第六章 汽油机燃烧过程及混合气的形成

高速（混合＋着火＋燃烧＝10～2ms）高温（2000℃左右）高压（柴油机高达100bar以上）复杂过程：流动、喷雾、多相流、燃烧化学内燃机燃烧所追求的目标：高ηe(ηi)、高Pme（Pmi）、低污染、低噪声振动发动机（内燃机）燃烧的特点：第六章汽油机燃烧过程及混合气的形成Vk－1－＋tFW(T－TW)(k－1)d汽油机燃烧过程及分析影响燃烧过程的因素合理的燃烧放热规律常用典型燃烧室结构分析方法：示功图，P(φ)=f(燃烧速率、温度、燃室容积···）放热速率ROHR(RateofHeatRelease)2＋kpdpddQBdpVdkdVd1＝本章主要内容汽油机着火和燃烧的高速摄影特点：均质透明火焰，前锋面皱褶火核形成1-1.汽油机的正常燃烧过程通常根据高速摄影摄取的燃烧图或激光吸收光谱仪来分析燃烧过程。但最简便的方法是测取燃烧过程的展开示功图。展开示功图以发动机曲轴转角为横坐标，气缸内气体压力为纵坐标。图5-1为汽油机展开示功图。图中虚线表示只压缩不点火的压缩线，在燃烧压力线上，1点为火花塞跳火点。2点为燃烧压力线脱离压缩压力线点，3点为最高压力点。燃烧过程的进行是连续的，为分析方便，按其压力变化的特征，可人为地将汽油机的燃烧过程分为三个阶段。Ⅰ-着火落后期Ⅱ-明显燃烧期Ⅲ-补燃期1-1-1.着火落后期（φA～φB）特性参数：着火落后期φi10°～20°CA注意区别点火提前角θigφi相对稳定（相对柴油机），因此θig对pmax相位有重要影响现象：在φA点开始火花点火，高温单阶段着火；在φB点产生稳定的火核，开始火焰传播；φB点也可用CA05表示，即累计放热5%的相位。但pmax↑，ηi↑，Wi↑，NOx↑，机械负荷及热负荷↑；pmax位置，φc＝10～15CA（ATDC）1-1-2.明显燃烧期（φB～φC）现象：由明显火核产生～火焰充满燃烧室；90％燃料在此期间被燃烧。也称为速燃期放热速率特征值CA50：累计放热50%的相位，0～10CAATDC主要控制参数1：最高爆发压力pmax1-1-3.后燃期（φC～φD)要求：燃期短—后燃期↑，ηi↓，排温↑，甚至“放炮”燃烧净—否则，HC↑，CO↑现象燃烧剩余约10％燃料，主要存在于火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧区域、壁面附近未燃混合气1-2.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，各循环之间的循环变动和各缸之间的燃烧差异。在发动机设计中，应尽量保证不同工况时，每缸的不同循环之间的波动及不同缸之间差异最小，从而保证发动机处于最佳工作状况。但是，影响发动机工作的因素很多。对于各缸和各循环而言，混合气温度等都可能互不相同，点火提前角和化油器的调节不可能都处在最佳值，这就影响各缸和各循环初始火焰形成时刻的稳定性，导致各缸和各循环最大燃烧压力和平均指示压力的变化。1-2-1.各循环之间的燃烧差异各循环间的燃烧差异主要是燃烧的不稳定性。表现为循环的压力波动。这种波动幅度越大，燃烧越不稳定，最高燃烧压力对曲轴转角的分布离散性越大。表5-1为某汽油机测取的18个相邻循环最大燃烧压力pmax及相应曲轴转角θ的分布情况。影响循环变动的因素较多。如混合气浓度、发动机负荷、发动机转速、点火时刻、燃烧室的形状、火花塞位置、压缩比、配气定时等。为提高发动机功率、减少油耗、降低排放污染与噪声,应使燃烧变动降低到最小限度。如适当提高发动机转速及负荷、增大点火提前角、过量空气系数φat控制在0.8～0.9左右、加强气体紊流、增加点火能量、采用多点点火等。1-2-2.各缸间的燃烧差异各缸间燃烧差异主要是燃料分配不均使空气燃比不一致造成。进气空气量、进气速度、气流扰动强度、燃烧室形状、压缩比、火花塞位置的差异也有影响。各缸混合气成分不同，不能使各缸都处于经济混合气或功率混合气工作，使发动机功率下降，油耗上升，排放污染严重，甚至个别气缸出现活塞、气门过热、火花塞烧损等现象。