内燃机原理第四章PPT讲稿.ppt

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1、内燃机原理第四章第1页，共151页，编辑于2022年，星期五硫燃烧甲烷燃烧 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）第2页，共151页，编辑于2022年，星期五（42）由于在空气中，对应于1molO2，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1molO2，还带入了3.76molN2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。第

2、3页，共151页，编辑于2022年，星期五二、燃料燃烧所需空气量二、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，H2O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。第4页，共151页，编辑于2022年，星期五1kmol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的理论气体或近似理论气体的容积相等，即为22.4

3、。碳完全燃烧第5页，共151页，编辑于2022年，星期五完全燃烧需要。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第6页，共151页，编辑于2022年，星期五空气主要由氧气、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：28.95L（kg空气）/（kg燃料）第7页，共151页，编辑于2022年，星期五按空气标准体积（）计为：一般石油燃

4、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。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 第8页，共151页，编辑于2022年，星期五内燃机运转时，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)第9页，共151页，编辑于2022年，星期五有时用空燃比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/A

5、F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。第10页，共151页，编辑于2022年，星期五三、燃料燃烧产物量及其物质的量的改变三、燃料燃烧产物量及其物质的量的改变根据燃料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gCkgC生成g HkgH生成 第11页，共151页，编辑于2022年，星期五 L0 的空气中剩余的0.21(-1)L0km

6、ol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)第12页，共151页，编辑于2022年，星期五将式(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的增量为:第13页，共151页，编辑于2022年，星期五四、燃烧热与绝热火焰温度四、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

7、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。第14页，共151页，编辑于2022年，星期五42内燃机缸内的空气运动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，能产生绕气缸轴线旋转的进气涡流。（1）进气涡流的形成）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 A、导气屏导气屏 第15页，共

8、151页，编辑于2022年，星期五图41产生进气涡流的方法（）导气屏气门；（）切向进气道（c）螺旋气道第16页，共151页，编辑于2022年，星期五B、切向进气道、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。第17页，共151页，编辑于2022年，星期五 C C、螺旋进气道螺旋进气道涡流是在螺旋形气道内形

9、成的，入缸后一方面绕自身轴线旋转，另一方面绕气缸轴线旋转。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。第18页，共151页，编辑于2022年，星期五（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

10、生逆挤流；如图所示：第19页，共151页，编辑于2022年，星期五图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，第20页，共151页，编辑于2022年，星期五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1.1.坑内涡流；2.缸内涡流；3.挤压涡流；4.微涡流第21页

11、，共151页，编辑于2022年，星期五二、滚流二、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。第22页，共151页，编辑于2022年，星期五图46滚流产生和发展（一）滚流的产生及其发展变化（一）滚流的产生及其发展变化对于

12、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。第23页，共151页，编辑于2022年，星期五为了降低进气阻力，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第24页，共151页，编辑于2022年，星期五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

13、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25页，共151页，编辑于2022年，星期五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，且迅速形成较强的湍流。第26页，共151页，编辑于2022年，星期五（二）滚流对燃烧过程的影响（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，

14、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。第27页，共151页，编辑于2022年，星期五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

15、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。第28页，共151页，编辑于2022年，星期五三、湍流三、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。这

16、有利于加速燃烧过程的进程。第29页，共151页，编辑于2022年，星期五（一）湍流的描述（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，而时均速度第30页，共151页，编辑于2022年，星期五在内燃机中，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第31页，共151页，编辑于2022年

17、，星期五按照此法，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）第32页，共151页，编辑于2022年，星期五（二）湍流的尺度（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

18、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。第33页，共151页，编辑于2022年，星期五欧拉积分尺度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。第34页，共151页，编辑于2022年，星期五应当指出，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

19、定性的结果。图411欧拉积分尺度与泰勒微尺度第35页，共151页，编辑于2022年，星期五图图411所示的是方向的欧拉积分尺度，其理论值等于所示的是方向的欧拉积分尺度，其理论值等于R随随变化曲线下的面积，也等于按图中虚线所示的边长为变化曲线下的面积，也等于按图中虚线所示的边长为1和和的矩形面积，从数量上来说，即的矩形面积，从数量上来说，即的值，它代表了湍流中最大涡旋的值，它代表了湍流中最大涡旋尺度。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。利用导出积分尺度度。利用导出积分尺度的方法也可以解决同一时刻两相邻空间点的方法也

20、可以解决同一时刻两相邻空间点0和和0的湍流脉动相关问题。当很小时，在的湍流脉动相关问题。当很小时，在0点的脉动速度可以点的脉动速度可以通过通过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，并令取前两项，略去高阶项，并令（418）则得：则得：这里，有这里，有2项的系数定义的长度尺寸称为项的系数定义的长度尺寸称为泰勒微尺度泰勒微尺度，它，它代表了代表了涡流中最小涡旋之间的距离涡流中最小涡旋之间的距离。在图。在图411中通过中通过R曲线在曲线在0处的顶点处的顶点作抛物线，其轴上的截距即为。作抛物线，其轴上的截距即

21、为。第36页，共151页，编辑于2022年，星期五柯尔莫戈洛夫认为，小涡旋无法保存动能，只能消耗动能，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：微尺度的数学表达式如下：，（，（419）式中，微尺度雷诺数。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。上述三中尺度之间的关系可以用一组数据加以说明。表表41CFR内燃机缸内湍流参数值的比较内燃机

22、缸内湍流参数值的比较进气中期5.0204.01.00.02压缩后期1.5104.01.00.03第37页，共151页，编辑于2022年，星期五（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第38页，共151页，编辑于2022年，星期五由图可知，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

