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1、第四章 汽油机燃烧过程,第一节 汽油机燃烧过程分析第二节 汽油机爆震燃烧和表面点火第三节 汽油机循环燃烧变动第四节 汽油机排出的有害物及其控制第五节 使用、调整因素对汽油机燃烧过程的影响第六节 汽油机燃烧室设计第七节 稀燃技术的应用与发展,一、涡流进气涡流：进气过程中形成的，绕气缸轴线有组织的气流运动。进气涡流的产生方法采用带导气屏的进气门切向气道。结构简单，流动阻力小，对气口位置敏感。螺旋气道。能产生较强进气涡流，制造工艺要求高，调试工作量大。,二、挤流压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。与涡流比，强度低，持续时间短，活塞下行，很
2、快下降消失，起辅助作用。三、滚流在进气过程中形成的，绕垂直于轴线的有组织的空气旋流，称为滚流或横轴涡流。四、湍流气缸中形成的无规则的气流运动称为湍流。,五、热力混合直喷式柴油机，上止点附近接近刚体流，燃烧室中心压力低，外围压力高。燃烧室中流体受离心力及压差作用。火焰向燃烧室中心运动，新鲜混合气向外壁运动。,第一节 汽油机燃烧过程分析,点燃式汽油机的燃特点：缸外形成混合气（蒸发性好、自燃温度高），混合气形成时间长，整个吸气过程和压缩过程都在混合，均匀混合气；外源点火，可控制点火时间与地点；传播式燃烧。燃烧速度、放热率取决于火焰传播速度。,第一节 汽油机燃烧过程分析,一、预混燃烧与扩散燃烧预混燃烧
3、：混合过程比燃烧反应要快得多，或火焰到达之前，燃料与空气已经充分混合，这种可燃混合气燃烧称之为预混燃烧。扩散燃烧：混合过程控制了燃烧速率，主要特征是燃烧速率取决于使燃料和氧化剂达到适宜进行化学反应所需要的扩散速率。,第一节 汽油机燃烧过程分析,二、点燃式内燃机的正常燃烧（一）点燃式内燃机的燃烧过程、着火阶段（滞燃期）：由火花跳火到形成火焰中心，压力明显脱离压缩线。电火花跳火：集中加入热量，电极间温度可达2000；击穿混合气，离解成活性中心，加速反应，形成火焰核心。特点：燃烧量小，压力升高不明显。,第一节 汽油机燃烧过程分析,影响滞燃期的因素：燃料本身的分子结构和物理化学性能；开始点火时气缸内气
4、体的压力温度。与压缩比有关，压缩比高，滞燃期短；过量空气系数，在过量空气系数为0.80.9时，最短。残余废气增加，增加气缸内混合气运动强，则稍有增加。火花能量大，缩短。,第一节 汽油机燃烧过程分析,、火焰传播阶段（急燃期）：火焰核心形成到火焰烧遍整个燃烧室，最高压力出现，上止点后1215CA。特点：压力升高迅速，用P/=（P3-P2）/（3-2）评价，在0.20.4MPa/CA。汽油机第阶段越短，越靠近上止点，经济性，动力性越好。但P/过大，噪声大，工作粗暴，一般P/在0.1750.25MPa/CA为宜。,第一节 汽油机燃烧过程分析,、后燃期：明显燃烧期终点到燃料基本上燃烧完全点。特点：1）燃
5、烧速度慢。高温下燃烧产物分解的H2、O2、和CO余隙壁面附近不完全燃烧部分继续燃烧。2）补燃在膨胀冲程的后期，热量利用率下降，希望后燃尽可能少。,第一节 汽油机燃烧过程分析,（二）火焰传播速率和燃烧速率1、层流火焰传播速率火焰前锋相对于未燃温合气的相对速率。式中：Af火焰面积u未燃混合气密度dmb/dt质量燃烧率,第一节 汽油机燃烧过程分析,2、湍流火焰速率 湍流作用：1）大标度的湍流将使火焰前锋面发生扭曲，除使其面积增大外，还可以使火焰前锋分裂成许多燃烧中心，导致火焰速率大大增加；2）小标尺的湍流也可大大增加火焰面中分子与新鲜混合气中的分子的相互渗透，使燃烧速率增加。ST=SLFSR 式中：
