1、第十章 发动机燃烧过程 概述,10. 1 概述,发动机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程。燃烧过程的基本要求是：（1）燃烧完全。充分利用燃油的化学能；尽量减少有害污染物排放。（2）时机恰当。在上止点后的10 20CA 达到最大燃烧压力。（3）稳定正常。保证发动机稳定、可靠地工作。,多数汽油机的燃烧过程为：利用喷嘴或化油器，在进气管内使空气和燃油混合，再进入气缸，到压缩行程接近终了时，以电火花点燃并燃烧。多数柴油机的燃烧过程为：在接近压缩终了由喷油器将燃油喷入气缸中，然后与空气混合，通过压缩升温使其自燃。,10. 2 汽油机的燃烧过程,1. 汽油机的燃烧分为正常与不正常燃烧两种当汽油机的
2、燃烧不能按正常燃烧的要求，燃烧不稳定、最高燃烧压力出现过早，则出现不正常燃烧。汽油机的不正常燃烧主要是爆震和表面点火。,2正常燃烧过程的定义唯一地由火花定时点火开始，火焰前锋以正常速度传播到整个燃烧室。,3汽油机的不正常燃烧当汽油机的燃烧不能按正常燃烧的要求，即并非由火花定时点火开始，或者火焰前锋速度过快；或者不是火焰前锋传播到整个燃烧室，则出现不正常燃烧。,10.2.1正常燃烧过程以展开示功图研究燃烧过程。,压缩线,无燃烧膨胀线,火花塞点火,着火,最高压力,10.2.1正常燃烧过程以展开示功图研究燃烧过程。,展开示功图的气缸压力线上，在1点，火花塞跳火，经过短暂的着火延迟，到2点出现火焰中心
3、和明显燃烧，随之，在3点出现最高燃烧压力。燃烧过程分为三个阶段：着火延迟期 即阶段。明显燃烧期 即阶段。后燃期 即阶段。,10.2.1正常燃烧过程,着火延迟期,明显燃烧期,后燃期,10.2.1正常燃烧过程,1正常燃烧过程的评价,A、特点：火花放电的电压高，局部温度可达3000 K，混合气氧化反应速度逐渐加快；缸内压力无明显升高。B、评价指标着火延迟期长度 Dj12 = j2 -j1,着火延迟期,（1）着火延迟期,10.2.1正常燃烧过程,1正常燃烧过程的评价,着火延迟期,（1）着火延迟期,混合气成分混合气过量空气系数a 为0.8 0.9时，着火延迟期最短。点火时的缸内气体状态气体温度和压力越高
4、，着火延迟期越短。,C、影响因素：,10.2.1正常燃烧过程,1正常燃烧过程的评价,着火延迟期,（1）着火延迟期,C、影响因素：,缸内气体流动紊流运动强，加快混合气氧化速度，着火延迟期缩短。,火花能量火花能量大，着火延迟期缩短。,残余废气量残余废气多，着火延迟期变长。,10.2.1正常燃烧过程,1正常燃烧过程的评价,（1）着火延迟期,点火提前角,为克服着火延迟期，点火需要提前。从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角称为点火提前角，表示点火时刻。,10.2.1正常燃烧过程,1正常燃烧过程的评价,（2）明显燃烧期,明显燃烧期,A、特点：燃烧速度快，缸内压力急剧升高。B、评价指标最高燃烧压力（最高爆发压力
5、）pZ 以及出现时刻j3 。希望j3在上止点后15曲轴转角之内。,平均压力升高率,10.2.1正常燃烧过程,1正常燃烧过程的评价,（2）明显燃烧期,明显燃烧期,C、燃烧过程燃烧过程为火焰传播。在均质混合气中，当火焰中心形成之后，火焰向四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前锋，从火焰中心开始层层向四周未燃混合气传播，直到连续不断的火焰前锋扫过整个燃烧室。,10.2.1正常燃烧过程,1正常燃烧过程的评价,（2）明显燃烧期,火焰传播速度：火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度。汽油机火焰传播速度可达50 80m/s。,10.2.1正常燃烧过程,1正常燃烧过程的评价,（3）后燃期,后燃期,特点：
