内燃机原理第四章.ppt

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1、第四章 内燃机的燃烧与放热41 内燃机燃烧热化学一、燃料燃烧反应方程式 内燃机燃料的主要成分为碳和氢，此外还含有少量的 氧、硫等杂质。这些成分及化合物的燃烧可用以下化学反应方程式予以表示：碳完全燃烧,碳不完全燃烧,氢燃烧,硫燃烧 甲烷燃烧 以上反应方程式中的热值均为273K时的值。对于一般碳氢化合物来说，其燃烧反应方程式可写成如下形式：,（41）,（42）,由于在空气中，对应于1mol O2，还含有3.76mol的N2及其他气体，所以，如果反应是利用空气来进行的，则在反应式中，对应所必需的1mol O2，还带入了3.76mol N2的其他气体。因而对于碳氢化合物来说，其燃烧反应方程式可写成如下

2、通式：这说明，碳氢化合物完全燃烧时，不管其分子结构如何复杂，总是生成CO2和水蒸气，其量由该碳氢化合物中碳原子和氢原子的含量而定。,二、燃料燃烧所需空气量 由以上所列燃料成分的燃烧反应方程式及其分子量关系，即可求出1kg燃料完全燃烧所需的最低空气量(即理论空气量)，将1kg燃油中各元素的含量以重量成分表示,则,1kg,燃烧过程中，完全燃烧时，C、H、O化合成为CO2，H2 O 参加燃烧的O2,H2 及燃烧产物CO2、H2O都是气态，人们引入了kmol这一便于计算的气体容积的单位。,1kmol的气体容积是以kg计的一个分子量重量气体。在压力为0.1MPa，0的标准状况下，1kmol的理论气体或近

3、似理论气体的容积相等，即为22.4。碳完全燃烧,完全燃烧需要。同样完全燃烧需要 需要 1kg燃料中有g0kg的O2，即 kmol的O2。则1kg的燃料完全燃烧需理论氧量为：MO2（）kmol,空气主要由氧气、氮气及微量惰性气体组成，空气的分子量为28.95，1kmol空气中，氧气约占0.21kmol，氮气及其它气体约占0.79kmol。因此，1kmol燃料完全燃烧所需的理论空气量为：,L0（）kmol空气/kg燃料(4-3),按重量计算为：28.95 L（kg空气）/（kg燃料）,按空气标准体积（）计为：一般石油燃料，可认为。汽油的平均组成为,可用 近似表示；柴油的平均组成为 可用 近似表示。

4、根据以上二式，汽油和柴油完全燃烧所需的理论空气量分别为：或,内燃机运转时，随着混合气形成方式和工作情况的不同，燃烧1kg燃料所耗费的实际空气质量L可能大于、小于或等于燃料完全燃烧所需的理论空气量。充入气缸内的实际空气质量与进入气缸内的燃料完全燃烧所需的理论空气量的比值称为过量空气系数，记作：=(44),有时用空燃比AF或燃空比FA来表示可燃混合气的成分。充入气缸内的实际空气质量与进入气缸内的燃料量的质量比为空燃比，即：AF=FA=1/AF 显然：可燃混合气按理论混合比混合，=1。若1，则氧量不足，称之为浓混合气；若1，则氧量过剩，称之为稀混合气。,三、燃料燃烧产物量及其物质的量的改变 根据燃料

5、燃烧反应方程式还可计算燃料完全燃烧的燃烧产物量以及燃烧反应前后分子数的改变。燃烧前，1kg燃料与空气形成的可燃混合气的总物质的量M1为:kmol(45)式中，燃料的相对分子质量。当1时，1kg燃料完全燃烧所生成的各种成分气体的物质的量为：由gCkg C生成 g Hkg H生成,L0 的空气中剩余的0.21(-1)L0 kmol的氧；N2反应前后数量不变仍为0.79。这样，燃烧产物的总物质的量：(46),将式(43)的 L0值代入式(46)，忽略gs，化简后得 对于固体和液体燃料，由于其体积与参加燃烧的空气体积相比很小，可略去不计，式(4-5)可表为：所以，1kg燃料在燃烧前及燃烧后气体物质的量

6、的增量为:,四、燃烧热与绝热火焰温度 在一定条件下，化学反应常常伴有放热或吸热现象，一般称之为反应热。单位数量(以质量、容积或物质的量表示)的燃料完全燃烧时的反应热称为该燃料的燃烧热或热值。可燃混合气经过绝热过程（燃烧时热量不向外传出）最终达到的燃烧温度，称为绝热火焰温度，又称为最高燃烧温度。实际上存在着这样一种情形，即燃烧反应进行得很快，所释放的热量不能及时传出，这时，热效应将导致燃烧产物温度急剧升高。,42内燃机缸内的空气运动内燃机缸内的空气运动是影响内燃机燃烧过程的主要因素之一。缸内的空气运动包括涡流、挤流、滚流和湍流。一、涡流 内燃机普遍采用了专门设计的进气道，使空气在吸入气缸时，能产