CA6l02发动机在节气门75%开度下各缸间的燃烧差异如表5-2、表5-3所示。从燃烧示功图也可看出各缸燃烧的差异，图5-3为CA6102发动机节气门开度75%，转速n=1400(r/min)和3000（r/min)时各缸燃烧示功图。影响混合气体分配不均的因素很多，其中影响最大的是化油器和进气管。为减少各缸混合气分配不均现象，化油器安装位置应适当，保证化油器至各缸气道有接近同样的路径。进气系统的零件设计要合适，保证进气管对各缸有相同的通道（包括管长、直径、对称性等），具有较强的紊流，光滑的内表面及弯道少等。在安装过程中，要保证各缸进气管与缸体进气孔连接处对正，避免由此引起进气阻力不同。采用进气管预热等万法可以改善燃料的蒸发，以利于分配均匀。如CA6102发动机将原单歧管进气结构改为双歧管进气结构后，改善了燃料的均匀分配。采用汽油喷射技术，可以改善雾化质量，使各缸间混合气的分配均匀，如多点喷射的汽油机燃料喷射系统在各缸的进气门前装一个喷油器，使各缸供油量保持一致，发动机性能得到改善。1-3.汽油机的不正常燃烧在汽油机正常燃烧情况下，提高压缩比可以提高汽油机的动力性和燃油经济性。而当出现不正常燃烧时，热效率及功率均要下降。同时，由于不正常燃烧使零件磨损加剧，使用寿命下降，发动机振动及噪声增大，排放污染严重，发动机过热。汽油机的不正常燃烧主要有爆燃和表面点火。1-3-1.汽油机的爆燃(1)爆燃产生的原因汽油机燃烧过程中，火焰前锋以正常的传播速度向前推进，使得火焰前方未燃的混合气（末端混合气）受到巳燃混合气强烈的压缩和热辐射作用，加速其先期反应，并放出部分热量，使本身的温度急剧升高。如果火焰前锋及时到达将其引燃，直到燃烧完为止，属正常燃烧。如果火焰前锋未到达前，末端混合温度达到了自燃温度，形成新的火焰中心，产生新的火焰快速传播，这种现象称爆燃。爆燃的火焰前锋面推进速度远远高于正常燃烧的火焰传播速度，轻微爆燃时，火焰传播速度约为l00～300m/s。强烈爆燃时火焰传播速度可高达800～2000m/s。它使未燃混合气体瞬时燃烧完毕，局部温度、压力猛烈增加，形成强烈的压力冲击波。冲击波以超音速传播撞击燃烧室壁，发出频率达3000～5000hz的尖锐的金属敲击声，试验表明，发动机总充量中只要有大于5%的部分进行自燃时，就足以引起剧烈爆燃。从图5-4可以清楚地反映出爆燃与正常燃烧的差异。爆燃时的压力升高率λp比正常燃烧时高，有时可高达65Mpa/°。出现最高压力后，压力波动很大，压力升高率λp忽大忽小，从而破坏了正常燃烧示功图。它使发动机功率下降，零件冲击载荷增加，使用寿命下降，发动机过热。(2)爆燃的危害由于爆燃时的压力波动，不能使燃气对活塞作功更多。汽车重载上坡时，允许有轻微的短时间的爆燃，因为轻微的爆燃可以使燃烧过程缩短，有利于提高有效热效率。但不允许严重的爆燃，严重爆燃会有下列危害。Ⅰ.机件过载强烈爆燃时的冲击波能使缸壁、缸盖、活塞、连杆、曲轴等机件的机械负荷增加，使机件变形甚至损坏。Ⅱ.机件烧损汽油机燃烧终了的温度可达2000oc-2500oc，而活塞顶，燃烧室壁及缸壁的温度仅为200oc-300oc。除了冷却水的作用外，能够维特这样低温度的原因，还包括在这些壁面上形成了气体的附面层，它起到隔热的作用。而强烈爆燃时的冲击波会破坏这一附面层，使机件直接与高温燃气接触。而严重爆燃时，局部燃气温度可高达4000oc以上，这样会使活塞头部和气门等机件烧损。同时热量传给冷却水引起过热。Ⅲ性能指标下降严重爆燃时的局部高温及强烈的压力冲击波，破坏了附面层，气体向缸壁的传热量大大增加，使热效率下降，功率降低，耗油率增加。由于传热损失增加，使冷却水和润滑油温度增加，引起润滑油的润滑效果变差，零件磨损加剧。试验表明，严重爆燃时磨损量比正常燃烧时大27倍。爆燃时的局部高温引起热分解现象严重，使燃烧产物分解为CO、H2、O2、NO、及游离碳的现象增多，排气冒烟严重。