内燃机混合气的形成和燃烧.ppt

内燃机学内燃机混合气的形成和燃烧,山东大学 能源与动力工程学院,一、点火过程与着火落后期,1火花点火过程整个放电过程对分为三个阶段：击穿阶段电弧放电阶段辉光放电阶段,(1)击穿阶段,电极在1015kV电压作用下，击穿电极间的混合气，离子流从一个电极奔向另一个电极；间隙阻抗迅速下降，一个直径约40um的圆柱状离子化的气体通道建立起来，它的温度升至60000K，压力上升到几十个MPa，产生 一个强烈的激波向四周传播；随着膨胀，压力、温度迅速下降。这一阶段称为击穿阶段。通过火花塞间隙的峰值电流高达200A，击穿阶段的时间很短，约10ns。,(2)电弧阶段,击穿阶段的末期造成了电极间的电流通道，因此电弧放电的电压较低(50l00v)，但电流仍很高。在阴极和阳极上的电压降是电弧放电电压降的主要部分电能储存在这些电极的表层区域由金属电极导走，这是电弧总能量个重要部分。此外，电弧要求有灼热的阴极，因此就造成了阴极材料的蒸发蚀损(由于击穿阶段末期等离子体体积膨胀、体外的热交换和扩散作用增强，使电弧中心区温度下降到6000K)，一般认为，在电弧阶段火焰传播开始发生。,(3)辉光放电阶段,辉光放电阶段的特征是电流低于200mA在阴极上有较大的电压降(300500v)且温度较高，离子化程度很低(低于0.01)，点火系统和储能装置(如点火线圈)的设计细节将决定这一 阶段的进程，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，气体的最高平衡温度下降到3000K。,(3)辉光放电阶段,在发动机运行条件下：对静止的具有化学计量比的混合气点火能量只需要0.2mJ；对于较稀或较浓的混合气，以及电极处混合气有较高流速时，需要点火能量为3mJ；为能使发动机在各种工况下都能可靠点火，常规点火系统供给的能量一般为30一50mJ；,1n=1400 rpm,l=1,a=40 CA BTDC,2.滞燃期,滞燃期一般用以下三种方法定义；从火花点火至缸内压力明显脱离压缩线时的时间或曲轴转角。火花点火开始后观察气缸内的火焰传播至某一设定的小的半径时所需的时间：从火花点火开始直到气缸内10的燃料燃烧完了的时间或曲轴转角(又名火馅发展角)；以上三种方法测出的滞燃期在数值上差别较大，在使用时应指明采用何种定义的滞燃期。,二、点燃式内燃机中的正常燃烧,(一)定容燃烧弹中的燃烧,图5-7 燃烧部分的膨胀和对已燃、未燃部分的压缩燃烧以后，压力温度升高，其余部分由于压缩与传热的影响，温度与压力也有所提高。后续部分的燃烧在更高的压力温度下进行。燃烧时气体膨胀，压缩已燃烧气体和未燃烧气体，使它们的压力温度再升高。,由定容燃烧弹得出的结论,相继投入燃烧的混合气，比前一层有更高的密度，燃烧速率也不相同。初期燃烧的气体因获得压缩功，最终温度较高。后燃烧的混合气，损失部分功，因而温度较低，两者相差可达数百度。燃烧造成压缩一膨胀，引起气流运动，且燃烧初期运动方向与末期相反。火焰传播速度先加速后减速。远离火焰中心的混合气在火焰前锋到达前，先期反应已有较大的发展，因而火焰前锋的速度越来越大，最后因缸壁的冷却作用而变慢。,(二)预混燃烧与扩散燃挠,汽油机和气体燃料发动机中，燃烧时在火焰到达之前燃料与空气已充分混合，这种燃烧称之为预混燃烧。在柴油机中，在滞燃期内蒸发并与空气的部分燃料的燃烧可以看作是预混燃烧。柴油机的大部分燃料是在着火后喷入气缸的，它处于一边与空气混合、一边燃烧的情况下，由于混合过程比反应速率慢，因此燃烧速率取决于混合速率。混合过程控制了燃烧速率，这就是所谓的扩散燃烧。,(三)点燃式发动机的燃烧过程,点燃式发动机燃烧过程的实际进展分成三个阶段,第1阶段-着火阶段,火花跳火到形成火焰中心的阶段。滞燃期i的长短与下列因素有关：燃料本身的分子结构和物理化学性能。点火时缸内气体的压力温度。c，i；汽油-空气混合气在时i最短。残余废气量，i。气缸内混合气运动强则i稍有增加。火花能量，i。内着火的时间可以用点火提前角控制，滞燃期长短对汽油机工作的影响不大。,第II阶段-急燃期,火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段，称为火焰传播阶段。