7、生绕气缸轴线旋转的进气涡流。（1）进气涡流的形成 主要有三种：导气屏、切向进气道、螺旋进气道。A、导气屏,图41产生进气涡流的方法（）导气屏气门；（）切向进气道（c）螺旋气道,B、切向进气道 涡流不在气道内形成，而在缸内形成。气道仅起导向作用，气流入口处 越小，产生的涡流越大，但流通系数变小（即阻力变大）。切向进气道产生中等强度的涡流，但是变化对涡流强度很敏感，生产上不易稳定，对铸造工艺要求较高（保证的一致），主要在大缸径开式燃烧室柴油机上使用，适用于要求进气涡流强度不高的内燃机。越大，涡流越弱，流通系数就越大。,C、螺旋进气道涡流是在螺旋形气道内形成的，入缸后一方面绕自身轴线旋转，另一方面绕

8、气缸轴线旋转。可以产生中等或强涡流，流通系数也很大，对涡流的敏感性相对于切向进气道也好一些。在要求较强涡流的中小型高速柴油机上得到广泛应用。,（二）压缩涡流与挤压涡流 在压缩行程开始时，因缸内存在进气涡流，随着压缩行程的进行，缸内涡流被压入口径较小的燃烧室凹坑，形成沿凹坑旋转的压缩涡流。由动量守恒，进气涡流所具有的动量矩基本不变的情况下，气流旋转半径缩小，势必使燃烧室内的涡流角速度增大。活塞上行时，除在凹坑里形成压缩涡流外，还存在一种径向的空气挤压流动，称为挤流。活塞下行时，凹坑内的气体又向外流入环行空间，产生逆挤流；如图所示：,图44挤流与逆挤流（）挤流；（）逆挤流 对于口径比较小的深坑形燃

9、烧室来说，即使在没有进气涡流的情况下，也会因活塞顶上部环形空间中的空气被挤入燃烧室凹坑内而产生空气流动。这种流动称为挤流，,对于有明显凹坑的燃烧室来说，较强的挤流分量可以诱导产生较强的小尺度气流紊动即微涡流(或湍流)。微涡流具有促使油气和空气的分子尺度均匀而迅速的混合作用；另外，其张量耗散作用还能对进气涡流起到调整阻尼作用。图45涡流微涡流与相对挤气面积的关系 1.坑内涡流；2.缸内涡流；3.挤压涡流；4.微涡流,二、滚流滚流是在内燃机进气过程中形成的另一种客观的大尺度涡流。与进气涡流相同的是，二者都是在进气过程中由进气道和气缸壁形成的。两者的区别在于涡流的旋转轴与气缸轴线平行或重合，而滚流的

10、旋转轴线与气缸轴线垂直。在一般立式内燃机中，涡流的轴线与气缸轴线平行，称为立轴涡流,而滚流轴线与气缸轴线垂直，也称为横轴涡流。还有一种涡流旋转轴即不是垂直方向的，也不是水平方向的，通常称这种涡流叫斜轴涡流，它是由涡流与滚流合成的缸内宏观气流运动。,图46滚流产生和发展,（一）滚流的产生及其发展变化对于四气门的汽油机所采用的坡屋顶燃烧室，两个进气门和两个排气门分别对称的布置在它的两侧。这样吸入缸内的空气很容易形成横向大尺度滚流，其尺度相当于缸径的大小。,为了降低进气阻力，且在缸内形成较强的滚流，必须选择适当的气道结构和形状。如图47所示，四气门汽油机的进气道一般有两种，一种是分叉式，一种是单独的

11、两个进气道。对比测试表明后者的滚流速度和流量系数要大，可见后者的滚流与通流能力要比前者强。图47两种不同结构的进气道,滚流和涡流均能起到保存进气动能，促进混合气形成和燃烧、提高空气利用率和降低燃烧系统对过量空气系数的要求等作用。但是滚流还具有比涡流在上止点更能生成大量微小涡旋，且以不规则的脉冲运动扩展成为强度很高的湍流，从而更有利于促进燃烧的进行。图48说明了缸内滚流的发展变化的三个阶段。图48缸内滚流的发展变化过程,第一阶段在进气时产生滚流运动。第二阶段在压缩早、中期，滚流遵守动量矩守恒而得到加强，但又受到壁面摩擦和流体剪切应力的抑制。第三阶段滚流受到活塞运动的挤压而破碎成微涡旋，且迅速形成

12、较强的湍流。,（二）滚流对燃烧过程的影响在滚流辅助燃烧的情况下，由于存在较强的湍流，使着火滞燃期短，火焰前锋的传播速度加快，因而使燃烧持续期明显减少。此外，还有利于改善内燃机部分负荷工况的燃烧稳定性，使之可同时获得降低油耗和污染物排放的效果。由于滚流燃烧系统对爆震相对敏感性较小，因此可以提高内燃机的平均有效压力左右。在内燃机高负荷工况下，加快燃烧可能导致压力升高率上升，使燃烧噪声增大。因此对不可调进气系统而言，它只能在发动机较窄的运行范围内获得高的性能。,为了发挥滚流对部分负荷性能的改善能力，又保证高负荷下的性能，出现了可变滚流系统。如日本雅马哈公司1995年研发成功的用于摩托车汽油机的可变进

