第四章汽油机混合气形成和燃烧.docx
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第四章汽油机混合气形成和燃烧
柴油机
压燃式。
i影响大。
进入汽缸的是新鲜空气,混
pmax高,机械负荷大。
压缩比高,=12~22。
有工作粗暴问题。
组织气流运动的目的是为促进燃油与空气更好地混合。
第四章汽油机混合气形成和燃烧
汽油机与柴油机相比主要有如下特点
汽油机
1点燃式。
2i影响小。
3进入汽缸的是混合气,混合时间长。
合时间短。
4Tmax高,热负荷大。
5压缩比低,=6~10。
6有爆燃问题。
7组织气流运动的目的是为了
了
加速火焰传播,防止爆燃。
§4-1汽油机混合气形成
一、混合气形成过程
1喉口流速P雾化效果
2节气门开度喉口真空度pn,进气管真空度pi从
pnpi到pnpi
3.节气门开度一定,n
pn,pi
4.节气门开度,npn蒸发性
进气温度蒸发性
二、理想化油器特性与供油系校正
1)常用工况—中等负荷要求提供经济混合气。
2)负荷>90%以及怠速,低速下—加浓。
二)简单化油器特性
单纯依靠喉口真空度pn决定供油量的化油器。
节气门开度变化A/F变化
pnA/F—混合气浓
与理想化油器有差异,不能满足
汽油机要求。
三)主供油系校正
渗入空气法:
原因:
pn
dmF
dt
dmA
dt
改善措施:
pnmF,mA(主要方法)
加入泡沫管
开始工作时—简单化油器。
之后,pn泡沫孔起作用。
第一排孔—mFA/F
第二排孔—mFA/F
(四)满负荷加浓与怠速加浓经主供油系统校正后,负荷pnA/F。
满负荷时—要求A/F
怠速时—要求A/F
1满负荷加浓
加浓装置—机械省油装置和真空省油装置
节气门开度80~85%,pn一定程度开始起作用。
2怠速加浓
怠速加浓系统可使怠速n
三燃料调整特性
在一定节气门开度和一定转速下,有效功率Ne、有效比油耗ge随发动机燃料消耗量GT或过空气系数的变化关系。
1调节:
化油器主量孔针阀位置或浮子室真空度以改变化油器的供油量。
2记录:
GT和Ne、ge。
3得:
Nef(GT),gef(GT)曲线
4曲线:
(1)节气门全开A—功率混合气
B—经济混合气
(2)节气门部分开启
A做出不同节气门开度下的Nef1(GT),gef2(GT)曲线
B做两组曲线的包络线—理想负荷特性
5
主量孔、空气量孔的调节和确定
但转速不同,该配剂尺寸很难保证化油器在所有转速下均与理想负荷特性拟合好,这是化油器式发动机不能很好地与车用性能匹配的关键所在。
四、化油器变工况运行
1加速过程
1)急加速
dmAdmF
节气门突然开大
dtdt
油量增大滞后,导致,混合气变稀,Me反而下降,不能满足车用。
因此加设加速系统—加速泵,瞬间向缸内额外喷油。
2)稳定加速—加速泵不起作用
2急减速过程节气门突然关闭,混合气瞬间变浓。
设置节气门缓冲器,以减慢节气门关闭速度。
3起动过程
起动需浓混合气,但此时vpn,可能吸不出油,加之喉口速度,雾化差,
油滴沉积严重,使,混合气稀。
起动需=0.4~0.5,A/F=3~9的浓混合气。
设置阻风门—关闭pn主油系,怠速油系,加速油系同时供油混
合气变浓。
4多喉口与多腔化油器
多重喉口,多腔化油器—主副腔
小喉口—雾化好
大喉口—保证进气
主腔—小流量
主、副腔—大流量
五、大气条件对化油器使用的影响
海拔高度
空气。
海拔高度
1000m5.6%。
大气温度
空气经济性,排放多。
六、汽油喷射
(一)化油器式发动机的不足之处:
1部分负荷时节流损失大
2不可能在各种工况下均提供最佳混合比
3对大气条件和环境适应性差
4仅提供均质混合气
5油膜流动—各缸混合气分配不均匀
二)分类
1缸内喷射
喷咀开启压力3~5[Mpa]进气过程上止之后30~50—开始喷油
压缩冲程上止点—停止喷油。
喷油持续近2冲程—火花点火,火焰传播。