在这一阶段内，压力升高很快，dp/d=0.2-0.4MPa。急燃期终点一般为最高压力点或最高温度点；取放热率骤然下降的时刻则更为合理。最高燃烧压力点时刻，影响发动机性能。过早，则混合气必然过早点燃，压缩负功、dp/d，pz。过迟，则膨胀比，燃烧高温时期的传热表 面积。,第III阶段-后燃期,急燃期终点至燃料基本上完全燃烧点为止。到燃烧室主要容积被火焰充满，混合气燃烧速度开始降低，活塞向下止点加速移动，气缸中压力开始下降，进入后燃期。在后燃期中主要是湍流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料，以及附在气缸壁面上的混合气层继续燃烧。此外，汽油机燃烧产物中CO2和HC的离解现象比柴油机严重，在膨胀过程中温度下降后又部分复合而 放出热量，一 般也作后燃看待。,一 般着火开始点出现在上止点前的1215CA;最高燃烧压力点出现在上止点后1215 CA;压升率在0.175 0.25MPa/CA。,(四)燃烧过程按已燃质量分量划分,在火花点火后，燃料-空气混合气的燃烧速率从很低的数值很快达到最大，然后当燃烧终点时接近零。,利用已燃质最百分数表示燃烧过程阶段,火焰发展期，是指从火花点火到燃料化学能释放10之间的曲轴转角间隔期。快速燃烧期，指火焰扩展阶段(通常指已燃质量百分数达到10)到火焰传播过程终点(通常指已燃质量百分数达到90)之间的曲轴转角间隔期。总燃烧期，整个燃烧过程的持续期，指火焰发展期与快速燃烧期之和。,（五)火焰传播速度和燃烧速率,第一章 概 论,(六)着火界限或可燃范围,电火花点燃电极间隙内的可燃混合气，它放出的热量大于向四周混合气的散热量，火焰才能传播发展；反之，将自行熄灭。过浓的混合气燃烧不完全、放热量少，过稀混合气的热值低、放热量少，均不能点火。不能点火的混合气浓度界限称为可燃范围或着火界限。要使混合气正常燃烧，必须保证混合气浓度在可燃范围内。,几种燃料的可燃范围,Engine ignition limits for different fuels(selection),实际发动机着火界限,由于各处温度、压力不完全相同，混合气不一定绝对均匀，因此着火界限比理论值范围窄。若火花塞间隙附近是浓度合适的新鲜可燃混合气，就比较容易着火；若火花塞附近有较多的残余废气，着火界限就变窄，以致不能着火。现代汽油机在较高负荷且工作正常时的着火界限大致为1.3-1.4，一般到1.25-1.35时，汽油机工作循环已不稳定，燃油消耗率迅速上升，混合气再稀一些，发动机即自行熄灭。,(七)不同工况下燃烧过程的特点,第一章 概 论,1点火提前角不同时的燃烧过程,Influence of ignition timing on the mean pressure traces,点火提前角不同时的燃烧过程,保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定，记录功率、燃油消耗率、排气温度随点火提前角的变化，称为汽油机点火提前特性。每一工况都存在一最佳点火提前角，对应发动机功率最大，燃油消耗率最低。最佳点火提前角相当于使最高燃烧压力在上止点后12-15CA时达到，这时实际示功图与理论示功图最为接近。选择最佳点火提前角时，要考虑到发动机的整个运行范围能保证最大功率而无爆燃发生。,2混合气浓度不同时的燃烧过程,汽油机的转速、节气门开度保持一定，点火提前角为最佳值时，功率、燃油消耗率、排气温度随过量空气系数的变化曲线，称为汽油机在某一转速和节气门开度下的调整特性。,混合气浓度不同时的燃烧,a=时，i最短，火焰传播速率最高。a1时，分子变更系数，燃料蒸发量，进气温度，c有所，pz、dp/d、Tmax、Pe均达到最大值，但由于不完全燃烧，be。a=1.031.1时，be达较佳值，因为气缸内燃料、空气和残余废气不能绝对均匀混合，因而不可能刚好在a=1时获得完全燃烧。混合气稍稀时，Tmax，燃烧产物离解等不良影响减少，有利于提高热效率，但是过稀的混合气使燃烧速率,燃烧时间，热效率。,混合气浓度不同时的燃烧,3负荷不同时的燃烧过程,汽油机上，转速不变，改变节气门开度调节进入气缸的混合气量，以达不同的负荷要求。节气门关小时，c，但留在气缸内的残余废气量不变，使残余废气系数，i，火焰传播速率，pz、Tmax、dp/d，冷却水散热损失相对，be。