6、FSR火焰速率比,第一节 汽油机燃烧过程分析,3、火焰传播速率火焰前锋相对于燃烧室壁面传播的绝对速率。Sf=ST+Se式中：ST湍流火焰速率。Se已燃区膨胀速率。,第一节 汽油机燃烧过程分析,（三）火焰传播界限 影响因素：影响可燃混合气初期放热速率和散热速率的因素。例如：可燃混合气的初始温度、残余废气系数、点火能量、气流运动、燃烧室设计等。可燃混合气的初始温度残余废气系数点火能量气流运动：湍流增强，火焰传播界限增大燃烧室设计：残余废气容易排除，火焰传播界限增大,第二节 汽油机爆震燃烧和表面点火,一、爆燃末端混合气的自燃现象。产生原因：电火花跳火，火焰传播，末端混合气在压缩终点温度基础上，受到火
7、焰面的热幅射，压缩加速了自己的化学反应，在火焰末达到时，就自燃了，形成另外一个或多个火焰核心，从这些中心以高速传播，热量迅速放出，局部压力剧增，来不及膨胀，形成冲击波，敲击壁面产生清脆的金属敲击声。,第二节 汽油机爆震燃烧和表面点火,外部特征敲缸；轻微爆震时，发动机功率略增；强烈爆震时，发动机功率下降，工作不稳，转速下降，发动机有较大振动。冷却系过热缸盖温度上升。3 严重爆震时的后果输出功率、热效率降低气缸过热零件应力增加。,第二节 汽油机爆震燃烧和表面点火,爆震影响因素（1）运转因素1）点火提前角点火提前角增大，火焰传播时间缩短；最高压力增大，末端混合气受到的挤压增大，温度增大，爆震倾向增大
8、。后者起主要作用，点火提前角增大，爆震倾向增大。2）发动机转速转速增加，火焰传播速度增加，爆震倾向减小；吸气损失增加，吸入空气温度增加；充量系数下降，最高燃烧压力下降，终燃混合气温度下降。爆震倾向下降。,第二节 汽油机爆震燃烧和表面点火,3）负荷的影响负荷下降，节气门关小，残余废气系数增加,气缸壁相对传热增加，循环最高压力下降，爆震倾向下降。4）混合气浓度影响火焰传播速度、火焰与气缸壁的温度、终燃混合气滞燃期的改变。功率混合气时，火焰传播速率最大，混合气的滞燃期最短，后者起主要作用，最易爆震，过浓或过稀的混合气有助于减小爆震。5）燃烧室沉积物沉积物的温度较高，进气压缩过程中，不断加热混合气；沉
9、积物是热的不良导体，提高了终燃混合气的温度；沉积物占一定的容积，压缩比提高。爆震倾向增加。,第二节 汽油机爆震燃烧和表面点火,（1）运转因素（2）结构因素的影响1）气缸直径气缸直径增大火焰传播距离增加，燃烧室面容比减小，爆震倾向增大2）火花塞位置3）气缸盖与活塞材料合金材料，导热性好，可用大的压缩比。4）燃烧室结构影响火焰传播距离，湍流强度，向冷却水的散热，终燃混合气的数量与温度。,第二节 汽油机爆震燃烧和表面点火,降低爆震的具体措施1）推迟点火2）缩短火焰传播距离。合适的火花塞位置与燃烧室的形状。3）终燃混合气的冷却。4）增加流动，火焰传播加快，散热好。5）扫气。,第二节 汽油机爆震燃烧和表