6、燃烧速度慢，燃烧放热因活塞下行不能利用，反而使排气温度升高。后燃虽不能绝对消除，但通过完善燃烧过程，可尽量减少。,10.2.2燃烧速度,衡量汽油机燃烧过程完善程度的指标主要是最高燃烧压力 pZ 及其出现时刻j3 、平均压力升高率、排气温度和排放性能(反映燃料完全燃烧程度)等指标。从发动机的动力性和经济性角度，主要是最高燃烧压力、最高燃烧压力出现时刻和平均压力升高率，这些指标与燃烧速度有关。燃烧速度是指单位时间燃烧的混合气量，可以表达为,10.2.2燃烧速度,式中 rT 未燃混合气密度；UT 火焰传播速度，AT 火焰前锋面积。,控制燃烧速度就能控制明显燃烧期的长短及其相对曲轴转角的位置，即控制最
7、高燃烧压力、最高燃烧压力出现时刻和平均压力升高率。,10.2.2燃烧速度,燃烧速度的影响因素,火焰传播速度是决定明显燃烧期长短的主要因素。现代汽油机的UT可高达50 80 m/s。影响UT的主要因素是： 燃烧室中气体的紊流运动 混合气成分 混合气初始温度。,1. 火焰传播速度UT,10.2.2燃烧速度,燃烧速度的影响因素,1. 火焰传播速度UT,（1）紊流运动,紊流运动使火焰前锋燃烧区加厚，火焰传播速度加快。,10.2.2燃烧速度,燃烧速度的影响因素,1. 火焰传播速度UT,a = 0.85 0.95 时，火焰传播速度最大，燃烧速度最快，发动机功率最大，这种混合气称为功率混合气。a = 1.0
8、3 1.1 时，火焰传播速度较大，氧气充足故燃烧完全，发动机经济性最好，这种混合气称为经济混合气。,（2）混合气成分,10.2.2燃烧速度,燃烧速度的影响因素,1. 火焰传播速度UT,（2）混合气成分,燃烧界限a 1.3 1.4，混合气过稀，火焰不能传播，为火焰传播下限；a 0.4 0.5，混合气过浓，火焰也不能传播，为火焰传播上限。汽油机a = 0.6 1.2，即空燃比A / F = 9 18。,10.2.2燃烧速度,燃烧速度的影响因素,1. 火焰传播速度UT,混合气初始温度高，火焰传播速度增加。发动机压缩比大，混合气初始温度高；大气温度高则混合气初始温度也高。其他引起进气终了温度提高的因素
9、也导致混合气初始温度上升，但会造成充气效率下降。,（3）混合气初始温度,10.2.2燃烧速度,燃烧速度的影响因素,火焰前锋面积与火花塞位置、燃烧室结构及活塞位置有关。利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合，可以改变不同时刻火焰前锋扫过的面积，以调整燃烧速度。它直接影响燃烧速度的变化、明显燃烧期相对应的曲轴转角位置以及压力升高率。,2. 火焰前锋面积AT,10.2.2燃烧速度,燃烧速度的影响因素,3. 可燃混合气密度rT增大未燃混合气密度，可以提高燃烧速度。因此增大压缩比、提高进气压力、采用增压技术等，均可加大燃烧速度。,小结 燃烧速度影响因素,10.2. 3 汽油机的不正常燃烧,A、爆震的外
10、部特征气缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦称为敲缸。严重时会产生冷却水过热。功率下降，油耗上升。排放污染增加（主要是排气冒黑烟）。,1、爆震（爆燃）,10.2. 3 汽油机的不正常燃烧,B、爆震产生的原因远端混合气在火焰前锋尚未到达，受已燃气体的高温辐射和压缩作用，未燃混合气的温度达到其自燃温度而着火燃烧（多点燃烧）。这种燃烧的速度极快，几乎是爆炸。,1、爆震（爆燃）,10.2. 3 汽油机的不正常燃烧,C、爆震与正常燃烧的区别,1、爆震（爆燃）,正常燃烧：有明显的单一火焰前锋，逐层向外传播，速度正常，直至燃烧完毕。,爆震：无明显的火焰前锋或多个火焰前锋，几乎无传播过程，燃烧速度极快。,10.2