随着负荷，最佳点火提前角要提早，在汽油机中，均用点火提前真空洞节器来自动调整。,4转速不同时的燃烧过程,当n时：气缸中湍流，火焰传播速率大体与n成正比例，因而pz、dp/d随n的变化不大。散热损失，进气被加热，缸内混合得更均匀，有利于i。残余废气系数 气流吹走电火花的倾向，促使i。因此，以秒计的i与n的关系不大，但是按计的i却随n的而。在汽油机上均设有点火提前角的离心自动调节装置，使在n时，点火提前角。,点火提前角对汽油机的经济性影响,点火提前角偏离最佳值5CA，热效率下降1；偏离10CA，热效率下降5；偏离20CA，热效率下降16。影响最佳点火提前角的因素：大气压力、温度、湿度、缸体温度、燃料辛烷值、空燃比、残余废气系数、排气再循环等。传统的点火控制装置只考虑点火提前角随转速、负荷的变化。,点火提前角对汽油机的经济性影响,电喷系统中，调节点火提前角的控制逻辑为：当负荷不变时，改变点火提前角一个步长，则：点火提前后，转速增加点火再提前点火提前后，转速下降点火推迟点火推迟后，转速增加点火再推迟点火推迟后转速下降点火提前,(八)燃烧的循环变动,燃烧循环变动的危害,1燃烧循环变动现象,燃烧循环变动是点燃式发动机燃烧过程的一大特征。燃烧循环变动的定义是，在发动机以其一工况稳定运行时，这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化；燃烧循环变动的具体表现在压力曲线、火焰传播情况及发动机功率输出均不相同。当采用稀薄燃烧和在低负荷、低转速下运转时，这种循环的变动会加剧。,多循环示功图,多循环示功图,循环差别,A/F:化油器 14.7 电喷14.5,燃烧循环变动,燃烧循环变动的危害,循环的燃烧过程快馒不同，使发动机的转速和输出转矩产生波动，影响发动机的性能。燃烧快的循环，pz和爆燃的趋势都，限制了使用低辛烷值汽油和采用高压缩比。燃烧慢的循环，可能在EVO时混合气还未燃烧完，因而HC排放及油耗都会，尤其在稀薄混合气燃烧或怠速工况时。由于循环变动，每一循环点火提前角不可能都处在最佳值，影响发动机性能指标的提高，如果消除循环变动，可以pz，改善工作粗暴性和be，降低发动机排放污染。,燃烧循环变动的危害,发动机最佳点火提前角、空燃比是根据平均循环的要求确定的，对于有循环变动的绝大多数循环将不一定是最佳值;发动机的压缩比和燃料辛烷值是根据最倾向于敲缸的要求确定的，因此只有减少燃烧循环变动，才有可能获得最佳的性能。导致较高的排气污染。燃烧的循环变动导致平均指示压力以及输出转距的变动，使车辆的驱动性能恶化。,燃烧循环变动的危害,燃烧循环变动的危害,如图：过早，负功；NOx；爆燃过晚，等容度，散热，i 改变ig可调整c（注：MBT，Minimum advance for Best Torque，最大扭矩的最佳点火提前),2燃烧循环变动的表征参数,与气缸压力有关的参数，如最高气缸压力及相应的曲轴转角、最大压力升高比及相应的曲轴转角、平均指示压力的变化。与燃烧速率有关的参数，如最大燃烧速率、火焰发展角、快速燃烧角。与火焰前锋位置相应的参数，如火焰半径、火焰前锋面积、己燃和未燃的容积随时间的变化曲线、火焰到达某一指定位置所需要的时间。,2不同燃烧状况时火花塞附近出现火焰的时刻,2部分燃烧时缸内着火时刻及质量燃烧率曲线,平均指示压力变动系数,由于压力参数比较容易测量，因此常用它来表征燃烧的循环变动。从压力参数出发、可以定义出度量燃烧循环变动的一个重要参数平均指示压力变动系数,平均指示压力变动系数,怠速工况燃烧循环变动的评价,平均指示压力变动系数,3.产生燃烧循环变动的原因,缸内气体运动状况的循环变动。火花塞附近和整个气缸内的气流场是变动的，点火后形成的火焰中心的轨迹以及初始生长速率，均随气流速度的大小和方向改变。火焰向整个燃烧室发展的进程也受到气流变化的影响。由于发动机高速运行，空气、燃料、EGR和残余废气不可能获得充分的混合，缸内混合气成份不均匀，火花塞电极间隙附近混合气成分的循环变动，影响早期火焰的发展，持别是影响火焰从层流燃烧阶段到形成稳定火核的过程。,4降低燃烧循环变动的措施,1)多点点火。2)组织进气涡流，增加燃烧速率。