13、气系统。，该系统根据汽油机负荷的变化转动进气控制阀来改变气道的流通面积，以达到控制滚流强度的目的。德国FEV公司也研发了一种连续可变滚流系统。该系统在汽油机整个宽广的运行范围内都具有改善燃烧的作用，且成功的实现了汽油机稀混合气的燃烧优化。该系统可使汽油机的升功率从45W/L提高到55W/L。,三、湍流内燃机内的气体流动，除涡流和滚流外，还存在着一种随机、非定常的、三维的、有旋流动，即湍流或称紊流。湍流只有在高速流动（即大雷诺数）的情况下才能产生。湍流的基本特征是具有随机性质的涡流（又称微涡流）结构，以及这些微涡旋在流体内部的随机运动，因此，湍流能引起相邻流体层间的动量、温度、浓度等的交换和脉动

14、。这有利于加速燃烧过程的进程。,（一）湍流的描述1.时间平均法如图4所示的湍流场中，某处在一特定方向上的瞬时速度：（）图49湍流场某处的速度变化式中，C脉动速度分量，因脉动可正可负，故时均值为零，即，而时均速度,在内燃机中，由于工作循环要发生周期性的变化，缸内的流动状态不可能是定常的，因此，时间平均法并不适用。一种更适用分析缸内所发生的准周期性气体流动的方法是相平均法，即把湍流的瞬时值分解为相平均值和脉动分量，如图410的方法。图410周期性湍流场某处的变化,按照此法，某曲轴转角位置时的瞬时速度可表示为：（414）式中相对平均速度的定义为：（415）式中N平均的循环数；Z发动机的行程数，对四冲

15、程机，Z4，二冲程机，Z2。是在各循环周期同一曲轴转角处所测量的大量瞬时速度的平均值。同样地，其湍流强度可表示：（416）,（二）湍流的尺度湍流场是许多大小不等的涡流组成，因此它们之间存在着相互作用。鉴于湍流脉动极其复杂和混乱，对湍流问题的研究应用统计力学的方法。在湍流的统计理论中，最常用的是相关系数，物理意义是指空间两点给定不同时刻的脉动速度之间的相互联系和相关程度。几个脉动速度之间在空间上的统计相关性分别称为时间相关和空间相关，其中由空间相关引入的湍流尺度称为欧拉尺度或欧拉积分尺度。,欧拉积分尺度l可定义为：流场中相邻的，两点脉动速度的相关系数R相对于两点间可变距离的积分，即对方向有如下定

16、义：（417）显然，当时，CuiCuj，故R1，表明两点重合，完全相关，随着的增大，两点脉动速度的相关性逐渐减弱。若两点的距离太远，则无相关意义，此时，R0。,应当指出，从物理观点来看，用间距为的两点间的相关系数来阐明湍流的影响范围，是一个十分有用，但不太严格的概念。实际上，脉动速度的变化实验测量也只能给出定性的结果。图411欧拉积分尺度与泰勒微尺度,图411所示的是方向的欧拉积分尺度，其理论值等于R随变化曲线下的面积，也等于按图中虚线所示的边长为1和的矩形面积，从数量上来说，即的值，它代表了湍流中最大涡旋尺度。愈大意味着湍流运动密切相关的范围愈大，表明涡旋有较大尺度。利用导出积分尺度的方法也

17、可以解决同一时刻两相邻空间点0和0的湍流脉动相关问题。当很小时，在0点的脉动速度可以通过0点的脉动速度及其导数按泰勒级数予以表示。将此展开式代入R取前两项，略去高阶项，并令（418）则得：这里，有2项的系数定义的长度尺寸称为泰勒微尺度，它代表了涡流中最小涡旋之间的距离。在图411中通过R曲线在0处的顶点作抛物线，其轴上的截距即为。,柯尔莫戈洛夫认为，小涡旋无法保存动能，只能消耗动能，所以它只与流体的粘性和单位质量流体的湍流能量耗散率有关。据此，可导出另一表示最小涡旋尺度的特征值。两种微尺度的数学表达式如下：，（419）式中，微尺度雷诺数。上述三中尺度之间的关系可以用一组数据加以说明。表41CF

18、R内燃机缸内湍流参数值的比较,（三）内燃机缸内的湍流图412所示的是利用热线风速仪测得的缸内相对湍流强度随曲轴转角变化的曲线。图412缸内湍流强度随曲轴转角的变化,由图可知，进气开始时，随着活塞下行，相对湍流强度不断增加，均在120CA达到最大，然后下降，直至210CA左右达到最小。随着进气门的关闭，压缩过程开始至压缩结束360CA时，又增大，在膨胀行程，从开始到450CA左右达最小，然后又开始增加直至进气门开启。总的说来，的值均大于0.2。对于压缩行程或深坑型燃烧室，因存在着较大的压缩挤流，湍流场迅速得以增强。与此同时，在压缩过程结束时发生的燃烧将进一步强化上述因活塞快速压缩所致的湍流运动，

19、促使湍流强度大幅度增加。,43点燃式内燃机的燃烧内燃机按混合方式划分压缩自燃（简称压燃）和外源点火（简称点燃）两种。柴油机属于压燃，汽油机属于点燃。近年还发展了一些新型式和双燃内燃机，兼有压燃和点燃的双重性质。不过通常把由外界加入足够大的能量（如火花塞）而使可燃混合气着火并引发燃烧的内燃机，统称为点燃式内燃机。按混合燃烧的性质划分，内燃机中的燃烧有预混合燃烧与扩散燃烧两大类，汽油机在点火前，燃料与空气已预先混合好了，因此，点火后的燃烧称为预混合燃烧。,一、汽油机的燃烧过程 1.汽油机的正常燃烧汽油机在压缩行程中，混合气的温度、压力不断升高，但氧化反应进行缓慢，燃料不能自行着火，当火花塞跳火后，

