点燃式内燃机的燃烧

主要内容•第一节内燃机缸内的气体流动•第二节点燃式内燃机的燃烧•第三节点燃式内燃机的燃烧室•第四节压燃式内燃机的燃烧•第五节压燃式内燃机的燃烧室•第六节均质充量压缩着火燃烧发动机第五章内燃机混合气的形成和燃烧•1.燃烧过程的重要性•燃料燃烧完全的程度，直接影响到热量产生的多少和排出的废气的成分，而燃烧时机又关系到热量的利用程度。所以燃烧过程是影响发动机的动力性、经济性和排气污染的主要过程，同时与噪声、振动、启动性能和使用寿命也有重大关系。2.对燃烧过程的要求1）燃烧完全，释放出尽可能多的热能，减少废气中的有害物质。2）燃烧及时，使放热集中在上止点附近，提高热功转换能力。3.燃烧过程的研究方法高速摄影法、示功图法•1、火花塞跳火•2、缸内压力线偏离纯压缩线的始点•3、缸内最高压力点•θ-点火提前角一、示功图上的关键点Ⅰ-滞燃期Ⅱ-显燃期Ⅲ-补燃期汽油机的燃烧过程汽油机的燃烧过程指从点火开始到燃料基本烧完为止的过程。汽油机的正常燃烧研究方法：测取燃烧过程的展开示功图。火花塞信号气缸压力压缩线5.2点燃式内燃机的燃烧燃烧是一种放热的氧化反应。汽油机具有重量轻、尺寸小和低温起动性能好等优点，且工作柔和、运转平稳、制造成本低。注意：汽油机和气体燃料发动机的燃烧属于预混合燃烧。原因：在进气过程中，汽油蒸发及其和空气混合的时间比燃烧反应要快得多，或者在火焰到达前燃料与空气已充分混合。缺点：热效率低，燃油消耗率高。一、均质混合气的着火界限、点火过程、火核生成与火焰传播定容燃烧弹来研究燃烧过程。均质混合气与汽油机类似。１.着火界限过稀过浓放电热值低，放热少燃烧不完全，放热少不形成火焰中心，无火焰传播混合气的浓度界限称为着火界限（稀限、浓限）１）与燃料有关２）混合气的初期放热率和散热速率温升有利于放热率的提高和散热率的降低，扩大着火界限３）残余废气系数增大，着火界限缩小４）火花塞附近，易着火５）燃烧室相互作用设计要利于火花塞附近废气的清扫汽油机着火稀限φamax=1.3-1.4，一般地1.25~1.35，汽油机工作不稳定，油耗增大，再稀，则熄火；浓限φamin无意义２.点火过程击穿阶段电弧阶段辉光放电阶段火花塞电极在很高的电压（约10～15kv）作用下击穿电极间隙内的混合气，离子流从火花塞的一个电极奔向另一个电极。这时，间隙阻抗迅速下降，形成一个很窄的（大约40μm直径）的圆柱状的离子化的气体通道。它的温度升至60000K，压力上升到几十个MPa，从而产生一个强烈的激波向四周传播，使等离子通道的体积迅速膨胀（约膨胀到直径2mm），而它的压力、温度迅速下降，通过火花塞间隙的峰值电流高达200A，但整个击穿阶段的时间很短，约10ns。电弧阶段击穿阶段的末期形成了电极间的电流通道，因此电弧放电的电压较低（50-100V），但电流仍很高，与击穿阶段的电极间电流通道内气体完全离解或离子化相反，在电弧阶段放电带的中心部分的离解程度仍很高，但离子化程度比较低（约1%）。在阴极和阳极山的电压降是电弧放电电压降的主要部分，电能储藏在这些电极的表层区域，由金属电极导走，这是电弧总能量的一个重要部分。辉光放电阶段辉光放电阶段的特征是电流低于200mA，在阴极上有大的电压降（300～500V）且温度较高，离子化程度很低（低于0.01%）。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，气体的最高平均温度下降到3000K。３.火核生成与火焰传播火花点火的着火过程：小部分混合气温升被点燃、形成火核。初始火杭快速传播，放热大，不被淬熄高的点火能量诱导出高的火焰传播速度４.