23、。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，促使湍流强度大幅度增加。第39页，共151页，编辑于2022年，星期五43点燃式内燃机的燃烧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

24、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。第40页，共151页，编辑于2022年，星期五一、汽油机的燃烧过程一、汽油机的燃烧过程 1.汽油机的正常燃烧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，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。第41页

25、，共151页，编辑于2022年，星期五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42页，共151页，编辑于2022年，星期五第一阶段第一阶段滞燃期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

26、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43页，共151页，编辑于2022年，星期五 第二阶段第二阶段急燃期急燃期（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44页，共151页，编

27、辑于2022年，星期五第三阶段第三阶段 后燃期后燃期（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。第45页，共151页，编辑于2022年，星期五二、汽油机的点火二、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，都希望提高点火能量，延长点火时间，且

28、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（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。第46页，共151页，编辑于2022年，星期五一般，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

29、始到火焰核心形成需经历一段时间称为滞燃期（诱导期），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。第47页，共151页，编辑于2022年，星期五（二）点火界限（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。图围简称

30、点火界限。图414表明了点火界限。表明了点火界限。图图4 41414混合气浓度与混合气浓度与的关系的关系1 1稀燃极限；稀燃极限；2 2浓燃极限；浓燃极限；3 3稀燃下限；稀燃下限；4 4浓燃上限；浓燃上限；B B化学计量比化学计量比对于浓度接近化学计量比（对于浓度接近化学计量比（B B点）的混合气，其成功点火所需要的点）的混合气，其成功点火所需要的E E值最小。混合气太浓或太稀（值最小。混合气太浓或太稀（U U形外）均不能点火形外）均不能点火。第48页，共151页，编辑于2022年，星期五（三）点火提前角（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

31、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。第49页，共151页，编辑于2022年，星期五（四）汽油机点火系统（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，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。

32、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。第50页，共151页，编辑于2022年，星期五三、火焰结构与火焰传播速度三、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，以使化学反应

33、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。第51页，共151页，编辑于2022年，星期五（一）层流火焰结构及其传播速度（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

34、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。第52页，共151页，编辑于2022年，星期五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

35、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。第53页，共151页，编辑于2022年，星期五（二）湍流火焰结构及火焰传播速度（二）湍流火焰结构及火焰传播速度可燃混合气处于湍流状态时，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；（）大尺度强湍流第54页，共151页，编辑于2022年，星期五 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，

36、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418（）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。第55页，共151页，编辑于2022年，星期五（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

37、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。第56页，共151页，编辑于2022年，星期五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。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

38、要的。第57页，共151页，编辑于2022年，星期五湍流火焰传播速度湍流火焰传播速度T T的计算，最常用的方法是先计算出层流的的计算，最常用的方法是先计算出层流的火焰传播速度火焰传播速度L L，然后按下式求得湍流火焰的传播速度，即然后按下式求得湍流火焰的传播速度，即v vT T=Kv=KvL L（4 42626）式中，与湍流强度有关的经验常数。式中，与湍流强度有关的经验常数。第58页，共151页，编辑于2022年，星期五四四、循环变动、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环变动，它是提高

39、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：第59页，共151页，编辑于2022年，星期五（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。第6

40、0页，共151页，编辑于2022年，星期五 图419所示的是汽油机燃烧变动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）第61页，共151页，编辑于2022年，星期五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

41、环变动产生影响，（1 1）空燃比）空燃比AFAF的影响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。第62页，共151页，编辑于2022年，星期五（2 2）汽油机转速的影响）汽油机转速的影响。（3 3）点火提前角的影响）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 4）循环水温的影响）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，

42、使循环变动率明显降低。第63页，共151页，编辑于2022年，星期五（5）压缩比的影响）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 6）燃料品质的影响燃料品质的影响 燃料品质的不一致性会引起点火和燃烧稳定性的不一致，导致循环变动加剧。第64页，共151页，编辑于2022年，星期五五、各缸充量的不均匀性五、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

43、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。第65页，共151页，编辑于2022年，星期五 六、汽油机的非正常燃烧六、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。第66页

44、，共151页，编辑于2022年，星期五 1.1.爆燃爆燃（1）爆燃及危害爆燃及危害 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)。第67页，共151页，编辑于2022年，星期五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发生于急燃期始点，虽然（p/）高，但

45、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。第68页，共151页，编辑于2022年，星期五（2）影响爆燃的因素影响爆燃的因素 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t1t2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。第69页，共151页，编辑于2022

46、年，星期五其主要措施：1)缩短火焰传播距离r、提高火焰传播速度；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。第70页，共151页，编辑于2022年，星期五2 2.早燃早燃（1）早燃现象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

47、的自燃现象，且有压力波产生。第71页，共151页，编辑于2022年，星期五（2 2）影响早燃的因素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。第72页，共151页，编辑于2022年，星期五4-4 4-4 点燃式内燃机的燃烧室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、汽油机典型燃烧室一、汽油机典型燃烧室 根据配气机构的不

48、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。第73页，共151页，编辑于2022年，星期五（1 1）楔形燃烧室）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421CA72型轿车汽油机楔形燃烧室第74页，共151页，编辑于2022年，星期五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

49、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。第75页，共151页，编辑于2022年，星期五（2）浴盆形燃烧室）浴盆形燃烧室我国2.5t越野车上用的25Y6100Q型汽油机所采用的浴盆形燃烧室。图42225Y6100Q型汽油机浴盆形燃烧室第76页，共151页，编辑于2022年，星期五

50、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。第77页，共151页，编辑于2022年，星期五（3）半球形燃烧室）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