2进气管内喷射
(1)单点喷射
大喷咀位于节气门之前的化油器位置,安装空气计量装置和电子控制喷油装置,可以克服1~4的不足,但5仍存在。
(2)多点喷射
小喷咀安装于各个进气歧管之中,可克服1~5的不足,但结构复杂,成本高。
4-2汽油机的燃烧过程
一、汽油机的正常燃烧
电火花点燃均匀的可燃混合气,形成火焰中心,并且火焰从此中心按一定的速率(一般为20~60m/s)连续地传播到整个燃烧室空间,在此期间火焰传播速率,火焰前锋形状均没有急剧的变化,称之为正常燃烧。
正常燃烧分三个阶段。
一)着火延迟期i(或着火延迟角i)1-2从电火花跳火形成火焰中心。
1点以前为压缩过程,缸内压力升高不大。
1—火花塞跳火
为什么要提前:
因为要使着火在上止点附近完成,压力最高点出现在上止点后某一角度。
火花塞在1点跳火之后,并不马上形成火焰中心(虽然此时着火的物理准备过程已比较充分,但化学准备—氧化反应尚需一定的时间,哪怕这一时间再短)。
根据高速摄影表明在1点出现第一次亮点后(火花),到2'点
出第二次亮点(火焰中心已形成,但缸内压力并不是在此时急骤升高),这一段占整个燃
烧过程的15%左右。
但一般我们是按气缸内的压力线开始与压缩压力线分离的2点来计算的。
2'和2点相差甚微,并且和底片的感光性能与测压仪的灵敏度有关(与测试手段的精密度有关)。
所以,我们把2'点看做与2点重合,即在2点才形成火焰中心,并立即使压力脱离压缩线急骤升高
二)火焰传播期(急燃期)2-3
这一阶段为燃烧过程的主要阶段。
在此时间内,火焰迅速传遍整个燃烧室,混合气的绝大部分在此时期内完成燃烧(80%以上),燃料的热能绝大部分在此时间内放出(这与柴油机不同,柴油机随喷随燃,在上止点以后还在向缸内喷入燃料)。
缸内压力、温度迅速升高,pp
0.2~0.4Mpa/degCA,代表工作粗暴的程度,它与火焰传播速率
us有关。
us
p。
。
气流运动us
所以,在汽油机中,火焰传播速率是一个重要参数,它直接影响不正常燃烧的抑制,从而影响发动机的功率、效率和使用寿命。
3点为pmax点,3点'为Tmax,往往3'点与3点重合。
3点稍后一点),但这一
若取放热效率骤然下降的时刻作为急燃期的终点则更合理
点不易确定,故我们通常以使pmax的3点作为急燃期的终点。
3点的到来时刻非常重要,太早,则压缩负功t。
太迟,则热量利用t。
因为汽油机的燃烧与柴油机不同,可以人为控制,故可用调整点火提前角的方法来调整3点的到达时刻。
注意:
示功图的上下止点不容易测,目前全世界尚无一准确、标准、权威的测量方法。
(三)补燃期3-4
3点燃料基本燃烧完的4点。
3点过后,燃烧速度下降,活塞下行,使p,在3点过后的燃烧主要为
1在火焰传播期火焰前锋面没有燃烧掉的燃料继续燃烧。
2粘附在缸壁上的混合气层继续燃烧。
3由于汽油机燃烧温度高,高温分解严重。
产生的H2,O2,CO,在补燃期内,由
于温度降低,重新燃烧生成CO2,H2O,放出热量。
补燃t,T排,热负荷,经济性。
希望补燃期。
但汽油机不象柴油机随喷随燃,燃料在pmax以后还有喷入,补燃情况要小得多。
总结:
为了保证汽油机工作柔和,动力性好,一般应使2点处于上止点前12~15。
3
p
点处于上止点后12~15,0.175~0.25Mpa/degCA。
二、汽油机的不正常燃烧
(一)爆震燃烧
1爆震燃烧
汽油机在运转过程中有时会听到气缸内有明显的金属敲击声。
这种声音如果持续较长时
间以后,会引起发动机的功率,冲击载荷,摩擦,热负荷,使用寿命,排气冒烟,经济性。
根据对发动机理想循环的分析,我们知道t。
但,则爆震倾向,限制了的提高。
所以,克服爆燃现象,是汽油机的重要议题之一。
2产生的原因—终端混合气自燃
电火花点火后,火焰以正常的传播速度20~60m向前推进,未燃混合气受到强烈的压缩和热幅射。
处于最后燃烧位置上的那部分终燃混合气(Endgas),由于热幅射作用,促
