发动机原理电子教案－第五章.docx

1、第五章 汽油机混合气形成与燃烧了解：汽油机有害排放物的生成机理与控制，汽油机燃烧室。理解：影响燃烧的因素和措施。掌握：汽油机混合气的形成，汽油机正常燃烧过程，爆燃和表面点火。燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程，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。燃烧的基本要求：完全、及时、正常、排污小。43第一节 汽油机的正常燃烧一、着火落后期从火花塞跳火到火焰中心形成。火花塞跳火后并不能马上形成火焰中心，因为混合气氧化需要一定的时

2、间。释放的热量不多，汽缸内压力升高不大，压力线与纯压缩线基本重合。从火花塞跳火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 20-350 CA 。二、明显燃烧期从火焰中心形成到缸内最高压力。火焰以 20-30m/s 速度近似球面向外逐层传播。火焰传播速 u：火焰前锋的法向移动速度。明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期，绝大部分燃料在这一阶段燃烧，此时活塞又靠近上止点，所以汽缸内的压力、温度迅速升高，压力达到最大值；混合气燃烧约汽油机燃烧P 图90%，放出了大部分的热量。最高压力出现的时机（上止点后 12-150）和大小对发动机的性能影响很大。最高压力过早使压缩功增大，过迟散热损失

3、增大；过大产生振动、噪音，过小使膨胀功减少。压力升高率：即曲轴每转 1 度时，缸内气体压力的平均升高量：P =P/P =（P3-P2）=（3-2）三、后燃期从缸内压力最高到燃料燃烧结束。指明显燃烧期以后的燃烧，主要由火焰前锋面未及燃烧的燃料再燃烧，以及部分燃烧及高温分解的燃烧产物重新氧化。这种燃烧是在膨胀中远离上止点放热，使热能不能充分利用，t 下降，且排气温度升高，发动机过热。希望后燃期尽可能短，放热量尽可能少。小结：为提高发动机的动力性、经济性，希望火焰传播速度u 高，最高压力大，但 P 大，工作粗暴。所以要在工作柔和的条件下，尽可能地控制火焰传播速度和最高压力。第二节汽油机的不正常燃烧一

4、、爆震燃烧（爆燃）（一）爆燃产生末端混合气自燃，形成新的火焰中心；新的火焰速度很大（1000m/s），缸内局部压力、温度急剧升高，形成冲击波；冲击波撞击缸壁、活塞顶等，发出尖锐的敲击声。（二）爆燃危害1机件过载解释化油器回火排气管放炮燃烧室燃爆产生图爆燃冲击波图冲击负荷大，机件变形损坏。2、机件烧损冲击波破坏燃烧室内附面层，局部高温3、润滑变差（发动机过热），积炭增多（高温裂解），使磨损加剧。4、Ne、ge （三）影响爆燃的因素及减轻措施有使用因素、结构因素等。从成因上分析：t1 -火焰正常传播时间，即从火焰中心形成起到火焰前锋传到末端混合气为止。t2 -末端混合气自行发火的准备时间，即从火焰

5、中心形成起到末端混合气自行着火。t1 t2 爆燃使 t1 减小因素：提高火焰传播速度（转速增加，涡流增强）缩短火焰传播距离（燃烧室结构、火花塞位置） 使 t2 增大因素：降低水温和进气温度降低末温降低压缩比推迟点火增多残余废气二、热面点火（一）产生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。凡是不依靠火花塞点火。1、非爆燃性热面点火热面点火后火焰以正常速度传播。早火（早燃）：发生在火花塞跳火之前后火（后燃）：发生在火花塞跳火之后断火后发动机续转就是热面点火现象。2、爆燃性热面点火热面点火后火焰以爆燃速度传播。压力升高率高 5 倍，最高压力高 150%（二）危害：1、

6、早火使压缩负功增大，Ne。2、热负荷增大。3、爆燃性热面点火，加速机件损坏。（三）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。小结：热面点火与爆燃的比较：爆燃热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。第三节影响燃烧过程的因素一、汽油性能1、蒸发性蒸发性强，混合燃速快，燃烧完全。蒸发性过强，产生“气阻”。2、抗爆性辛烷值高，抗爆性好。汽油是异辛烷（抗爆性为

7、100）和正辛烷（抗爆性为0）的混合物。加抗爆剂四乙铅，可提高汽油抗爆性。二、使用因素1、混合气浓度1）=0.85-0.95功率混合气火焰传播速度最快, Ne 最大； 燃烧室温度高，t2爆燃；空气不足，燃烧不完全，ge。2）0.85 过浓混合气Ne ge未燃烧产物随废气排入排气管，在排气管口燃烧，使排气管“放炮”。3）=1.05-1.15经济混合气。空气适量，燃烧完全，ge 最低； 燃速慢，Ne。4）1.15 过稀混合气Ne，ge；可持续到排气门关闭,进气门打开时,引起化油器“回火”。燃料调整特性：Ne 和 ge 随混合气浓度的变化关系。2、点火提前角 过大时缸内温度、压力的升高大，t2爆燃；

8、 压缩功增大，Nege。 过小时燃烧推迟，最高压力降低，Ne爆燃；同时燃烧在膨胀过程中进行，后燃量增大，使发动机过热，ge；最佳点火提前角：发动机负荷、转速一定时，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：发动机转速和节气门开度一定，Ne 与ge 随点火提前角的变化关系。3.发动机转速 nn油、气的混合得到改善；燃烧所占曲轴转角加大，着火落后期增长离心式点 火自动提前装置；火焰传播速度加快，t1爆燃；v,残余废气系数,末端混合气的焰前反应,t2,爆燃4、发动机负荷负荷废气相对多，滞燃期点火提前。废气相对多，t2爆燃缸内压力温度低, t2爆燃5、水温水温过高爆燃热面点火； 充气