3)提高发动机转速，在缸内形成更强烈的湍流。4)采用化学计量空燃比，由于火焰温度和传播速度比较高，因此压力变动最小、5)电喷技术，改善循环间的混合气浓度不均性6)采用速燃燃烧技术，提高火焰的传播速率7)加大点火能量、优化放电方式、采用大的火花塞间隙。,三、代用燃料的燃烧,()醇类燃料的主要物理化学特性和使用性能1甲醇、乙醇的主要物理化学性质和使用特点,醇类燃料的特点,1)甲醇Hu仅为汽油的46，乙醇为汽油的62，但甲醇、乙醇燃烧时的理论空气量也小，甲醇为汽油的43，乙醇为汽油的60。因此，当在汽油机上燃烧甲醇、乙醇时，需要加大燃料供应量，使混合气的热量大体与汽油混合气的相等。2)醇类燃料汽化潜热大，甲醇为汽油的3.7倍，乙醇为汽油的2.9倍，从而使混合气在汽化时的温降差异较大(甲醇为汽油的7倍，乙醇为汽油的4.16倍，有利于提高发动机的充量和动力性，但不利于燃料在低温下的蒸发，造成冷起动困难和暖机时间长。,醇类燃料的特点,3)醇类燃料的辛烷值高，在汽油机上使用时，可以提高压缩比，有利于提高发动机的动力性能和经济性能.4)醇类燃料的汽化潜热大，进入气缸的混合气温度低，滞燃期长，应适当加大点火提前角。,2醇类燃料在汽油机中的浴溶解度和助溶剂,汽油与一定比例的甲醇或乙醇混合起来成为一种混合燃料(15甲醇+85汽油称为M15混合燃料，纯甲醇称为M100)。由于甲醇是极性物质，在与非极性物质的碳氢化合物掺混时，只要有微量的水存在，就可能引起醇与汽油的相分离。为使混合燃料在常温和低温下保持单相，须加中、高炭醇、苯、丙酮等作为助溶剂。试验表明，在0C溶解20的甲醇仅需3.5容积的杂醇。,2醇类燃料在汽油机中的浴溶解度和助溶剂,燃用混合燃料或纯甲醇时，NOx和CO均比燃用汽油时低，但未燃甲醇和甲醛的排放高于汽油机。甲醇对有色金属、橡胶均有强烈的腐蚀作用，需要对燃油系统在结构和材料上采取措施。,乙醇-柴油混合燃料的烟度排放特性,乙醇-柴油混合燃料的NOx排放特性,不同乙醇掺混比时的燃油消耗率变化,排气成分色谱分析结果,乙醇-柴油混合燃料产生的新排放,不同乙醇掺混比时的放热规律,不同乙醇掺混比时的放热规律,四、点燃式内燃机的不正常燃烧,(一)爆燃 在某种条件下，汽油机的燃烧会变得不正常，在测录的p-a图上，压力曲线出现高频、大振幅波动，上止点附近的dp/dt值急剧波动，dp/dt)max0.2MPa/us，此时火焰传播速度和火焰前锋形状发生急剧的改变，称为爆燃。,汽油机爆燃时外部特征,1)发出金属振音(敲缸)。2)在轻微爆燃时，发动机功率略有增加；强烈爆燃时，工作不稳定，转速下降，发动机有较大振动。3)冷却系统过热(冷却水、润滑油温度均上升)。4)气缸盖温度上升。,Flame propagation of knocking combustion cycle,发生爆燃的原因,混合气内部最适宜着火部位已出现一个或数个火焰中心，并从这些中心以100-300m/s(轻微爆燃)直到800-1000m/s或更高的速率(强烈爆燃)传播，迅速将终燃混合气燃烧完毕。,火焰向前推进，使处于最后燃烧位置的那部分终燃混合气，在压缩终点温度的基础上进一步受到压缩和热辐射，加速其先期反应，以致在正常火焰到达前，终燃,发生爆燃的原因,汽油机的爆燃现象就是终燃混合气的自燃现象，它与柴油机的工作粗暴性在燃烧本质上是一致的，均是可燃混合气自燃结果，但两者发生的时间和气缸内的状况是有差异的。柴油机的工作粗暴性发生在急燃期始点，压力升高比大，但气缸内压力还是均匀的；汽油机的爆燃是发生在急燃期的终点，气缸内有压力波冲击现象。对汽油机是最优的燃料，对柴油机就是最差的燃料，反之亦然。,爆燃的发生条件,由于滞燃期，终燃混合气的温度即使达自燃温度，也不能立即着火，若在此期间，正常火焰通过了终燃混合气，就不会爆燃；因此，如火焰传播速度快，或是火焰传播距离短，即使是着火温度低的燃料也来不及发生自燃。爆燃易在燃烧室中离火花塞最远的地方以及具有高温的地方(如排气门和积碳处)发生；爆燃发生前，正常燃烧的混合气数越少，爆燃就在更大的容积中进行，爆燃也就越强烈。发动机总充量中只要有大于5的部分自燃时，就足以引起剧烈爆燃。,爆燃燃烧对发动机工的影响,(1)输出功率、热效率：爆燃时局部压力和温度，缸内压力来不及平衡，形成压力脉冲，破坏气缸壁面的层流边界层，使向气缸壁面的传热量，冷却损失，输出功率。