10、面点火,二、表面点火不依靠电火花点火，而依靠炽热表面点燃混合气形成的不正常燃烧现象。正常表面点火1）后火炽热点的温度较低，电火花点燃混合气以后，火焰传播过程中，炽热点点燃其余混合气，火焰传播仍以正常的速度传播。2）早火炽热点温度较高时，电火花点燃混合气，在电火花正常点火前，炽热点点燃混合气。爆燃性表面点火燃烧室沉积物引起的爆燃性炽热点火。,第二节 汽油机爆震燃烧和表面点火,影响因素与防止措施：1）影响因素 燃料的影响：燃料形成沉积物的能力形成的混合气性质 结构与运转参数的影响：促进沉积物温度升高，氧气供应好，降低混合气点火能量的因素，均促进表面点火发生。例如：压缩比增高进气终了压力增加进气温度
11、增加转速增加燃用功率混合气大气湿度下降。,第二节 汽油机爆震燃烧和表面点火,2）防止措施：选用沸点低的燃料和成焦小的润滑油；降低压缩比；避免长时间的低负荷运转以及汽车频繁加减速运行；4爆燃与表面点火的区别两种不正常燃现象，爆燃火花点火后终端混合气的自然现象，表面点火是炽热物点燃混合气，两者存在促进关系。,第三节 汽油机循环燃烧变动,现象 在发动机以某一工况稳定运行时，各循环燃烧过程的情况不断变化，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。危害 提前角、空燃比以及压缩比、辛烷值，不一定都最佳。发动机排放增大，输出扭矩波动增大。,第三节 汽油机循环燃烧变动,评价参数与气缸压力有关的
12、参数。与燃烧参数有关的参数与火焰前锋位置相关的参数。与排放有关的参数产生原因燃烧过程中气缸内气体运动状态的循环变动。每循环气缸内的混合气成分变动。,第三节 汽油机循环燃烧变动,降低措施多点点火组织进气涡流，能增加燃烧速率，减少循环变动。提高发动机转速，在缸内形成强的湍流。采用化学计量比，火焰温度与传播速度比较高，压力变动小；电控喷射；速燃技术；加大点火能量，优化放电方式，采用大的火花塞间隙。,第四节 汽油机排出的有害物及其控制,有害排放物主要包括：CO，不完全燃烧产物。HC，包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化产物。NOx，内燃机排放的氮氧化物绝大部分是NO，少量是NO2，一般
13、用表示NOx。微粒，排气中的微粒是指经空气稀释、温度降到52后用涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸收集的除水以外的物质。柴油机排出的微粒大多小于0.3微米，其主要成分是碳及其吸附的有机物质，后者称为有机可溶成份。,第四节 汽油机排出的有害物及其控制,一、一氧化碳：碳氢化合和燃料在燃烧过程中生成的重要中间产物。控制CO排放量的主要因素是可燃混合气的过量空气系数，在浓混合气中，CO体积分数随过量空气系数的减小不断增加；在稀混合气中，CO很低，只是在1.01.1之间，CO随过量空气系数变化略有变化。部分负荷时，CO排放量不高；全负荷运转、冷起动时，CO排放很大；发动机加速时，如果过渡浓，或者减速时不断油，
14、过渡工况供油控制不良时，CO排放增高。,第四节 汽油机排出的有害物及其控制,二、未燃碳氢化合物生成与排放渠道：在气缸内的燃烧过程中生成并随排气排出。二冲程中与扫气有关，增压机中与气门叠开有关。曲轴箱排放物：从燃烧室通过活塞与气缸之间的各间隙漏入曲轴箱的窜气，含有大量HC，如果排入大气也构成排放物。蒸发排放物：从发动机和汽车的燃油系统，即汽油箱、节气门等处蒸发的汽油蒸气，如果排入大气同样构成排放物,第四节 汽油机排出的有害物及其控制,机理 壁面淬熄 狭隙效应 润滑油膜的吸附及解吸 燃烧室中沉积物的影响 大容积淬熄 失火 碳氢化合物的后期氧化,第四节 汽油机排出的有害物及其控制,三、NOX 化学机
