则燃烧延长到膨胀过程，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排气温度升高，功率下降，耗油量增多。过大，则大部分混合气在压缩过程中燃烧，活塞上行所消耗的压缩功增加，发动机容易过热，有效功率下降，工作粗爆程度增加。同时由于混合气的压力过高，末端混合气燃烧前的温度较高，爆燃倾向加大。为最佳值时，不是过高，最高压力出现在上止点后合适的角度内，示功图面积最大，完成的循环功最多，发动机的动力性、经济性最好。点点点p3、转速n↑→紊流↑，火焰速度大体与转速成正比增加（图4-16），因而以秒计的燃烧过程缩短，但由于循环时间亦缩短，一般燃烧过程相当的曲轴转角增加，应该相应加大点火提前角（图41-4a）而装置离心调节点火提前器。转速增加时，火焰速度亦增加，爆燃倾向减小。4、负荷转速一定，Pe↓时，进入气缸的新鲜混合气量↓而残余废气量基本不变，故γ↑。因为残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使Um↓。为保证燃烧过程在上止点附近完成，需增大点火提前角，靠真空提前点火装置来调节。当负荷↓→混合气数量↓→γ↑→混合气稀释程度↑→起火界限更窄，火焰速度↓燃烧恶化。当负荷↓→气缸的（温度+压力）↓→爆燃的倾向↓。点5、大气状况大气压力低，气缸充气量减少，则混合气变浓，另外，压缩压力低，着火延迟期长和火焰速度慢，则经济性和动力性下降，但爆燃倾向减小。大气温度高，同样气缸充气量下降，经济性、动力性变差，而且容易发生爆燃和气阻。气阻是由于燃油蒸发而在供油系中形成气泡，减少甚至中断供油的现象。因此，在炎热地区行车时，应加强冷却系散