(2)气缸过热：爆燃时，燃烧室局部过热会产生表面点火，引起气缸进一步过热，导致气缸盖、活塞发生局部金属变软、熔化或烧损。由于燃气向冷却水的传热量，排气温度。(3)零件的应力：爆燃时，由于压力增长率和最高压力都，有关零件上的作用力也，往往使连杆大头的轴承台金产生裂纹。,汽油机爆燃时活塞损坏,(二)燃料抗爆性能的评定,燃料对发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料的抗爆性能。爆燃是燃料在发动机中的自燃现象，它不仅受到燃料本身的影响，而且随发动机型式和运转条件的不同而改变。燃料的抗爆性高。压缩比能取得大一些，对改善发动机性能有利。,1研究法辛烷值(RON)和马达法辛烷值(MON),我国通常用马达法测定辛烷值。评定工作是在专门设计的可变压缩比单缸试验机（缸径/冲程=85/115）上进行；研究法的试验工况规定为：进气温度51.7，冷却水温度100，转速600r/min，点火提前角上止点前13CA，试验时调整到发生强烈爆燃。马达法的试验工况规定为：转速900r/min，冷却水温度100混合气温度149，点火提前角上止点前1426CA。试验时调整到中等爆燃,1研究法辛烷值(RON)和马达法辛烷值(MON),在试验时，先用待测定燃料工作，增加压缩比，直到爆燃仪上指示出标准爆燃强度为止；保持压缩比不变，用异辛烷C8H18与正庚烷C7H16以不同的容积比混合而成标准燃料工作。如x异辛烷与(100-x)的正庚烷混合液，能使发动机产生和被测燃料同等强度的爆燃，则称被测燃料的辛烷值为x。马达法试验时发动机运转参数定得比研究法高，因此所求出的辛烷值比较低，两者的差值称为燃料的灵敏度，反映燃料抗爆性能随发动机运转工况改变而降低的情况。,抗爆指数,抗爆指数=(RON+MON)/2直链烷烃的抗爆性最低，芳香烃的抗爆性最高。直馏汽油的MON为58-68，热裂法为63-70，催化裂化法为78-80。燃料灵敏度，直链烷烃最低，芳香烃最高。,3.抗爆添加剂,为提高汽油的辛烷值，常常在燃料中加人少量的抗爆添加剂，具体方法：1)在汽油中加入四乙铅，但是由于铅有毒和易使三效催化转换器中毒所以我国从2000年开始停止使用有铅汽油。2)在汽油中掺混一定量的甲醇、乙醇燃料，辛烷值高的醇类燃料可提高汽油的辛烷值。3)在汽油中掺混一定比例的甲基叔丁基醚或乙基叔丁基醚，增加燃料的辛烷值。,道路辛烷值,道路辛烷值（Road Octane Number），用实际汽车在给定条件下进行道路试验，并与标准燃料进行对比得到抗爆性评价指标。,(三)发动机主要结构因素与运转因素对爆燃的影响,在火花放电以后，火焰开始传播，同时终燃混合气进行焰前反应，为着火作准备。如果由火焰中心形成至正常火焰传播到终燃混合气为止所需的时间为t1；火焰中心形成至终燃混合气自燃所需时间t2；当t1t1时，发生爆燃。凡是使t1减小、t2增加的因素均可减少爆燃倾向；反之，均使爆燃倾向增加。,避免爆燃的措施,1.运转因素的影响,(1)点火提前角的影响：随点火提前角的增加，t1；pz 终燃混合气受到的挤压作用大，温度 t2：在实用的ig范围内，t2减小起决定性作用，因此随ig，爆燃倾向。爆燃在低速、节气门全开时最易发生；igc，虽影响全负荷时的功率和经济性，但对经常工作的部分负荷工况，却带来c较高，be低的好处。ig，发动机要求的辛烷值，Pe 也不大。,图5-17 不同点火提前角下的p-图,(2)转速的影响,n，火焰传播速度，t1；n，吸气损失，进气温度，使t2；n c pz，终燃混合气温度 t2。综合结果为n 时，爆燃倾向。,(3)负荷的影响,转速一定，节气门关小时，残余废气系数。气缸壁相对传热损失，pz t2，爆燃倾向。,(4)混合气浓度的影响,a值的改变将引起火焰传播速度、火焰与气缸壁的温度与终燃混合气滞燃期的改变。a 0.80.9时，火焰传播速度最高，t1最小，但此时终燃混合气的滞燃期t2也最小。在a 0.80.9时爆燃倾向最大，过浓或过稀的混合气有助于减小爆燃。,(5)燃烧室沉积物的影响,燃烧室中形成沉积物积碳；沉积物温度较高，在进气、压缩过程中小断加热混合气；沉积物是热的不良导体，终燃混合气温度；沉积物本身占有一定的体积，提高压缩比。