层流燃烧速率与火焰传播速率层流燃烧速率ＳＬ定义：火焰前锋面相当于静止未燃混合气的传播速率kLfudmdtSAkLfudmdtSA火焰面积未燃混合气密度质量燃烧率0()()293101.3uLLTpSS0()()293101.3uLLTpSS2030.554.9(1.21)LS2030.554.9(1.21)LS21.80.8(1)21.80.8(1)0.160.22(1)0.160.22(1)经验公式当量燃空比层流燃烧速率无拉伸拉伸火焰前锋面积不变的层流燃烧速率火焰前锋面积变化的层流燃烧速率由试验装置直接测出拉伸层流燃烧速率，经数据处理得到无拉伸层流燃烧速率湍流火焰速率ＳＴ大尺度的湍流使火焰前锋面扭曲，增大火焰前锋面积，分裂成更多的燃烧中心，火焰速率增大；小尺度增大火焰面中气体的混合，速率增大过强的湍流火焰传播速率降低(10.00197n)TLSS(10.00197n)TLSS火焰传播速率：火焰前锋相对燃烧室壁面传播的绝对速率如果在正常火焰锋面到达后，将（火焰锋面前）未燃混合气引燃，称为正常燃烧。汽油机的正常燃烧过程一般分为三个阶段，即：1、着火阶段（滞燃期）2、急燃期3、后燃期汽油机的燃烧阶段首先，在压缩行程中，在上止点前θ角跳火后，并不立即形成火焰核心。一段时间后，在电火花附近形成了火焰核心。随后向外传播。二、点燃式内燃机中的正常燃烧滞燃期τi因素：燃料的理化性质点火时缸内压力、温度——压缩比压缩比高，滞燃期短过量空气系数φa=0.8-09汽油机τi最短残余废气量↑，τi↑气流运动强，τi略增火花能量大，τi↓1、滞燃期（着火延迟期）滞燃期－从电火花点火起，到形成火焰中心并开始火焰传播，气缸内压力开始脱离纯压缩线为止所经历的时期。点火提前角滞燃角滞燃期急燃角急燃期燃烧角后燃期开始点火形成火焰核心最高压力注意：滞燃期的长短对汽油机工作的影响不大。原因：着火时刻可用控制点火提前角的办法来达到，且燃烧放热不多。４点火提前角：从点火时刻起到活塞到达压缩上止点这段时间内，曲轴转过的角度称为点火提前角。混合可燃气体从点燃、燃烧到烧完有一个时间过程，最佳点火提前角的作用就是在各种不同工况下使气体膨胀趋势最大段处于活塞做功下降行程。这样效率最高，震动最小，温升最低。*点火过早，会造成爆震，活塞上行受阻，效率降低，热负荷、机械负荷、噪声和震动加剧，这是应该防止的。点火过迟，发动机无力，功效率低，油耗大，排气声大。不论点火过早或过迟，都会影响转速的提升。*最佳点火角受很多因素影响，如果要发动机工作在理想状态下，以下因素必须考虑：1)缸温缸压。越高燃烧越快，点火提前角要越小。影响缸温缸压的因素有：发动机压缩比、气温、缸温、负荷。大家的车在气温变化的季节有不同表现正缘于此。2)汽油辛烷值。也就是汽油牌号，越高抗爆震能力越强，相应允许更大的点火提前角。3)燃气混合比。过浓过稀燃烧速度皆慢，需增加点火提前角。这个主要看节气门开度、海拔高度。对于难以预料的情况，有些车还加装了爆震传感器，发生爆震时自动降低点火提前角。显然，要完成如此复杂的运算，靠传统的模拟点火器是难以胜任的。只有微电脑点火器，才能高速、精确、稳定地实现最佳点火提前角。2、急燃期（速燃期，明显燃烧期，火焰传播阶段）急燃期－从火焰中心开始传播到遍及几乎整个燃烧室，燃烧完绝大部分燃料的一段时间。•*从火焰中心形成到示功图上的压力达到最高点（点3）为止称为急燃期。*在均质混合气中，当火焰中心出现后，与其临近的一薄层混合气首先燃烧即形成极薄的火焰层，称为火焰前锋。*火焰前锋向前推进的法向移动速度，称为火焰传播速度。*火焰传播速度：车用一般30—60m/s。正常燃烧绝大部分燃料在这一阶段燃烧，活塞又靠近上止点，所以气缸压力急剧上升。用压力升高率来表示：[MPa/（°）]32323pppp3、p2——第二阶段起点和终点的压力（MPa）2——第二阶段终点和起点相对上止点的曲轴转角汽油机Δp/Δφ=0.2～0.4[MPa/（°）(CA)]用压力升高率来表示发动机工作粗暴程度。明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性越好，但可能导致Δp/Δφ过高，噪声、振动大，工作粗暴，对排污不利。一般明显燃烧期占20～40度曲轴转角，最高压力出现在上止点后12～15度。Δp/Δφ=0.175～0.25[MPa/（°）]为宜。