11、. 3 汽油机的不正常燃烧,C、爆震与正常燃烧的区别,1、爆震（爆燃）,正常燃烧火焰传播速度为50 80 m/s，无压力波，压力升高率在200 400 kPa/(CA)的范围内。爆震火焰传播速度：轻微爆震的火焰传播速度约为100 300 m/s，强烈爆震时可高达800 1000 m/s。未燃混合气瞬时燃烧完毕，局部压力、温度很高，压力升高率特大，形成强烈的压力冲击波。冲击波反复撞击燃烧室壁，发出尖锐的敲缸声。,10.2. 3 汽油机的不正常燃烧,D、爆震的危害,1、爆震（爆燃）,机件过载强烈爆震的冲击波能使缸壁、缸盖、活塞、连杆、曲轴等机件的机械负荷增加，使机件变形甚至损坏。性能恶化严重爆震时
12、，气体向缸壁的传热量增加，热效率下降，功率降低，耗油率增加。爆震容易形成积碳，破坏发动机零件的正常工作，使发动机可靠性下降。 发动机磨损加剧 润滑效果变差，零件磨损加剧。严重爆震的磨损比正常燃烧时大27倍。,10.2. 3 汽油机的不正常燃烧,D、爆震的危害,1、爆震（爆震）,机件烧损汽油机最高燃烧温度可达到2000 2500, 而活塞顶、燃烧室壁及缸壁的温度仅为200 300，除了冷却的作用外，还由于在这些壁面上形成了气体的附面层，起到隔热的作用，所以能够维持如此低温度。强烈爆震的冲击波会破坏这一附面层，使机件直接与高温燃气接触。严重爆震的局部燃气温度可高达4000以上，会使活塞头部和气门等
13、机件烧损。同时热量传给冷却水引起发动机过热。,10.2. 3 汽油机的不正常燃烧,D、爆震的危害,1、爆震（爆震）,排气温度高，冒黑烟汽油机爆震时局部高温引起热分解现象严重，使燃烧产物分解为HC、CO、H2、O2、NO及游离碳，排气冒烟严重。HC、H2和CO等在膨胀过程中重新燃烧，使后燃增加，排气温度增高。,10.2. 3 汽油机的不正常燃烧,凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面（如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的现象，统称表面点火。表面点火的特征在于点火时刻不可控制。压缩比较高（ e 9）的汽油机容易出现表面点火。,2、表面点火,10.2. 3 汽油机的不正常
14、燃烧,A、表面点火类型,2、表面点火,后火在火花塞不跳火时，混合气仍能着火，并且形成的火焰前锋仍以正常火焰传播速度向未燃气体推进，这种表面点火称为后火。这种现象在发动机断火后出现。发动机仍像有电火花一样，继续运转，直到炽热点温度下降到不能点燃混合气为止，发动机才停转。,10.2. 3 汽油机的不正常燃烧,A、表面点火类型,2、表面点火,早燃在火花塞点火之前，炽热表面就点燃混合气的表面点火称为早燃。由于早燃提前点火而且热点表面比火花大，燃烧速率快，气缸压力温度增高快，发动机工作粗暴；压缩功增大，缸壁传热增加，功率下降，发动机过热。早燃会诱发爆震，爆震又会让更多的炽热表面温度升高，促使更剧烈的表面