其综合效果为沉积物的存在使爆燃倾向增加。,2结构因素的影响,缸径大，火焰传播距离长，t1，由于燃烧室面容比，t2，因而爆燃倾向。火花塞位置影响火焰传播距离。火花塞靠近排气门不易爆燃，但火花塞间隙中的废气不易清除，影响发动机低负荷时工作稳定性。轻合金导热好，爆燃倾向，可提高压缩比。燃烧室形状影响火焰传播距离、湍流强度、冷却散热量以及终燃混合气的数量和温度。火焰传播距离短、湍流强度高、火焰传播速度高的燃烧室结构，均有助于减小爆燃倾向。,(四)防止爆燃的方法,推迟点火；利用火花塞恰当布置及燃烧室合理形状等方法使火煽传播距离最小；加强对离火花塞最远处的可燃混合气的冷却，如减小终燃混合气部分的余隙高度。增加流动，使火焰传播速度增加，且终燃混合气的散热也好。利用燃烧室扫气的冷却作用可减轻爆燃。,(五)表面点火,在点燃式发动机中，凡是不依靠电火花点火，而是由于炽热表面(如过热的火花塞绝缘体和电极、排气门，更多的是燃烧室表面炽热的沉积物)点燃混合气而引起的不正常燃烧现象，称为表面点火或炽热点火。这类表面点火现象较多地发生在压缩比9以上的强化汽油机中。,(五)表面点火,表面点火,容易形成炽热表面的有，排气门头部、火花塞裙部（可高达800-900）、燃室内壁凸出部位等；另外，燃室壁面积碳的导热性差难以冷却，易形成炽热表面。有资料表明，含有铅化合物的积碳更容易引燃混合气，因为铅化合物的催化作用可使积炭着火温度由600降低到340。发生在火花塞点火之前的表面点火也称早火（早燃），反之则称为后火（后燃）。,(1)正常(非爆燃性)表面点火,后火：在炽热点的温度较低时，电火花点燃混合气后，在火焰传播的过程中，炽热点点燃其余混合气，但这时形成的火焰前锋仍以正常的速度传播，称为后火；后火时，发动机断火以后像有电火花点火一样继续运转，直到炽热点温度下降以后，发动机才停转。后火对发动机影响不大。,(1)正常(非爆燃性)表面点火,早火 在炽热点温度较高时，常常在电火花正常点燃以前，炽热点就点燃混合气，由于混合气在进气、压缩行程中长期受到炽热表面的加热，点燃的区域也比较大。早火使压缩行程末期的负功很大并增加向气缸壁的散热，这进一步促使炽热点的温度升高，更早点燃混合气。单缸机早火，往往导致停车；多缸机上，一个缸早火不致停车，但压缩行程末期的高温、高压会引起发生早火的气缸的活塞连杆损坏及气门、火花塞、活塞等零件的过热。,(2)爆燃性表面点火(激爆),激爆是由燃烧室沉积物引起的爆燃性炽热点火发动机低速、低负荷时，在燃烧室表面很快形成一层沉积物，它的传热性根差，表面温度很高，沉积物中含有碳，在高温下碳粒急剧氧化而白炽化并将混合气点燃。发动机加速时，气流吹起已着火的碳粒，使混合气产生多点点燃的早火现象。这时混合气激烈燃烧，dp/d为正常燃烧的5倍，pz为正常燃烧的1.5倍，气缸内的高温、高压又促使强烈爆燃的产生，发生强烈的震音。,(3)影响表面点火的因素和防止措施,凡促进沉积物温度升高、氧气供应好以及降低混合气点火能量的因素，均促进表面点火的发生，发动机燃烧室内已有沉积物的条件下：压缩比增加；进气终点压力增加；进气温度增加；转速增加；在功率混合比下运行；大气湿度下降。均促使表面点火发生。,(3)影响表面点火的因素和防止措施,目前防止表面点火的主要措施有：选用沸点低的汽油和成焦性小的润滑油。降低压缩比。避免长时间低负荷运行和频繁加减速行驶。,(六)续走,节气门完全关闭，并且已断火之时：因发动机转速很低，进气系统中混合气流量很小，由于废气回流使其温度很高；怠速时，冷却水循环不良混合气因高温而自燃，使发动机在断火和节气门关闭后仍继续运转。,(七)部分燃烧、失火及发动机工作稳定性,混合气偏稀、残余废气系数大或EGR量较大时、燃烧循环变动增大，达某一数值时，发动机运转变得粗暴且不稳定，HC排放迅速增加。混合气稀释后燃烧缓慢以至在排气口开启前刚刚结束。如果燃烧过程再拉长，则有部分燃料的燃烧不能在气缸内完成；某些循环，排气门开启前火焰传播至燃烧室某一位置已熄灭，也可能混合气未被点燃。混合气更稀时，部分燃烧或失火的比例会迅速增加，并很快发展到发动机不能稳定的状态。,启动过程,怠速工况,正常燃烧,部分燃烧,部分燃烧,失火,比较,第三节 点燃式内燃机的燃烧室,一、点燃式内燃机的燃烧室(一)燃烧室设计的一般要求经济性高。