发动机原理-第五章-汽油机混合气形成与燃烧.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本章重点：,1,、汽油机正常燃烧过程。,2,、爆燃和表面点火。,3,、影响燃烧的因素。,了解：,汽油机混合气的形成,有害排放物的生成机理与控制,汽油机燃烧室。,第五章 汽油机混合气形成与燃烧,引言,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,第一节 汽油机混合气的形成,1,、传统化油器式汽油机混合气形成,一般采用下吸式化油器,混合气形成初始位置：,喉管处,喉管处，空气的流速约为燃油流速的,2030,倍，燃油被粉碎成直径约,0.1mm,的油滴，增大了空气与燃油的接触面积。,1,、汽油喷射式汽油机混合气形成,一般采用多点、间歇燃油喷射,喷射系统的压力一般为：,200300kpa,喷射时间排气终了上止点前：,10100,CA,混合气形成初始位置：,进气门处,。,进气门处，喷油器将燃油以雾状喷入，与进入的空气形成均质预混合气。,二、燃烧过程的几个阶段,1,、滞燃期（,着火落后期,或着火延迟期）,-,火焰发展阶段,从火花塞开始跳火到火焰中心形成,着火落后期。,或：从火花塞开始跳火到缸内的压力明显脱离压缩线。,火花塞跳火（,10-15kV,）后，氧化反应需要一定时间。,当混合气局部温度升高到一定程度后（,3000K,），形成发光区，即,火焰中心,。,缸内的压力线与压缩线基本重合。,影响着火落后期的因素：,燃料的性质、混合气浓度,(,=0.80.9,最短,),、火花塞跳火时缸内压力及温度、电火花强度等。另外，与残余废气量、缸内混合气的运动等因素有关。,从火花塞跳火瞬时到活塞行至上止点时的曲轴转角，称为,点火提前角,，用,表示。一般为,20,35,CA,。,2,、急燃期（明显燃烧期或显燃期）,-,火焰的传播阶段,从火焰中心形成到示功图上的压力达到最高点为止称为,明显燃烧期,。,或：从火焰中心形成到火焰传遍整个燃烧室,火焰前锋扫过整个燃烧室，一般占,2030CA,。,混合气约,8090%,在此期间燃烧完毕。,温度、压力迅速升高，出现最高压力点,(,5MPa,),与最高温度点。,最高压力点与最高温度点有时重合。,出现最高压力点的时刻对功率和经济性有重大影响。,最高压力在上止点后,12A15A,循环功最多,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,。,火焰传播,以火核为中心呈球面波形式向周围扩展。,分：,层流火焰传播、,湍流火焰传播,层流火焰传播速度,V,L,：,火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度 。（,火焰层薄，,V,L,=0.4,0.5m/s,）,影响,V,L,因素：,温度、压力、,a,、,r,、燃料等,(,当,n=5000,8000r/min,时，燃烧时间,1,2ms,，要求速率,30,70m/s),湍流火焰传播速度,V,T,汽油机火焰传播以湍流火焰方式进行,湍流不高时：,V,T,=,V,L,(1+0.00197n),火焰前锋皱折，火焰层厚，湍流火焰传播速度一般,5080m/s,湍流不高时，与湍流强度成线性；高时成非线性,提高湍流强度可改善燃烧，但太强会出现火焰猝熄,*湍流,是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中的流体的速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。从物理结构上，是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的，这些漩涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。,3,、,后燃期（补,燃期,）,从最高压力点到燃烧结束为,后燃期,。,火焰前锋后面没有燃烧的燃料，以及附在气缸壁上的混合气层继续燃烧，此外，以及部分燃烧及高温分解的燃烧产物（,H,2,、,O,2,、,CO,等）重新氧化放热。,在膨胀过程中的燃烧，活塞远离上止点，压力下降。,在膨胀中远离上止点放热，热能不能充分利用，使,it,，,Pe,，,b,e,，且排气温度,，散热量,。