15、理：捷尔多维奇原理。生成物主要受温度，氧浓度及高温下的停留时间的影响。排放的影响因素 空燃比：过量空气系数在0.9左右，温度高，但氧浓度低，NOX低。过量空气系数在1.1左右的略稀混合气,NOX排放最高，氧浓度的增加，抵消了温度的下降。进一步增加，温度下降的效果占优势，NOX下降。已燃气体量的影响：已燃气体的比例增大，NOX排放下降。主要原因在于可燃气的发热量减少，混合气的热容增大，使最高燃烧温度下降。点火定时的影响；点火推迟，降低最高燃烧温度并缩短已燃气停留在高温下的时间，NOX排放下降。四、微粒 含铅汽油的铅、汽油中硫造成的硫酸盐和不完全燃烧产生的碳烟，是排气微粒的主要成份。如果用无铅汽油
16、，汽油含硫量较低，可以认为点燃式内燃机基本上不排放微粒。,第四节 汽油机排出的有害物及其控制,五、内燃机排放控制（一）曲轴箱排放控制（二）蒸发排放物的控制（三）冷起动、暖机和怠速排放控制（1）冷起动及暖机排放控制，CO、HC排放。（2）怠速排放控制（四）低排放燃料供给系统（五）低排放点火控制系统：点火能量、点火时间（爆震控制）。（六）低排放的燃烧系统（七）EGR系统：（1）真空控制机械式（2）电控真空驱动（3）闭环电控,第四节 汽油机排出的有害物及其控制,六、后处理系统（一）三效催化器（二）氧化催化转换器：稀燃汽油机、柴油机（三）富氧NOx催化器：汽油机喷油，柴油机加氨。,第五节 使用、调整因
17、素对汽油机燃烧过程的影响,点火提前角的影响 汽油机点火提前特性：节气门开度一定，发动机转速一定，混合气浓度一定，调整点火正时，功率、燃油消耗率、排气温度随点火提前角的变化关系。点火提前，部分在上止点前燃烧，压缩负功增加，压力升高率增加，最高爆发压力增大，功率下降，比油耗上升，最高压力、温度增加，对末端混合气挤压加热增大，爆震倾向增大。点火迟后，燃烧不及时，在膨胀中燃烧，热利用率下降，功率、比油耗增加。最佳点火提前角由点火提前角调整特性确定。,第五节 使用、调整因素对汽油机燃烧过程的影响,节气门开度一定，发动机转速增加，燃烧占曲轴转角增加，燃烧不及时，最佳点火提前角增大，分电器上有离心自动提前器
18、。发动机转速增大，离心力增大，点火提前。发动机转速定，负荷下降，残余废气系数增加，火焰传播速度增加，燃烧慢，最佳点火提前角增大。在分电器上有真空自动点火提前调节装置，负荷下降，进气管真空度增大，点火提前。,第五节 使用、调整因素对汽油机燃烧过程的影响,混合气成分 燃料调整特性：转速、节气门开度一定，点火提前角最佳，调节供油量，功率、燃油消耗率、排温随过量空气系统变化的关系。1）a=0.80.9 火焰传播速度最大，功率混合气。a1，理论分子变更系数增大，功率增加。但a1燃烧不完全，比油耗增加，生成CO。滞燃期下降，最高压力及温度上升，爆震倾向增大。2）a=1.031.1（经济混合气）燃烧较快且完