一般用i或bi或相对效率表示：相对效率定义为指示效率与等容循环理论热效率之比。在常用的c911范围内，每增加一个单位，i的改善为35。燃烧放热率曲线等容度高。(dxb/d)max数值及其出现时刻，位置越靠近 TDC越好；dxb/d=f()曲线下的面积形心的位置，越靠 近TDC越好。,燃烧室设计的一般要求（续）,对大气的污染小。动力性好；不出现爆燃和表面点火等不正常燃烧；燃烧循环变动小；平均指示压力的循环变动应小于10%。工作柔和，燃烧噪声小；满足速燃要求，燃烧持续期60CA。稀燃能力强；起动性好；瞬态特性好；EGR承受能力强。,图5-19 不同燃烧室结构和火花塞位置时的燃烧角,（二）燃烧室设计要点,1.压缩比压缩比提高主要受爆燃的限制，为此，在设计燃烧室时要考虑燃烧室紧凑、火花塞位置合适，缩短火焰传播 距离；利用适当强度的湍流，加速火焰传播速度；设法降低边缘地区可燃混合气温度；尽量消除燃烧室内的热点；,提高压缩比的限制：,c，最大压升率，发动机噪声、振动；c排气污染：c，燃烧室缝隙、润滑油膜处生成的HC 燃烧室表面积与体积值比，相对激冷面积，HC排放；膨胀比，膨胀后期燃气温度，HC氧化速 率；膨胀比，排气温度，燃烧室壁面温度，燃烧室壁面吸附的燃料难以汽化，HC排放 最高燃烧温度，NOx排放。,图5-20 压缩比对HC排放的影响,2.燃烧室面容比F/V,F/V表示燃烧室的紧凑性;面容比大:火焰传播距离长，容易爆燃;HC排放高;相对散热面积大，热损失大。,3.火花塞位置及性能,火花塞布置考虑因素：火花塞应尽量靠近排气门，使受炽热表面加热的混合气及早燃烧，不致发生爆燃；火花塞间隙处的残余废气应能充分清扫，时混合气容易着火，点火瞬间不希望有过大气流流过跳火间隙。,3.火花塞位置及性能,火花塞性能：火花塞间隙增大有利于点火：火核离开壁面，避开壁面附近残余废气的影响增加间隙处混合气绝对数量；减少电极从火核中的吸热量。,图5-21 几种燃烧室的F/V与HC排放,图5-22 火花塞位置对已燃质量百分比的影内,图5-23 顶置气门燃烧室火花塞位置与辛烷值要求,a)火花塞靠近进气门 b)火花塞靠近排气门c)火花塞在进气门排 气门之间 d)采用3个火花1-排气门 2-进气门,火花塞间隙的影响,间隙内的混合气数量增加，着火概率增加。火核形成过程中，电极将从中吸收能量，若吸收热量过大，火核可能不能形成，被称为电极的“消焰”作用。mm，超过1.1mm称为宽间隙火花塞。采用更宽间隙的火花塞，如1.5-2mm，则要求的击穿电压高，一般点火系统由于不可能供给足够高的电压而引起失火。,火花塞间隙的影响,火花能量增加时能点燃稀混合气；火花能量强，火花塞间隙越宽，性能越好。为了充分发挥宽间隙的优点，需发展高能点火系统。高能点火系统具有较大的一次电流，即较高的点火能量，二次电压也上升迅速，并能有比一般点火系统更高的电压，以适应宽间隙火花塞对击穿电压的要求。,图5-24 火花塞间隙对着火性能的影响,4.燃烧室内气体流动,适当的气体流动可以：增加火焰传播速度；扩大混合气着火界限；降低循环变动率；降低HC排放。过强的气流使散热损失增加，可能吹熄火核而失火，使HC排放增加。,5.燃烧室优化途径,选择燃烧室最佳几何形状；恰当地布置火花塞位置；合理组织空气运动。遵循原则：在最大火焰前锋面积、最小面容比、最大气门尺寸等参数范围内，优化燃烧室机和形状。改善混合气分布和均匀性，减小循环变动率。,（三）典型燃烧室,图5-25 车用汽油机的楔形燃烧室,燃烧室布置在缸盖上，火花塞在楔形高处进排气门之间；气门 倾斜(630)，气道转弯少，降低进气阻力。压缩比可到910；动力性好，混合气集中在火花塞处，初期燃烧速率及压升率大。,图5-26 车用汽油机浴盆形燃烧室,燃烧室在缸盖上，宽度略超出气缸范围。以加大气门直径，其门头部与燃烧室壁面保持56.5mm距离。火焰传播距离长，燃烧速率低，压升率低。HC排放高，NOx排放低。,图5-27碗形燃烧室,燃烧室在活塞上，气缸平底。燃烧室加工容易，活塞高度、质量大。散热面积大；火花塞在挤流流入燃烧室的通道上，对点火有影响，特别是点火时刻的波动，使火花塞间隙处流动状况有大的波动。,图5-28 半球形燃烧室,燃烧室在缸盖上，配以凸起的活塞顶面。