过长，会造成发动机过热，排气管,“,放炮,”,。,希望后燃期尽可能短，后燃放热量尽可能少。,第三节 汽油机的不正常燃烧,(,一,),现象,1.,出现尖锐的金属敲击声；,2.,油膜破坏,机件磨损加剧；,3.,燃烧室、冷却系过热，排温增加；,4.Pe,下降、,b,e,升高；,5.,排污增加，严重时排气冒黑烟；,6.,压力线出现爆震波。,图,5-3,爆燃时的示功图,常见的不正常燃烧,:,爆震燃烧,和,表面点火。,一、,爆震燃烧,（三）危害,1,、机件过载,冲击负荷大，机件的机械负荷增加，使机件变形损坏，,噪声增大。,2,、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、燃烧室壁和缸壁的温度保持在,200,300,。爆燃,冲击波破坏燃烧室内附面层和局部高温，使活塞头和气门等烧损，,同时会引起发动机过热。,3,、润滑变差,发动机过热，使润滑效果变差，使磨损加剧。,4,、积碳增多,高温裂解产生的碳粒形成积炭,5,、,P,e,下降、,b,e,上升,另外，,高温裂解使燃烧产物分解为,CO,、,H2,、,O2,、,NO,及游离碳增,多，排气冒烟严重。,CO,、,H2,、,O2,等膨胀过程中重新燃烧，使排,温增高。,1,、燃料因素,汽油机的压缩比，应适应汽油辛烷值的要求。,2,、使用因素,转速,，进气速度,，压缩终了气体紊流度,，火焰传播速度,，,爆燃程度减弱；,残余废气,，混合气自燃温度,，着火延迟期,爆燃减弱；,过量空气系数,，在,0.85,0.95,时，自燃温度低，着火延迟期短,爆燃最严重,点火提前角（,BTDC,）,，混合气的温度和压力,易爆燃；,缸内积碳,，,使热阻加大，壁面温度升高，实际压缩比增加,爆燃加重,（五）减轻爆燃的措施,降低水温和进气温度,降低末温,降低压缩比,推迟点火,增加残余废气,3,、结构因素,燃烧室结构,能使压缩终了气体紊流速度提高，火焰传播速度加快，能避免爆燃；,火花塞的位置和数目,使火焰行程缩短，可减少爆燃；,使,末端气体,接触的燃烧室壁强,冷却,，可减少爆燃；,采用,小直径的气缸,，不易爆燃。,二、,表面点火,或热面点火,定义：,在火花点火式汽油机中，凡是不依靠火花塞点火，而是由燃烧室内炽热表面（如过热的火花塞电极、排气门、积碳）点燃混合气的现象。,早燃或早火,在火花塞跳火,之前,后燃或后火,在火花塞跳火,之后,分,非爆燃性表面点火,爆燃性表面点火,1,、非爆燃性表面点火,-,火焰以正常速度传播,1,）后燃,点火后或不点火,，,炽热表面在火焰到达前点燃混合气；,断火后发动机续转就是这种现象。,2,）早燃,炽热表面温度较高，,在点火前,，点燃混合气。,点燃区域较大，火焰传播速度快，,P,和,P,较大；,发动机易过热。,早燃的危害,压缩负功,，,缸内温度,，,与缸壁接触面积,散热量,有效功率,。,活塞连杆组的机械负荷、热负荷,使用寿命,。,图,5-4,早燃时的示功图,2,、爆燃性表面点火（激爆）,热面点火后火焰以爆燃速度传播,由燃烧室,沉积物,引起的,压力升高率高,5,倍，最高压力高,150%,原因：,发动机低速、低负荷运转时，燃烧室表面极易形成导热性很差的沉积物。高速、大负荷时，沉积物被高温火焰包围，急剧氧化而白炽化，将混合气点燃。加速时，气流吹起已着火的碳粒产生多点着火，使混合气激烈燃烧。,3,、影响热面点火的因素及预防措施,凡是能使缸内的,T,、,P,降低的因素，都可预防热面点火,选用低沸点汽油和含胶质少的机油。,在燃料中加抑制热面点火的添加剂。,适当降低压缩比。,选用合格的火花塞、排气门。,4,、小结：,爆燃,表面点火,末端混合气自燃 炽热表面点燃,火花塞跳火之后 火花塞跳火之前、后,有压力冲击波 无压力冲击波,敲击声较清脆 敲击声较沉闷,二者又相互联系，相互促进。,第四节 影响燃烧过程的因素,一、燃油的影响,1,、,汽油的抗爆性,辛烷值越高，抗爆性越好。,填加各种添加剂，可提高汽油的辛烷值。,2,、汽油蒸发性,蒸发性越强，与空气混合越均匀，混合气燃烧速度越快，易于完全燃烧。,但蒸发性过强，易产生气阻。,过小,则燃烧容积较大，燃气与气缸接触面积大，损失一部分膨胀功；后燃量增大。,导致,:,散热损失大，排气温度过高，发动机过热，功率下降。但缸内温度、压力的降低,使,t,2,增大,爆燃倾向减小。,最佳点火提前角：在一定的发动机负荷、转速下，对应最大的功率和最低的燃油消耗率的点火提前角。