使先期反应加速进行,并放出部分热量,又使本身的温度不断升高,以致在正常火焰尚未到达时,终端混合气最适于发火的部位已经形成了一个或几个火焰中心。
以远大于正常燃烧火
焰前锋面推进的速度向周围传播。
轻微爆燃—us=100~300[m/s]
强烈爆燃—us=800~2000[m/s]
爆燃使终端混合气迅速燃烧完毕。
由于爆燃使局部压力突然增加,而形成强烈的压力冲击波:
冲击波撞击到燃烧室壁面上就会发生金属敲击声。
强烈时会引起发动机振动。
若自燃区占整个燃烧室容积的5%,则为强烈爆燃。
3.示功图的比较
1)正常燃烧与爆震燃烧的比较
2)汽油机爆燃与柴油机工作粗暴性的比较
汽油机的爆燃现象就是终端混合气的自燃现象,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的结果。
但两者发生的部位不一致。
所以,对汽油机而言的优良燃料,对柴油机就是最差的,反之亦然。
4.造成的危害
爆燃出现后,使正常规则的火焰前锋面发生急骤的扭曲。
1)压力脉冲
可见压力波动之巨。
压力的突变产生在容积的某一局部,汽缸内压力来不及平衡,也就是说这时的化学反应速率远远大于气体膨胀的速率,从而形成强烈的压力脉冲,并以极高的速度(1000m/s左右)向周围推进。
A噪声
压力脉冲在汽缸壁面、活塞顶面及缸盖底面之间来回反射,强迫气缸壁等零件振动而产生高频噪声,其频率在5000Hz以上。
B零件寿命
爆燃使缸内压力增加,活塞,气缸壁,气缸盖等各零件机械荷,若爆燃时间长,则零件寿命。
压力脉冲破坏了壁面上的层流边界层。
层流边界层有隔热作用,缸内温度可达2000℃
(爆燃时,T会更高),而壁面温度只有200~300℃,之所以如此,主要是层流边界层在起作用。
但层流边界层被破坏,使导热量,则
热应力零件寿命
热损失t
冷却水,机油温度润滑零件磨损
磨耗量可达正常燃烧的27倍。
(2)高温分解
按提高循环热效率的热力学观点看,爆燃接近于等容燃烧,热利用好,是人们所希望的,事实上也是如此,当轻微爆燃,发动机的热效率可以有所提高,平均有效压力亦有所增长。
但在强烈爆燃时,会使局部温度,出现高温分解,生成CO,H2,O2,NO等,严重时析出游离炭粒,这就是爆震时可能排气冒烟的原因。
使油耗,且热效率反而会下降。
产生出的炭粒又会形成累积,破坏活塞,活塞环,火花塞和气阀的正常工作。
爆燃还会促使表面点火的发生。
(二)表面点火
在火花点火式发动机中,凡是不依靠电火花点火,而是由于炽热表面(如过热的绝缘体电极、排气阀,尤其是燃烧室表面炽热的沉积物)点燃混合气的不正常燃烧现象,均称为表面点火或炽热点火。
这类表面点火现象较多在出现在9的强化汽油机上,目前由于控制排放等要求,汽油机大都降到9以下,因此对表面点火的重视程度已下降。
1非爆燃性表面点火
(1)后火
在火花塞点燃混合气以后,炽热表面才点燃混合气的现象。
形成火焰中心,但火焰传播速度正常,虽有时可使补燃,但影响不大,发动机后火,则在断火的下,仍继续运转。
2)早火
作粗暴)。
早火太早,则使压缩末期负功增大,热效率,功率损失,功率。
单缸早火,往往会导致停车。
多缸早火,会使Ne,工作粗暴,寿命。
非爆燃性表面点火,大体是在发动机按高速、高负荷长时间运转以后,火花塞绝缘体,电极或排气阀高温所引起(不包括积炭)。
2爆燃性表面点火(激爆)
早火积炭引起,往往是多点早火,危害很大dp可比正常值高5倍,pmax可比正dmax
三种不正常燃烧,主要是爆震燃烧。
三使用因素对燃烧过程的影响
常高150%。
总结:
由上所述,爆燃与表面点火是两种完全不同的不正常燃烧现象,爆燃是在电火花点火以后,终端混合气的自燃现象,而表面点火则是炽热表面点燃混合气所致。
然而,它们之间存在着某种互相促进的内在关系。
爆燃促使以后循环的炽热表面易点火,而表面点火亦促使循环的爆燃倾向增加。
dp
1早火,d,pmax
2正常