9、密度v。水温过低热损失增大，Ne、ge；机油粘度增大，机械损失增大；缸内酸性物质增多，汽缸腐蚀增大； 混合不好，燃烧不完全，排污增大。6、积炭积炭燃烧室爆燃炽热点火 三、构造因素1、压缩比 vNege；温度高，爆燃，热面点火提高 ，使 Ne、ge，但受到爆燃的限制，要防止爆燃。2、汽缸直径缸径面容比传热损失 火焰传播的距离 t1爆燃3、汽缸盖和活塞的材料铝合金容积分布影响图导热性好，铝制汽缸盖的表面温度低，热负荷小，t2 爆燃，许用的压缩比 升高。4、冷却方式水冷比风冷的冷却效果好，t2爆燃，许用的压缩比高。5、燃烧室对燃烧室的要求（1） 结构紧凑面容比小（烧室表面积与容积之比） 火焰传播距离

10、短，爆燃散热面积小，t 激冷区小，HC（2） 火花塞位置适当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（3） 容积分布合理有适宜的放热规律(即每度曲轴转角的放热量 dQ1/d,随曲轴转角而变化的规律)。燃烧初期压力升高率小，工作柔和； 燃烧中期急剧放热，t（4） 有利提高充气系数进气口直径大、弯少光滑（5） 加强涡流运动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。（6） 降低末温小结：影响因素有构造因素、有使用因素，重点掌握使用因素。明确点火、浓度、转速、负荷对燃烧的影响；清楚汽车在满载大负荷时易出现

11、爆燃的原因（发动机在低速、大负荷）。因此在使用中，调整点火提前角应在低速、大负荷工况下进行。第四节 汽油机的排放污染与控制随着汽车工业的发展，汽车排气污染越来越受到人们的重视。特别是汽车作为城市流动污染源和低排放污染源所带来的危害更大。各国都制定了严格的控制法规，其中以美国加利福尼亚的排放法规为最早和最为严格。我国从1979 年起开始制定排放标准。发动机排除的主要污染物质有：CO, HC, NOx（主要是 NO 和 NO2）。另外还有少量的微粒（硫化物、铅化物和碳烟）。一、污染物质的形成和危害1、CO氧气不足不完全燃烧的产物。煤气中毒。62 年日本大板发生交警 CO 中毒事件。2、HC废气未燃

12、烧产物 60%，燃烧室激冷作用而断火。曲轴箱窜气 20%。油箱与化油器蒸发排放 20%。西德调查 2000 例肺癌，80%为交警和修理工。3、NOxN 与 O 的高温结合。燃烧时产生的 Nox 的数量决定于燃烧的最高温度、高温持续时间以及氧气的浓度。O22O O+N2NO+N N+O2NO+O易与水结合成硝酸（酸雨），直接损害人体各器官。在太阳照射下形成光化学烟雾，43 年美国洛杉矶光化学烟雾400 人死亡70 年日本东京发生光化学烟雾，中毒 1 万人。4、微粒铅微粒、炭烟等。二、影响排放污染的因素1、混合气浓度m15 氧气不足 CO HC NOxm=16 空气适量 CO 最少 HC 最少 N

13、Ox 最多（温度较高，N 与 O 数量多，结合机会多）m17 过稀 HCNOx2、点火过早，温度高，NOx3、负荷怠速 CO 最多北京二环建九个立交桥取消红绿灯 CO 减少 50%。中负荷 CO 最少 HCNOx（温度较高的时间较长）。大负荷 Nox 最多 CO。4、发动机转速 nn涡流强，改善混合和燃烧 CO HC 提高怠速，CO急减速 HC汽油车在怠速及减速时排出的 HC 最多，是柴油车 HC排放的 4 倍。加速 NOx5、发动机热状况温度高 HCNOx温度低 HCCONOx 三、减少排气污染的措施汽油车所排出的污染物质的来源及大致比例：排气管排出：CO 98-99%60%Nox 98-9

14、9%曲轴箱漏气：HC 25%CO、Nox1-2%化油器和油箱内燃油蒸发：HC 20%1、制定法规美国加洲是世界上制定最早最严格法规，60 年开始，80 年强化。日本 66 年开始，78 年汽强化。欧洲 70 年代后开始。我国 79 年开始（只有汽油车怠速 COHC 排放法规），93 年强化。2、变革发动机的结构（机内净化）（1） 、适当降低 燃烧最高温度NOx但动力性、经济性均下降。（2） 改进燃烧室的形状，降低面容比。面容比散热面积激冷效应HC（3） 适当推迟点火时刻。点火推迟，燃烧温度下降，Nox。使得燃烧多在膨胀中完成，使排气温度升高，HC 进一步燃烧，HC。但散热损失增加，使经济性、动力性都下降。3、安装控制装置（1）废气催化装置催化净化分为催化氧化和催化还原，成本较高。（2） 空气反应装置安装在排气道出口处，二次喷入空气。（3） 炭罐蒸发排放控制（4） 废气再循环EGR这是降低 Nox 的有效方法。（5） 曲轴箱强制通风。4、变换发动机燃料（1） 使用无铅汽油（2） 使用污染较轻的燃料天然气、甲醇、乙醇。（3） 使用无污染的燃料H2、太阳能、电能5、研究新型发动机（1） 汽油喷射发动机、（2） 分层稀薄燃烧发动机由于混合气浓度下降，燃烧最高温度下降，使Nox。也使燃油燃烧充分，HC、CO。