,点火调整特性：,在一定的发动机转速、一定的节气门开度下，,Pe,与,b,e,随点火提前角的改变而变化的规律。,a,）节气门全开,b,）转速,n=1600r/min,2,）低负荷或怠速时,较浓的混合气,残余废气多，会引起断火；燃烧速度慢，发动机易过热；高温未燃成分在排气管口与空气相遇而激烈氧化，排气管放炮。,a,=0.40.5,为火焰传播上限。,3,）,a,=1.05-1.15,时，为经济混合气,燃烧最完全，热效率最高，油耗最低。,但混合气过稀，燃烧缓慢，含氧高的高温废气能点燃进气管新鲜混合气化油器回火。,a,=1.31.4,为火焰传播下限。,a,1.15,为,过稀混合气,4,）混合气成份调整特性,:,在汽油机转速，节气门开度一定，点火提前角最佳时,性能指标,(,功率,Pe,与燃油消耗率,be,等,),随混合气成份而变化的规律。,3.,发动机转速,n,图,5-9,涡流状况对火焰传播速度的影响,a),无涡流,b),有涡流,n,最佳点火提前角,（图,5-6,），,所以发动机上装有离心式点火自动提前装置。,n,c,缸内,r,末端混合气的焰前反应,t,2,爆燃倾向。,所以发动机在低速运转时最易发生爆燃。,n,缸内混合气的涡流运动（紊流）,燃料与空气的混合得到改善；压缩过程的放热量,缸内压力、温度,火焰传播速度,t,1,。,4.,发动机负荷,负荷,缸内温度、压力,，残余废气相对减少,滞燃期,t,1,末端混合气焰前反应,t,2,爆燃倾向,。,负荷,燃烧所占的曲轴转角,最佳点火提前角,。,（图,5-6,）,发动机在低负荷时，爆燃倾向减小，应增大点火提前角，,所以发动机上装有真空式点火提前装置。,5.,其他因素,进气温度,、冷却水温度,、燃烧室壁积碳、进气压力,爆燃倾向,。,总之，发动机在低速、大负荷时，最易发,生爆燃。,在使用中，调整点火提前角应在低速、大负荷工况下进行。,三、结构因素的影响（自学）,（一）压缩比,1,、,时：,缸内燃烧的最高温度、最高压力,，,it,b,e,但末端混合气易自燃，爆燃倾向,，表面点火倾向,。,2,、,P,e,、,b,e,，但受到爆燃的限制。,要防止爆燃：,a.,改进燃烧室的设计；,b.,提高汽油的辛烷值。,（二）燃烧室,1.,对燃烧室的要求：,1),容积分布要合理,要有适宜的放热规律,适宜的放热规律能够使燃油释放的热量充分利用，发动机工作柔和，运转平稳，即：,燃烧初期压力升高率小，工作柔和；,燃烧中期急剧放热，循环功大；,燃烧后期补燃少，,it,放热规律,:,燃油燃烧时的放热率随曲轴转角而变化的规律。,图,5-10,燃烧室容积分布对燃过程的影响,2),应具有良好的抗爆性。,A.,结构尽量紧凑,面容比小（烧室表面积与容积之比）,火焰传播距离短，爆燃,散热面积小，,it,激冷区小，,HC,B.,燃烧室内的混合气要有适当的涡流强度,(,进气涡流、挤气涡流,),。,进气涡流：利用进气口和进气道的形状（切线和螺旋线）形成的,涡流。,挤气涡流：利用活塞顶部和缸盖底部狭小间隙在压缩时挤进的涡,流。,C.,降低末端混合气的温度（在汽缸盖挤气间隙处布置冷却水套）。,3,）火花塞的位置要安排适当,应装在燃烧室中央偏离排气门处。,适中,火焰传播距离短,t1,爆燃,靠排气门,t2,爆燃,靠进气门,着火稳定,4,）尽量增加进气量,进气口直径大、弯少光滑,（三）气缸直径,d,d,面容比,传热损失,经济性,。,但火焰传播距离,t,1,爆燃倾向,。,对车用汽油机，,d,一般小于,100mm,。,（四）气缸盖和活塞的材料,常用铸铁、铝。,铝的导热性好，铝制汽缸盖的表面温度低，热负荷小，爆燃倾向,，许用的压缩比,。,（五）冷却方式,水冷比风冷的爆燃倾向小，许用的压缩比高。,爆 燃,表面点火,复习思考题,1,、汽油机的燃烧过程分为几个阶段？它们如何划分的,2,、后燃期长好还是短好，为什么？,3,、什么是压力平均升高率？什么是火焰传播速度？,4,、燃油中的辛烷值、点火提前角、转速、负荷、混合气,浓度对爆燃有何影响？,5,、爆燃产生的原因和危害？,6,、什么是表面点火？如何分类？与爆燃的区别？,7,、什么是最佳点火提前角？分析点火提前角对燃烧影响,8,、当点火提前角、转速、负荷变化时，对燃烧过程有什,么影响？,9,、发动机在什么工况下易发生爆燃？为什么？（主要分,析,t1,、,t2,）,10,、汽油机的压缩比、燃烧室对爆燃有什么影响？,11,、,汽油机燃烧过程与柴油机燃烧过程的区别？,