燃烧室紧凑，火花塞布置在中间，火焰传播距离短；进排气门倾斜布置，气流进入气缸转弯小，进气阻力小。相对散热面积小，HC排放低；燃烧速率大，工作粗暴，NOx排放高；,5.其他类型燃烧室,产生湍流的辅助燃烧室(TGP)在燃烧室中设置副室，并在喷孔部位配置火花塞，混合气被点燃后流入副室，在压缩过程中，一边对火花塞间隙进行扫气，一边使混合气产生适当的流速。副室内的压力随着火焰传播而升高，然后喷入主燃烧室，产生湍流，促进主燃烧宦的燃烧。,产生湍流的辅助燃烧室(TGP)的性能,双火花塞燃烧室,在离半球形中心的两边等距离处布置两只火花塞(相距1/2直径)，因而火焰传播距离接近缩短了1/2，从而可推迟最佳点火定时，提高点火时的混合气温度和压力，使着火性能改善，燃烧持续期缩短，提高发动机的性能。,双火花塞燃烧室,二、充量分层和缸内直喷燃烧系统,缸内直喷燃烧系统：缸内直喷均质混合气燃烧系统；缸内直喷分层燃烧系统。,HCCI,(一)分层燃烧,均质混合气着火范围：A/F 12.617。其缺点：混合气浓度须维持在点火范围内，决定了汽油机只能用变量调节，由于泵吸损失，低负荷的经济性较差。容易爆燃。凡是火焰传播速度快的混合气，容易引起爆燃，因此较浓的混合气要比较稀的混合气容易引起爆燃：点火范围内的混合气热效率低。与 A/F 14.8相比，如采用A/F 20和27工作，则发动机热效率将相应提高8和12。,(一)分层燃烧,排气污染严重。一般汽油机所使用的混合比范围正是排放高的范围。如果能以稀混合气工作，特别是空燃比超过23时能正常工作，就可以得到很低的排故指标。因此，汽油机燃用稀混合气不仅可以避免上述缺点，还能得到良好的性能。,稀燃的主要困难,燃用过稀的、己进人一般汽油机失火范围的混合气的主要困难是难以形成火核；若采用大能量点火，可以点燃较稀的混合气，但当混合气过稀时，大能量的电火花虽可点火，出现火核，但在微小体积内的燃料量太小，产生热量过少，不足以聚集形成火焰而传播，从而导致失火。但一旦形成火焰，在火焰传播过程中，即使是相当稀的混合气，还是能够正常燃烧的。,图5-33 CO、HC、NOx与空燃比之间的关系,即在火花间隙周围局部形成具有良好着火条件的较浓混合气，空燃比在1213.4左方；而在燃烧室的大部分区域是较稀的混合气。为有利于火焰传播，混合气浓度从火花塞开始由浓到稀逐步过渡，即形成所谓的分层燃烧系统。,(二)典型缸内直喷燃烧系统简介,1轴向分层燃烧系统组织较强的进气涡流，燃油在进气行程的后期通过喷油器直接喷入气缸，在气缸内部形成易于点燃的浓混合气，从上至下形成内浓到稀的分层混合气。这种分层状态可维持到压缩行程的未期；本田汽车公司成功地在一台4气门发动机上通过可变进气系统实现轴向分层燃烧系统，其A/F达到22:1，部分负荷时be降低12，全负荷时采用理论A/F配合EGR，同时采用三效催化转换器，最大功率时A/F控制在12.5:1。,2.福恃缸内直喷燃烧系统(PROCD),对缸内充量冷却，可使c。与MFI相比，燃油雾化质量、泵吸损失，低速时Pe可 510。c，部分负荷be 5，由于避免了燃油在壁面的附着，怠速时be 12。用稀混合气时，be。,5)与单点喷射式汽油机相比，NOx低、HC高。6)可大幅度降低冷起动时的HC排放。7)稳定工作的最大空燃比可达25:1。,3.三菱缸内直喷分层充量燃烧系统,采用纵向直进气口形成缸内强烈的滚流，其滚流旋转方向为顺时针，这与通常的横向进气产生的缸内滚流方向正好相反，故称之为反向滚流。,燃烧室为半球屋顶形，借助于滚流运动形成火花塞周围的浓混合气，火花塞至燃烧室空间形成由浓至稀的混合气分层现象。此燃烧系统在部分负荷时燃用分层混合气，全负荷时燃用均质混合气。,三菱缸内直喷分层充量燃烧系统,三菱缸内直喷分层充量燃烧系统,部分负荷时，燃油在进气行程后期喷向半球形的活塞凹坑，喷到凹坑的燃油向火花塞方向运动，在缸内滚流的帮助下在火花塞附近形成浓混合气，燃烧室空间为整体较稀的分层混合气，稳定运转的A/F可达40:1，be大幅度。在高负荷时，燃油在进气行程的早期喷入气缸形成化学计量比或稍浓的均质混合气，油束不接触活塞顶面，燃油的蒸发将使缸内充量温度，c，所需辛烷值，c可达12，发动机的整体性能明显提高，同时采用EGR降低NOx排放。,