3后火pmax,且出现晚、补燃
三)续走
发动机在断火和节气门关闭后仍继续运转。
断火、并关闭节气门后,n,进气少,废气回流使T。
怠速时,冷却水又冷却不良,使缸内T,从而使混合气自燃。
一)点火提前角
点火提前角的有效调整可以使我们获得较为完美的示功图,对燃烧过程影响很大,可以通过人为进行控制。
p-图,在节气门全开,标定转速,混合气成份不变时,调整,得到三条曲线。
在1下得曲线1
在2下得曲线2
在3下得曲线3
1,较大。
这时,点火提前较多。
pmax
出现在上止点附近。
压缩负功
损失t
压缩负功
损失
单缸汽油机易熄火。
初期放热
dpd
pmax零件机械负荷。
由于此时缸内p,T较高,使其终端混合气较为具备着火条件,到一定程度时,爆燃出现
所以,
爆燃趋势
22,较小。
点火提前少。
pmax值出现较晚。
补燃t,热负荷,排放差。
所以,有一最佳值。
33,合适。
dp
实践证明,当3=12~15,(0.07~0.24)Mpa/degCA时,
d
pmax
出现在上止点后=12~15时,p-图曲线下的面积最大,有用功最多。
(二)混合气浓度(过量空气系数
值)
1对i的影响
(1)不同燃料—不同曲线
曲线1—加铅芳香族,抗爆性好,i长。
曲线2—加铅烷族,抗爆性较好,
i较长。
曲线3—正庚烷,抗爆性差,i短
2对示功图的影响
2)同一种燃料—一条曲线
这是不同下的最佳示功图。
1—=0.84;2—=0.65;3—=1.01;4—=1.18。
可以看出,=0.84的示功图曲线下的面最大。
,燃烧剧烈程度爆燃趋势。
3对火焰传播速度us的影响
=0.85~0.95us,max;,us
4值的范围
=0.4~0.5—冷起动混合气;
=0.85~0.95—功率混合气;
=1.05~1.15—经济混合气。
(三)转速
1n紊流混合气混合好i
散热Tc、pcii下降不明显
n易吹散已形成的火焰中心i
n每循环所用时间,i相对于缩短了的循环时间下降不明显。
2n离心式点火提前角调节装置使。
3n紊流强度us爆燃趋势。
(四)负荷
1负荷节气门开度进入气缸的混合气
废气的比例相对每循环时间传热损失
必须)
2负荷缸内p,T爆燃趋势。
(五)大气状况
1p0G经济性,动力性
但爆燃趋势。
2T0G经济性,动力性。
易发生气阻。
爆燃趋势。
§4-3汽油机的燃烧室
1按气门布置分类
(一)顶置—楔型、半球型、浴盆型
结构紧凑,面容比小,火焰传播距离短,不易爆燃,但结构较复杂。
(二)侧置—L型
结构简单,易维修保养,但火焰传播距离长,易爆燃,故压缩比小。
(三)顶侧置—F型
充气性好,但结构复杂。
2常用典型燃烧室
(一)L型
里卡多(Ricardo)公司研制,在老解放车上及某些风冷汽油机上应用。
二)楔型
应用较多,性能稳定。
燃烧室侧剖面为楔型。
安排激冷区,防止爆燃。
燃烧速度高,但
噪声、振动大,工作易粗暴
三)倒盆型(浴盆型)性能稳定,应用较多。
挤气面积不能小于30%。
(四)半球型或蓬型
1半球型应用于高速汽油机中。
流动阻力小,面容比小,散热损失少。
激冷区小,HC排放低。
2蓬型比半球型高度低。
气流运动强,高速性能更好。
可安排四气门机构,充气效率更高
压缩比、空燃比大,=7~13,A/F=16~22.5,可实现稀薄燃烧。
五)福特CVH型
堤岸型活塞顶,产生压缩涡流,挤气面积为16%。
切向进气道,产生进气涡流。
充气效率较高。
激冷区小,使HC排放下降。
使
用90号汽油时,压缩比可达8.5。
功率、扭矩较大。
3采用均质混合气的燃烧室
(一)射流型
天津大学刘友均教授研制。
挤气面积大,方可实现强射流,促使主室内紊流增强。
着火后,混合气和火焰从射流孔高速喷向活塞顶部。
形成双重火焰区,减小爆燃,压缩比可达9.8~11.2
但缸盖热应力大,易开裂。
二)碗型
燃烧室位于活塞顶部。
挤气紊流us可达11。
火焰传播距离爆燃趋势,可采用稀混气体。