20、火花发生处的混合气温度迅速升高，激化了该处的氧化反应，很快形成火焰中心，并以近似球形表面高速向燃烧室各个方向传播，使未燃混合气燃烧。在火焰传播过程中，火焰锋面前的未燃混合气因受燃烧气体和热辐射的影响，其温度和压力不断升高，加速了自身的焰前反应过程。如果正常的火焰锋面到达后将其引燃叫作正常然烧。,如果在正常火焰锋面到达前，其锋前反应已完成而发生自燃，引起爆炸性燃烧，则称之为非正常燃烧即爆燃。汽油机的燃烧过程一般分为三个阶段如下图：,图413 汽油机的燃烧滞燃期；急燃期；后燃期；1开始点火；2形成火焰核心；3最高压力,第一阶段 滞燃期 自电火花开始点火作为起点(点1)，至形成火焰核心（点2）止称为

21、滞燃期。在此阶段内，混合气的活化中心浓度迅速增长，反应速率很快提高，形成高温单阶段着火过程。滞燃期的长短主要与点火能量、燃料分子结构和理化性能、混合气成分、点火时缸内气体的压力温度、气流运动以及点火能量的大小等影响因素有关。对于汽油机，着火时刻（点2）可用控制点火提前角的办法来达到，所以，滞燃期的长短对汽油机工作的影响不大。这一点与柴油机滞燃期的情况是截然不同的。,第二阶段 急燃期（自形成火焰核心2点至点3止）在此阶段里，火焰从火焰中心开始传播到整个燃烧室，燃完绝大部分燃料，压力升高很快，压力升高率达到0.20.4MPa/(CA)。直至出现最大燃烧压力Pmax（点3）。这阶段虽短，但燃烧放热集

22、中于压缩上止点附近，其热量利用情况较好。一般Pmax在1215CABTDC出现较好，太早压缩负功，通过改变点火提前角予以调整。,第三阶段 后燃期（自Pmax至燃料基本烧完为止）由于燃料与空气的混合并非完全均匀，以及燃烧产物在高温下可能发生热分解，因此，在紊流火焰前锋后面仍有未完全燃烧的燃料，致使燃烧在膨胀过程中继续进行。为提高热效率，减少燃烧污染物的排放量，应尽可能缩短后燃期。上述燃烧过程的三个阶段都是具有放热效应的，但多数热量是在急燃期内放出，因而它对循环热效率有决定性影响。,二、汽油机的点火汽油机的燃油消耗率和污染物排放量都与点火装置的性能有密切关系。无论是化油器式还是电控喷射汽油机，都希

23、望提高点火能量，延长点火时间，且最好火焰离散，以期能迅速形成势头强劲的火焰核心。（一）火焰核心的形成及其初期发展 研究表明，当大于最小点火能量Emin时才能成功点火。Emin的值与燃料种类、可燃混合气的浓度、压力、温度和流动状态、电极形状和间隙大小等多个因素有关。根据混合气成分和压缩压力的不同，点火所需的最小能量大体上是47。为保证各种条件下都能点火成功，实际点火的能量必须大于上述的最小能量值。,一般，汽油机的火花塞电极间隙为0.61.2，实际点火电压为1030，电压上升时间为50200单次点火能量为40100，而高能点火能量为200300。从点火开始到火焰核心形成需经历一段时间称为滞燃期（诱

24、导期），其值约为0.10.2。点火失败有两种情况，一种为点火电压不够，不能在火花塞间隙处产生跳火，出现所谓的断火现象；另一种为点火后不能形成一定容积的火焰核心和产生必要的热量，致使火焰无法向外正常传播，焰核很快熄灭，这种现象称为失火。影响点火成败的因素十分复杂，除与点火能量大小，还与火花塞的布置及附近的流动状态、燃烧室形状、混合气浓度有关。,（二）点火界限 混合气的点火只能在一定的浓度范围内才能获得成功，这一浓度范围简称点火界限。图414表明了点火界限。,图414混合气浓度与的关系1稀燃极限；2浓燃极限；3稀燃下限；4浓燃上限；B化学计量比对于浓度接近化学计量比（B点）的混合气，其成功点火所需

25、要的E值最小。混合气太浓或太稀（U形外）均不能点火。,（三）点火提前角点火提前角对汽油机工作性能影响较大，偏离最佳值10CA时，热效率下降，提前角过大汽油机还可能出现爆震现象。汽油机的点火提前角一般为2030CA，最佳点火提前角与汽油机的转速、负荷、燃烧室结构、燃料品质、空燃比等参数相关，其中转速、负荷是两个主要的影响因素。车用汽油机随着转速与负荷的变化，最佳提前角也在变化，基于此，比较多的使用点火正时调整器。目前车用新型汽油机已开始大量采用微机控制点火系统。,（四）汽油机点火系统 汽油机点火系统应根据汽油机的不同工况，以足够高的点火能量，在规定时刻准确可靠的点燃汽油机室内被压缩的可燃混合气，