19、全，指示热效率增大，比油耗下降。缸内温度高，空气富裕，NOX排放高。3）a1.2 稀混合气，燃烧较慢（不及时），补燃增加，燃烧不完全，热效率降低，比油耗增加，可能出现化油器回火现象。4）a0.8 浓混合气，燃烧较慢，补燃增加，燃烧不完全，指示热效率下降，比油耗上升，可能出现排气管放炮现象。,第五节 使用、调整因素对汽油机燃烧过程的影响,发动机负荷负荷下降残余废气系数增加滞燃期增加最佳点提前角增加补燃增加指标热效率下降负荷增加残余废气系数下降过量空气系数增加缸内最高温度、最高压力增加爆震倾向增加火焰传播速度增加指标热效率增加接近全负荷，要求大功率，供给浓混合气，a1指标热效率下降,第五节 使用、
20、调整因素对汽油机燃烧过程的影响,发动机nn增加 湍流增加燃烧速度增加燃烧时间缩短，但=6nt燃烧占曲轴转角增加热量利用率下降指标热效率下降。因此，提前点火（离心提前）。漏气、传热下降压缩终了温度增加滞燃期下降。火焰传播速度增快。爆震倾向下降。n下降 漏气、传热增加；紊流下降，火焰传播速度下降。指标热效率下降。指标热效率随n变化在中间某转速凸起，两端下降。,第五节 使用、调整因素对汽油机燃烧过程的影响,大气状态P0下降，m1下降，混合气变浓，输出功率下降，比油耗增加，爆震倾向下降T0增大 m1下降，输出功率下降，比油耗增加，爆震倾向,第六节 汽油机燃烧室设计,一、燃烧室设计的一般要求（1）经济性
21、高；（2）燃烧放热率曲线等容度高；（3）对大气的污染小；（4）动力性要好；（5）不出现爆震与表面点火等不正常燃烧；（6）燃烧变动小；（7）工作柔和，燃烧噪声小；（8）满足速燃要求；（9）稀燃能力强；（10）起动性好；（11）瞬态特性好；（12）EGR的承受能力强。,第六节 汽油机燃烧室设计,二、燃烧室的设计要点压缩比 影响汽油机性能最重要的参数。增加功率输出及经济性提高；增加爆震、压力升高比、噪声与振动、排放增加。燃烧室的狭缝、润滑油膜和沉积物处生成的未燃HC增加面容比增加，激冷面积相对增加，HC增加；膨胀比增加，膨胀后期燃气温度下降，HC氧化速率下降，更多的燃料以未燃HC的形式排出；排温降低
22、，粘附在壁面上的液态燃料难以汽化，增加了HC排放，但过高的壁面温度会使终燃混合气温度增高，对减少爆震不利；最高燃烧温度增加，NOx排放增加。,第六节 汽油机燃烧室设计,燃烧室面容比表示燃烧室的紧凑性，与燃烧室形式以及汽油机的主要结构参数有关。燃烧室面容比增加，火焰传播距离增大，容易爆震，HC排放高，相对散热面积大，热损失增加。3火花塞位置及其性能影响火焰传播距离的长短，从而影响抗爆性，也影响火焰面积扩展速率和燃烧速率。火花塞应靠近排气门处，使受炽热表面加热的混合气能及早燃烧，从而不致发生爆燃。火花塞间隙处的残余废气应能充分清扫，使混合气容易着火，对暖机和低负荷性能作用较大。但不希望有过强的气流
23、在点火瞬间直接吹向火花塞间隙，从而吹散火核，增加缸内压力的循不变动率，甚至导致失火。,第六节 汽油机燃烧室设计,燃烧室内的气流运动 作用：增加火焰传播速度；扩大混合气的着火界限，可以燃烧更稀的混合气；降低循环变动率；降低HC排放。过强的气流将使损失增加，还可能吹熄火核而失火，使HC排放增加。,第六节 汽油机燃烧室设计,燃烧室的优化途径 设计要点：缩短火焰传播距离，与燃烧室结构及火花塞位置有关；利用适当强度的湍流，加快火焰传播速度；离火花塞较远区域设适当冷却面积，降低边缘区域可燃混合气温度；燃烧室内没有受高温影响而产生的热点和表面沉积物。设计原则：在最大火焰前锋面积、最小面容比、最大气门尺寸等设