CO、H2、O2等在膨胀过程中重新燃烧又使补燃增加，排气温度增高。爆燃产生的炭碳粒形成积炭，破坏活寒环、火花塞、气门等零件的正常工作。使发动机可靠性下降。由于爆燃在气缸内形成的强烈的压力冲击波，在缸壁，活塞顶及缸盖底面之间的来回反射，强迫缸壁等零件振动，使噪声增大。为了提高发动机效率，可以采取提高压缩比的措施，但是，由于同时提高了缸内混合气的压力、温度，使末端混合气易自燃着火，引起爆燃，因而爆燃限制了压缩比的提高，进而限制了热效率的提高。(3)减轻爆燃的措施①降低水温和进气温度②降低末端混合气温度③降低压缩比④推迟点火⑤增多残余废气1-3-2.表面点火(1)表面点火现象在汽油机中，凡是不靠电火花点火而由燃烧室炽热表面（如过热的火花塞绝缘体和电极、排气门、炽热的积炭等）点燃混合气而引起的不正常燃烧现象，称为表面点火。根据被炽热表面点火的火焰是否始终以正常速度进行传播，表面点火可分为非爆燃性表面点火和爆燃性表面点火。(2)非爆燃性表面点火如果表面点火发生在正常点火时刻之前称为早火，发生在正常点火时刻之后称为后火。图5-5为非爆燃性表面点火示功图。Ⅰ.后火火花塞跳火点燃混合气后，在火焰传播过程中，由于炽热表面使火焰前锋未扫过区域的混合气被点燃，但形成的火焰前锋仍以正常的火焰传播速度向未燃气体推进，称为后火。这种现象可在发动机断火后发现，发动机仍象有电火花点火一样，继续运转，直到炽热点温度下降到不能点燃混合气为止，发动机才停止转动。Ⅱ.早火（早燃）高温炽热表面在火花塞跳火前点燃混合气的现象称为早火。发生早火时，炽热表面温度较高。由于混合气使进气和压缩行程中长期受到炽热表面加热，点燃的区域比较大，一经着火，势必使火焰传播速度较高，压力升高率过大。常使最高压力点出现在上止点之前，压缩功过大，发动机运转不平稳并发生沉闷的敲击声。同时，早燃的发生使散热损失增加，传给冷却水的热量增多，容易使发动机过热，有效功率下降。甚至在压缩过程末期的高温高压下会引起机件损坏。非爆燃性表面点火大体是发动机长时间高负荷运行致使火花塞绝缘体、电极或排气门温度过高而引起。(3)爆燃性表面点火（激爆）激爆是一种表面点火现象，它是由燃烧室沉积物引起的爆燃性表面点火，是一种危害最大的表面点火现象。发动机低速低负荷（水平路上，汽车行驶速度低于20公里/小时）运转时，燃烧室表面极易形成热性很差的沉积物。它使高压缩比汽油机的表面温度更高。此外，沉积物颗粒被高温火焰包围，使其急剧氧化而白炽化，将混合气点燃。在发动机加速时，气流吹起已着火的碳粒，使混合气产生多火点燃的着火现象，致使混合气剧烈燃烧，压力升高率和最高燃烧压力急剧增加。试验证明，此时压力升高率比正常值高5倍，最高燃烧压力比正常值高l50%，气缸内的高温、高压又促使爆燃的产生，发出强烈的震音，危害极大。爆燃和表面点火均属不正常燃烧现象。但两者是完全不同的不正常燃烧现象。图5-6为各种非正常燃烧过程的示功图。由上述分析可知，爆燃是火花塞跳火末端混合气的自燃现象，表面点火是火花塞跳火以前或跳火时刻以后由炽热表面或沉积物点燃混合气所致；爆燃时火焰以冲击的速度传播，有尖锐的敲缸声，表面点火时火焰传播速度正常，敲缸声比较沉闷。爆燃和表面点火之间又存在某种内在联系，严重的爆燃增加向缸壁的传热，使燃烧室内形成炽热点，导致表面点火。而早燃促使压力升高率和最高燃烧压力增大，使末端混合气受巳燃混合气的热辐射，又促使爆燃的发生。(4)防止表面点火的主要措施凡是能使缸内的T、P降低的因素，都可预防表面点火，减少积炭等炽热点形成的因素都有助于防止表面点火，主要措施有：1选用低沸点的汽油（高沸点馏分尤其是重芳香烃含量要少）和成焦性小的润滑油（高分子量、低挥发性的成分要少）2.降低压缩比到8.5以下。3.避免长时间低负荷运行和汽车频繁加速行使。4.在燃料中加入抑制表面点火的添加剂，如添加磷化物可改变沉积物的物理化学性质，降低其着火能力。5.选用合格的火花塞、排气门。2.影响燃烧过程的因素2-1.燃烧速度燃烧速度指单位时间燃烧的混合气量，可以表达为：式