26、保证缸内可燃混合气快速而又充分地燃烧。此外还能依据不同工况能自动调整点火正时。汽油机点火系统由电源（蓄电池或磁电机）、断电器、点火线圈、分电器及火花塞等组成。在采用电控汽油喷射系统的汽油机中，改为电子控制。点火信号由装于分电器内的电磁式、光电式或霍尔效应式无触点点火信号发生器送至点火器。而点火线圈初级电流的断通由晶体管开关电路来承担，点火高电压则由凸轮轴驱动的高压分电器分配给各缸的火花塞。,三、火焰结构与火焰传播速度汽油机点火成功以后，焰核能否成长为自身具有传播能力的火焰，完全取决于可燃混合气自身的化学反应速度。通常存在一个火焰传播的最小值，其值的大小意味着自身的化学反应必须进行的足够快，以使

27、化学反应热大于向周围未燃混合气的散热损失，在火焰核心形成后，自行维持燃烧反应以及火焰的正常传播。由于汽油机的正常燃烧是通过火焰锋面的传播而完成的。所以，火焰传播速度越快，质量燃烧率也就越高。,（一）层流火焰结构及其传播速度层流预混合火焰中，热量和质量传递主要是借助于导热和分子扩散而进行的。火焰锋面以层流火焰传播速度vL向未燃混合气传播，火焰面是一个厚度在1左右，甚至更薄的狭窄区域。在此区域内，可燃混合气的成分和温度都在剧烈变化。火焰锋面包括两个区域，即预热区和反应区。在预热区中，未燃混合气首先获得较热一侧因导热所给予的热量，温度开始上升，但不发生明显的反应和能量释放。当温度达到某一临界温度，碳

28、氢燃料开始裂解，生成大量的自由原子和自由基，并与自由反应区扩散来的活性中心共同作用，开始化学反应。进一步吸热和反应放热使温度迅速升高，然后进入反应区着火燃烧。,影响层流火焰传播速度的因素主要包括燃料的性质、燃空当量比、温度和压力等。最大火焰传播速度往往发生在化学计量比附近，对于任何一种由燃料和氧化剂组成的可燃混合气来说，过浓或过稀，都难以使火焰在其中传播。层流燃烧速度或火焰速度是火焰锋面相对于未燃气体沿着垂直于其表面的方向移动的速度。火焰传播速度vL由下式给出：（422）式中，质量燃烧速率，由容器中的压力升高率决定；A火焰面积，未燃混合气的密度。,（二）湍流火焰结构及火焰传播速度可燃混合气处于

29、湍流状态时，由于气体中存在着大量的湍动涡旋，使燃料和氧以及流体能量迅速传播扩散，因此，可燃混合气的混合和燃烧大大加快。在大尺度弱湍流的火焰中，其湍流尺度已超过燃烧区的厚度，在湍流脉动的作用下，火焰锋面出现如图418所示的凸凹不平或褶皱。图418大尺度湍流对火焰结构的影响（）大尺度弱湍流；（）大尺度强湍流,与平滑的火焰锋面相比，火焰锋面的扭曲变形使火焰表面积大大增加，这时的湍流火焰传播速度T要比 L大的多，且质量燃烧速率也随之增加。（1）大尺度湍流火焰：湍流的脉动速度超过了层流的火焰传播速度，流体涡旋冲破火焰表面，使单一连续的火焰锋面不再存在。而存在着大量的已燃和未燃的湍流微涡旋，呈现出如图41

30、8（）所示现象。在此情况下，已燃湍流微涡旋深入到未燃气体中，燃烧化学反应不仅在通常意义的火焰面上发生，而且也在已燃和未燃湍流微涡旋的界面上发生，使火焰面积大大增加。总之，大尺度湍流燃烧速度的增大主要是火焰表面的褶皱使表面积增大所致。,（2）小尺度湍流火焰：其燃烧速度的增大主要是漩涡运动，使整个火焰锋面传热过程强化所致。就一般湍流预混合火焰而言，它们与层流预混合火焰相比具有以下显著特点：1）燃烧速度显著增大，可达层流燃烧速度的数倍到数十倍；2）火焰面的燃烧区厚度大，可达数毫米到数十毫米；3）与层流预混合火焰相比，火焰的亮度极高。,汽油机中所发生的湍流火焰传播几乎贯穿于火核形成以后缸内燃烧的全过程

31、。汽油机中的湍流火焰传播速度在1570的范围内，其值正比于汽油机的转速。湍流火焰传播速度或湍流燃烧速度所具有的随湍流强度的增大而加快的特点，有利于汽油机以不同转速运转时，按曲轴转角计的燃烧持续时间大致保持不变。所以说，湍流混合和燃烧对于保证汽油机在一定的转速范围内正常运转是十分重要的。,湍流火焰传播速度T的计算，最常用的方法是先计算出层流的火焰传播速度L，然后按下式求得湍流火焰的传播速度，即vT=KvL（426）式中，与湍流强度有关的经验常数。,四、循环变动 对火花点燃汽油机实测示功图的观察分析发现，各循环中的气缸压力随时间变化而变化情况存在着明显的差别。这种循环间燃烧过程的不稳定性通常称为循