注意：（1）急燃期短，放热集中在活塞位于上止点附近，热量利用较好。但可能导致压力升高率值过高，工作粗暴。（2）应避免最大压力点3到达时刻过早。（3）点3的位置可通过点火提前角来调整。Ⅲ后燃期（补燃期）后燃期－从最高燃烧压力点（急燃期终点３）起至燃料燃烧点４为止的一段时间。指明显燃烧期以后在膨胀过程中的燃烧。注意：为提高热效率，改善排放指标，应尽可能缩短后燃期。示功图上的点３表示燃烧室主要容积已被火焰充满，浩瀚燃烧速率开始降低，加上活塞向下止点加速移动，汽缸中压力从点３开始下降。此阶段参加燃烧的燃料主要有：①火焰前锋面过后，后面未及燃烧的燃料（燃烧室边缘和缝隙）再燃烧。②贴附在缸壁未燃混合气层的部分燃烧。壁面温度低，对火焰具有熄火作用，这样在壁面存在大量未燃烴，在随后的膨胀中部分未燃烴继续燃烧。③高温分解的ＣＯ２和Ｈ2O的离解严重（燃烧产物（H2、O2、CO）），膨胀温度下降后又部分复合（重新氧化）而放出热量，也当作后燃。在膨胀中远离上止点放热，热能不能充分利用，使ηi↓，Me↓，ge↑，且排气温度↑，散热量↑。过长会造成发动机过热，排气管“放炮”。希望补燃期尽可能短，后燃放热量尽可能少。（1）滞燃期和后燃期内的放热量较少，对循环热效率影响不大；（2）急燃期的放热量最多，其放热量及对应的活塞位置，对循环热效率有着决定性影响。总结：•1.上述三个阶段中,火焰传播期速度对ηi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。•2．衡量发动机工作粗暴程度的指标—明显燃烧期内的平均压力升高率△P/△ψ，•即曲轴每转1度时，缸内气体压力的平均升高量：•ΔP/Δψ=（P3-P2)/(ψ3-ψ2）[kPa/0CA]•一般使火焰中心形成点出现在TDC前12-150CA，缸内最高压力点出现在TDC后12-150CA。•ΔP/Δψ=175~245kPa/0CA二、汽油机的非正常燃烧过程压力曲线出现高频大幅波动，上止点附近的dp/dt值急剧波动，如果在正常火焰锋面到达前，其焰前反应已完成而发生自然，引起爆炸性燃烧，称为非正常燃烧。常见的不正常燃烧:爆燃和表面点火。（一）爆燃•(一)现象•1.缸内出现尖锐的金属敲击声（金属振音、敲缸(3000-7000Hz)）•2.在轻微爆燃时，发动机功率略有增加；在强烈爆燃时，发动机功率下降，工作不稳定，转速下降，伴有较大振动；•油膜破坏,机件磨损加剧；•3.燃烧室、冷却系（冷却水、润滑油）过热，排温增加；•4.Ne下降、ge升高；•5.排污增加，严重时排气冒黑烟；•6.压力线出现爆震波。•气缸盖温度上升。爆燃时的示功图注意：（1）当发生轻微爆燃时，一般听不到金属敲击声，其热效率还有所提高；（2）从循环热效率考虑，最佳点火提前角是不发出敲击声的轻微爆燃位置，但在实际工作中难于掌握和控制。1、爆燃及其危害（1）压力曲线出现高频大振幅波动；（2）爆燃过程接近等容燃烧；（3）气缸内各处压力的分布不平衡，从而形成压力脉冲，并以波的形式向外传播。（二）原因*正常燃烧：有火焰前锋，且逐层向外传，直至燃烧完毕。*爆燃：在火焰前锋到达之前,末端混合气的温度、压力超过其临界温度、压力而自燃，形成新的火焰中心,火焰传播速度加大(100~300m/s(轻微爆燃)高达800—1000m/s（强烈爆燃伴随冲击波）),迅速将燃料消耗完；缸内局部压力、温度急剧升高,压力来不及平衡,形成冲击波（激波）,冲击波反复撞击缸壁,（激波来回反射，在示功图上形成锯齿形）发出尖锐的敲缸声。*重载爬坡、急加速时易爆震，换低挡以提高发动机转速可消除爆震。汽油机的爆燃现象同柴油机的工作粗暴性的比较：燃烧本质一致，均为可燃混合气自然结果；两者在发生时间和缸内状态方面互有差异。对汽油机是优良的燃料，却是柴油机的最差燃料；反之亦然。（三）危害1、发动机过热，机件烧损汽油机燃烧终了的温度为2000~2500℃，由于冷却水和气体附面层的作用，活塞顶、燃烧室