24、计参数限制范围内，优化燃烧室几何形状。改善混合气的分布和均匀性，减少燃烧循环变动率，减少各缸的不均匀性。,第六节 汽油机燃烧室设计,三、典型燃烧室楔型燃烧室布置在缸盖上，火花塞在楔形高处进、排气门之间，火焰距离较长。有挤气面积，气门倾斜630度，气道转弯较小，进气阻力下降，充量系数提高，压缩比可以较高达910。有较高的动力性与燃油经济性，初期燃烧速率和压力升高比大，工作显得粗暴一些。,第六节 汽油机燃烧室设计,第六节 汽油机燃烧室设计,浴盆形燃烧室高度相同，允许宽度略超出气缸范围来加大气门直径。气门头部外径与燃烧室壁面之间保持56.5mm。有挤气面积，挤气效果比较差，火焰传播距离也较长，燃烧速
25、率比较低，燃烧时间长，压力升高比低。面容比较大，对HC排放不利，但压力升高比低，工作柔和，NOx排放低，动力性经济性不高，工艺性好，便于维修。,第六节 汽油机燃烧室设计,第六节 汽油机燃烧室设计,碗形燃烧室碗形燃烧室，布置在活塞中的一个回转体，采用平底气缸盖，工艺性好。燃烧室完全机械加工，有精确的形状和容积，燃烧室表面光滑，紧凑，挤流效果好，压缩比可达11。燃烧室在活塞顶，使活塞的高度与质量增加。面容较大，散热增加。采用紧凑的活塞顶凹坑，火焰传播距离缩短，挤气面积大，紊流强，火花塞位于凹坑内。压缩比增大，紊流较强，火焰传播速度增加，点火提前角可以减小，爆震倾向下降，可以使用稀混合气。,第六节
26、汽油机燃烧室设计,第六节 汽油机燃烧室设计,半球形燃烧室形状呈球型，可以全部机械加工，结构紧凑，面容比下降，火焰传播距离下降，气门倾斜布置，容许较大气门直径，进气道圆滑，充量系数增加，动力性经济性好，HC低，高速适应性强，6000r/min以上的发动机用，紊流弱，在低速大负荷易爆震，压力升高率大，粗暴，配气机构复杂。,第六节 汽油机燃烧室设计,第六节 汽油机燃烧室设计,其它类型燃烧室,第七节 稀燃技术的应用与发展,一、均质燃烧系统的缺点量调，低功率时，泵气损失增加，残余废气系数增加，比油耗增加。容易爆震。空燃比在12.617，比油耗增加，CO排气污染严重。二、分层燃烧1、进气道喷射的分层燃烧方
27、式（1）轴向分层燃烧系统（2）横向分层燃烧系统,第七节 稀燃技术的应用与发展,第七节 稀燃技术的应用与发展,第七节 稀燃技术的应用与发展,2、缸内直喷分层燃烧方式 燃烧系统分类：壁面引导方式气流引导方式喷雾控制方式优点：燃油经济性提高发动机瞬态响应性好起动时间短冷起动HC排放改善,比较稳定；稀燃能力很强；影响火花塞的寿命；冷起动和产生碳烟问题比较多；使气门布置受到很多限制。,喷油器和火花塞的距离较远；燃烧室壁面形状复杂；对燃油喷射、气流运动和活塞顶形状之间的配合要求很高；燃烧室面积比较大；HC排放也较多。,壁面引导,喷雾引导,利用气流运动将混合气送往火花塞；燃烧室比较紧凑；发动机各种运转状态下的性能都比较好。,气流引导,第七节 稀燃技术的应用与发展,提高燃油经济性的原因：质调节，无节气门装置，泵气损失降低部分负荷稀燃缸内喷射，燃油蒸发吸热，进气温度降低，充量系数提高燃油蒸发使末端混合气温度降低，压缩比可以提高分层混合气温度降低，外围空气起隔热作用，壁面传热损失降低。问题及困难：难以在所要求的运转范围内使燃烧室内混合气实现理想的分层喷油器在气缸内，喷孔自洁能力差，容易结垢，影响喷雾特性和喷油量低负荷HC排放高，高负荷时NOx排放高，有碳烟生成部分负荷燃用稀混合气，需要采用稀燃催化剂燃油系统磨损增加,