32、环变动，它是提高汽油机的性能的障碍之一，尤其在稀薄混合燃烧中显得更为突出。循环变动可选用循环最大燃烧压力p循环变动率 作为评价主要参数。对于N个连续循环的最大燃烧压力p进行统计分析可以求得其平均值和最大压力变动的标准偏差p，然后用下式求得值：,（427）式中，p第循环的最大燃烧压力；采样循环数；车用汽油机实际运转情况表明，当10时，汽油机的动力性和经济性将明显下降；而燃烧变动导致汽油机的噪声的增加量可达510。另外，过大的噪声和振动又会使点火系统机械传动机构、化油器、配气机构振动过大，从而引起汽油机充气量、空燃比、点火正时的波动，最终又回过头来加重燃烧循环变动。,图419所示的是汽油机燃烧变动

33、在示功图上的具体表现。可见：各燃烧循环之间在压力值与其相位、燃烧始点与燃烧持续期，以及示功图大小与形状等方面都存在着相当大的差别。统计数据表明：点火正时的偏差可达（57），最高压力偏差可达0.51.2MPa，与最高压力相应的曲轴转角偏差可达810。,图419车用汽油机的循环变动量（N=3000r/min）,影响循环变动的主要因素包括：点火正时不稳定，各循环间及同一循环中各缸混合气时空分布不均匀，各循环燃烧室内气体流动的变化，每循环实际进入燃烧室的燃料组分的差异等。运行参数同样对循环变动产生影响，（1）空燃比AF的影响空燃比控制在1213范围内时，循环变动率将变化不大；而当混合气偏稀时，循环变动

34、率明显增大。这主要是当混合气变稀时，火焰传播速率降低很明显，容易引起早期火焰不稳定，从而加剧了循环变动。,（2）汽油机转速的影响。（3）点火提前角的影响点火提前角过早或过晚都会使火焰传播速率降低，从而造成循环变动加剧。（4）循环水温的影响循环水温与燃烧初期焰核生成的条件直接有关。冷却水温高，混合气燃烧的热积累条件改善，初期焰核生成时间缩短而且比较稳定，使循环变动率明显降低。,（5）压缩比的影响压缩比增加，压缩上止点附近混合气的温度和压力都将上升，残余废气量将减少，这些都有利于火焰传播速率的提高和循环变动率的降低。（6）燃料品质的影响 燃料品质的不一致性会引起点火和燃烧稳定性的不一致，导致循环变

35、动加剧。,五、各缸充量的不均匀性 对于化油器式多缸汽油机来说，各缸充量的不均匀性是普遍存在的。这是由于通往各缸的进气支管长度及几何形状并不完全相同，使进入各缸的进气充量受到支管结构、连接方式、燃烧流程、进气管壁上油膜的沉积状况、沿壁流的燃油量及汽油机发火次序等的影响所致。对各缸流动的差异性所做的测定表明，各缸流量相对其平均流量的变化范围多在5左右，最大可达15。汽油喷射可使各缸分配汽油的不均匀性大为减小。各缸充量不均匀的程度可用分配不均匀指数MI。,六、汽油机的非正常燃烧 火花塞点火后，离火花塞较远的末端混合气，在正常火焰锋面到达前，其锋前反应已完成而发生自燃，引起爆炸性燃烧，产生金属敲击声则

36、称之为爆燃（或敲缸）。如果气缸内的混合气在火花塞点火前，已被燃烧室内其他的炽热表面点燃，则称早燃或称表面点火。爆燃和早燃均属不正常燃烧。,1.爆燃（1）爆燃及危害 汽油机爆燃时，接近等容燃烧，局部压力和温度骤然上升，造成气缸内各处压力的分布不平衡，从而形成压力脉冲（爆燃波），在燃烧室内波动，每循环燃烧过程中爆燃波要在燃烧室内波动1020次，从而引起零件的高频振动，发出金属振声。在示功图上压力曲线出现高频大振幅波动，上止点附近的dp/d高达65MPa/(CA)。,汽油机的爆燃现象同柴油机的工作粗暴性在燃烧本质上是一致的，均为可燃混合气自燃的结果。但发生的时间和缸内状态互有差异。柴油机的工作粗暴性

37、发生于急燃期始点，虽然（p/）高，但缸内压力分布仍是均匀的；而汽油机的爆燃发生于急燃期的终点，缸内的压力分布不平衡，有压力波冲击现象。,（2）影响爆燃的因素 影响爆燃的因素很多，不仅受燃料(如分子结构、添加剂等)的影响，而且还与燃烧室结构型式和运转条件(如点火提前角、转速、负荷、空燃比、冷却水温、进气温度等)有关。如果由火焰中心开始形成起至正常火焰传播到末端混合气为止所需的时间为t1，而由火焰中心开始形成起至末端混合气自燃着火所需的时间为t2，则当 t1 t2时，就不会发生爆燃，否则就会发生爆燃。因此，凡是能够使，的措施均可抑制或消除爆燃。,其主要措施：1)缩短火焰传播距离r、提高火焰传播速度

38、；2)降低末端混合气温度、增加末端混合气中残余废气的含量，使末端混合气过浓或过稀；3)当压缩比一定时，选用合适牌号的汽油。,2.早燃（1）早燃现象 早燃的外部表现与爆燃相似，不仅有强烈的敲缸声(但较沉闷)，而且伴有较大的压力升高率，使压缩行程负功很大，增加了汽油机机件的热负荷和机械负荷，从而损坏零件。但是早燃本质与爆燃不一样。早燃是燃烧室内的积碳、过热的火花塞电极和排气门等炽热点或炽热表面引燃混合气所致，一般发生于火花点火之前，无压力波产生；而爆燃是在电火花点火以后末端混合气的自燃现象，且有压力波产生。,（2）影响早燃的因素影响早燃的因素同爆燃相似，包括运转条件、燃烧室设计、混合气成分和沉积物

39、的生成等。一般来说，凡是能够降低燃烧室温度、压力和防止积碳等炽热点形成的因素和条件，都会抑制和消除早燃。,4-4 点燃式内燃机的燃烧室由理论循环可知，提高热效率的主要途径是提高压缩比，但。为了改善汽油机的燃料经济性和降低排污，近年来，提高压缩比和燃用稀薄混合气已成为当前的主要研究方向。一、汽油机典型燃烧室 根据配气机构的不同布置，燃烧室可分为侧置式和顶置式两种。侧置气门式燃烧室结构不紧凑，面容比大，散热损失多，燃烧速率低，许用压缩比小，目前在7的汽油机上已很少采用。顶置气门式燃烧室有多种型式，如楔形、盆形和半球形等。,（1）楔形燃烧室 目前汽油机比较广泛地采用了这种燃烧室，如SH490Q型车用

40、汽油机和CA72型轿车（红旗）汽油机都采用了这种燃烧室(图421)。图421 CA72型轿车汽油机楔形燃烧室,该燃烧室设置在气缸盖上，优点是结构较紧凑，火焰距离较短，散热损失小。由于进气道阻力小（进气道弯曲小），充气效率较高。火花塞布置在楔形顶部进排气阀之间，便于利用新鲜气体扫除火花塞周围的废气，缩短火焰传播路径，使抗爆性能得以提高。另外由于活塞顶有一定的挤气面积，因而能产生较强的挤流，提高燃烧速率。同时燃烧室壁对末端混合气的冷却作用也较强，其压缩比可以达到910，故这种燃烧室的经济性较好。但混合气过分集中于火花塞处，使初期燃烧率大，压升率 高，工作有些粗暴，而且燃烧温度较高。,（2）浴盆形燃

41、烧室 我国2.5t越野车上用的25Y6100Q型汽油机所采用的浴盆形燃烧室。图422 25Y6100Q型汽油机浴盆形燃烧室,该燃烧室的形状像一个椭圆形的浴盆，高度是相同的，宽度略超出气缸范围以加大气门直径。由于其气门平行于气缸轴线布置，加上为减小进气阻力，气门头部外径与燃烧室壁之间要保留5.56.5mm的壁距，因此，气门尺寸所受限制比楔形燃烧室为大，充气性能较楔形燃烧室差。火焰传播路径也较长，使汽油机的高速动力性能降低,但它结构紧凑，散热损失较小等；适当增加其挤气面积比，可以使汽油机的性能得到一定程度的改善。,（3）半球形燃烧室 燃烧室位于气缸盖上，形状大致呈半球形或篷形(图423)，一般配凸

42、出的活塞顶。它具有双行倾斜排列的气门，使配气机构变复杂，宜采用双顶置凸轮轴；但它容许布置较大的进气门，且进气道比较圆滑，气道阻力较小，充气效率高，最高转速在6000r/min以上的车用汽油机几乎都采用这种燃烧室。即使是在高的转速下，其充气系数仍然较高；火花塞能布置在燃烧室中央、火焰传播路径短，燃烧速率高。但由于燃烧室内混合气的涡流较弱，容易在低速大负荷工况时引起爆燃；此外，汽油机压升率高，工作较粗暴，NOx排放也较高。,图423半球形燃烧室,二、稀混合系统及快燃系统为使汽油机在各种工况下都能稳定可靠的工作，缸内混合气的空燃比（A/F）一般接近化学计量比，即A/F12.517。在此空燃比范围内。

43、汽油机不仅比油耗和NO、CO、HC的排放均较高，而且还易发生爆燃现象。1984年日本本田汽车公司率先在世界上推出了稀薄混合气燃烧汽油机，其空燃比高达22.1。稀燃的优点在于热效率高，可降低No排放。另外可采用高的压缩比，可进一步提高。（1）挤压射流燃烧室（2）火球形燃烧室,图424UBCI形燃烧室活塞顶,图425 火球形燃烧室,三、分层充气燃烧系统 该系统借鉴了柴油机燃油喷射和扩散燃烧的一系列经验，形成了一个改善汽油机排污，提高热效率，提高其经济性的最有前途的研究方向。分层充气燃烧系统的特点，即在火花塞附近形成具有良好点火条件的较浓混合气，其空燃比AF=1213,0.810.88；而在其余大部

44、分区域混合气较稀，空燃比AF可达20以上，可达1.35以上。这种由浓到稀的混合气非均匀分布，既容易形成火焰中心，又能使火焰迅速传播。分层充气燃烧系统的类型很多，归纳起来，如按燃烧室型式划分，有分隔式和统一式燃烧室两种；如按供油方式划分，有化油器供油和油泵供油两种。,与前述均匀混合气的燃烧系统相比，分层充气燃烧系统有如下优点：可采用更高的压缩比(15)和燃用更稀的混合气(空燃比AF 20)；汽油机功率由变量（改变节气门）调节改为变质调节，可大大降低在部分负荷时由于节气门节流而引起的泵气损失。可使火焰温度降低，有利于减少热损失和热分解，从而改善排气中有害成分（CO、HC、NOx）含量高的情况。汽油

45、机在稀混合气下工作时，其末端气体不易产生爆燃。,1.汽油喷射统一式燃烧室分层充气燃烧系统 这种燃烧系统几乎都有活塞顶凹坑即利用进气道产生缸内涡流又利用凹坑产生挤流。,图426 直喷式汽油机燃烧系统,（a）TCCS燃烧系统；（b）丰田D4汽油机控制基本概念1火花塞；2可燃混合气；3火焰面；4燃烧产物；5空气涡流；6喷油嘴,什么叫做稀薄燃烧。所谓稀薄燃烧，是指通过提高发动机内混合气的空燃比，让混合气在空燃比大于理论空燃比数值的状态下燃烧。说得直白一些，就是让汽油在很稀的混合状态下燃烧。我们知道，理论空燃比是发动机的一个基本参数，普通发动机是不能随便改变空燃比的，那如果要让发动机实现稀薄燃烧，就必须

46、具备两个条件：,首先，稀薄燃烧技术需要很强的点火能量。这一点很好理解，混合气里面汽油的比例小了，混合气被点燃就需要更大的能量，而i-DSI发动机采用双火花塞设计，就能很好的满足这一需求。其次，稀薄燃烧技术需要空气能跟汽油充分混合。汽油在混合气中的比例减小了，对于空气与燃油的混合要求就更高了。如果燃油不能与空气充分混合，当火花塞点火的时候，遇到混合不均匀的混合气中汽油更少的部分，点火将更加困难。,本田的i-DSI发动机的稀燃技术。本田这款发动机采用的是比较少见的缸外稀薄燃烧技术，虽然没有缸内直喷先进，但是相对于直喷发动机而言成本低廉。本田给这款发动机采用了传统的2气阀设计，因为2气阀发动机能在混

47、合气进入汽缸以后能较强的涡流，让汽油跟空气有更多混合的机会。i-DSI发动机就是通过这些手段解决了稀薄燃烧的基本需求，实现稀薄燃烧的。由于i-DSI是在普通缸外喷油发动机的基础上开发的，所以它更注重的是燃油经济性，而对于功率输出，则没有太大帮助。iDSI发动机通过燃烧“更稀的混合气”达到同等功率输出的情况下，燃烧更少的汽油。换句话说，就是让汽油能够更充分的燃烧，尽可能的让所有的汽油都变成动力释放出来，从而降低燃油消耗。,2.化油器供油分隔式燃烧室分层充气燃烧系统日本本田公司的CVCC（Compound Vortex Controlled Combustion）燃烧系统即为此种型式。进气时由一主

48、化油器通过主进气门向主燃烧室供给稀混合气(空燃比AF为2021.5)，另有一副化油器通过辅助进气门向预燃室供给浓混合气(空燃比AF为12.513.5)，达到分层充气的目的。主、副室之间有火焰喷孔相连，火花塞就安装在副室中。点火后火焰从通道喷出，然后扩展到整个燃烧室空间。,CVCC燃烧系统主燃烧室不组织涡流，加上混合气浓度较低，燃烧进行缓慢。其最高温度1493K，因而可抑制NOx的生成，而排气温度却较高（后燃引起），又可使HC和CO在排气过程中进一步氧化。它的各项排放指标都较好，是目前唯一不用机外净化装置而能达到美国最新排放标准的燃烧系统。但其经济性比TCCS系统差，尤其是低负荷时更差；且结构较

49、复杂，两个化油器调整也较困难，很难满足各种运转工况下控制混合气分层以达到稳定燃烧的要求。,45 柴油机的燃烧 柴油机燃烧是决定柴油机动力性、经济性和排放特性的关键。研究表明，柴油机的燃烧过程包括预混合燃烧和扩散燃烧两部分。预混合燃烧是火焰到达前燃料与氧化剂已充分混合形成可燃混合气的燃烧过程（柴油机滞燃期内形成的可燃混合气的燃烧属于预混合燃烧），扩散燃烧是燃料和氧化剂未预先混合的燃烧过程，柴油机大部分燃料是在着火后喷入缸内的，它处于边与空气混合边燃烧的情况下进行，可燃混合气形成的快慢控制其燃烧速率。柴油机中的燃烧主要是扩散燃烧。,45 压燃式内燃机的燃烧 一、可燃混合气的形成 柴油机中的混合气形

50、成过程一般从至燃料喷完后的一段时间里止。由于燃料喷入缸内需要一段时间，故随着燃料的不断喷入，缸内的混合气成分在不断地变化；使可燃混合气无论是在时间上还是在空间上都表现出极大的不均匀性。焰前反应、热分解等化学过程与蒸发、混合、扩散、流动等物理过程又相互交织在一起，使得柴油机缸内的局部空燃比有可能在从零到无穷大的范围内变化，这一情况在整个燃烧过程中始终都可能存在。,柴油机所采用的混合气形成方式主要有：燃料空间雾化混合方式(简称空间式)；壁面油膜蒸发混合方式(油膜式)；空间雾化油膜混合方式(复合式)。混合气形成的总能量主要来自喷雾动能和气流运动，视所采用的混合气形成方式和燃烧室型式的不同而有不同的数