15、点火，两者互相促进，危害可能更大。,10.2. 3 汽油机的不正常燃烧,B、表面点火与爆震的区别,2、表面点火,（1）爆震出现在火花塞跳火后，是末端混合气的自燃；表面点火出现在火花塞跳火前，不依赖火花塞跳火，是炽热物点燃混合气。 （2）爆震时有强烈的压力冲击波，有尖锐的金属敲击声；表面点火没有压力冲击波，敲缸声比较沉闷。,10.2. 3 汽油机的不正常燃烧,B、表面点火与爆震的区别,2、表面点火,（3）爆震可以通过推迟点火提前角消除，表面点火则不能。,C、影响表面点火的因素凡是能降低燃烧室温度和压力升高率、减少积碳等炽热点形成的因素都有助于防止表面点火。,10.2. 4 燃烧过程的影响因素,内
16、因方面,1、汽油的品质汽油的蒸发性与抗爆性直接影响燃烧过程。,2、混合气成分功率混合气的燃烧速度快，最高燃烧压力和温度、压力升高率都达最大值，但爆震倾向也最大。经济混合气的空气富裕，可以燃烧完全，油耗低，但有害物NOX排放多。浓混合气必然产生不完全燃烧，所以CO和HC排放量大。混合气过浓或过稀则火焰传播速度缓慢，燃料不能完全燃烧，因而经济性差，发动机工作不稳定。,10.2. 4 燃烧过程的影响因素,外因方面,3、燃烧室结构型式 汽油机燃烧室结构型式是燃烧过程最重要的外部条件。,4、点火提前角点火提前角过大，则在压缩过程中燃烧的混合气增多，活塞上行的压缩功增加，发动机容易过热，有效功率下降，工作
17、粗暴程度增加。 同时，爆震倾向加大。点火提前角过小，则后燃严 重，最高燃烧压力和温度下降， 传热损失增多，排气温度升高， 功率下降，耗油量增多。,10.2. 4 燃烧过程的影响因素,外因方面,5、冷却水温度冷却水温度应控制在合适范围内。水温过高、过低均影响混合气的燃烧和发动机的正常使用。水温过高，燃烧室壁面温度高，爆震及表面点火倾向增加。混合气温度升高，气缸充量减少，发动机动力性、经济性下降。,因此，存在一个最佳点火提前角。发动机在最佳点火提前角工作时，压力升高率不会太高，最高爆发压力出现在上止点后的最佳角度，示功图面积最大，发动机的动力性、经济性最好。,10.2. 4 燃烧过程的影响因素,外
18、因方面,冷却水温过低，散热量增多，发动机热效率降低，功率下降，耗油率增加；润滑油粘度增大，润滑效果变差，摩擦损失及机件磨损加剧；燃烧不良易形成积碳，燃气中容易生成酸类物质，使气缸腐蚀磨损增加；不完全燃烧现象严重。6、压缩比压缩比高，压缩行程终了混合气的温度和压力高，加快火焰传播速度，燃烧在更小的容积下进行，燃烧终了的温度、压力高，因此，燃气膨胀充分，热效率高，发动机功率、扭矩大，有效油率降低。但压缩比高，容易产生爆震。,10.2. 4 燃烧过程的影响因素,外因方面,发动机转速转速增加，气缸中紊流增强，火焰传播速度加快，燃烧过程缩短。由于循环时间也缩短，燃烧过程相对应的曲轴转角增加，应当相应加大
19、点火提前角。以保证燃烧过程在上止点附近完成。转速增加时，火焰传播速度加快，爆震倾向减小。,7、工况,10.2. 4 燃烧过程的影响因素,外因方面,发动机负荷转速一定，负荷减小，进入气缸的新鲜混合气量减小，而残余废气量不变，所占比例相对增加。残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使燃烧速度减慢。为保证燃烧过程在上止点附近完成，需增大点火提前角。,7、工况,10.2. 4 燃烧过程的影响因素,外因方面,反之，转速一定，负荷增加，进入气缸的新鲜混合气量多，残余废气量所占比例相对减少，到大负荷时混合气为功率混合气，燃烧速度快，需减小点火提前角。低负荷时，爆震倾向较小。,7、工况,10.2. 4 燃烧过程的影响
20、因素,外因方面,燃烧室积碳积碳不易传热，本身占有体积，减小了燃烧室体积，因而提高了压缩比，使爆震倾向增加；积碳表面温度很高，易引起表面点火。 气缸直径气缸直径大，火焰传播距离增加，爆震倾向大。气缸盖和活塞材料 气缸盖和活塞采用铝合金材料，可使燃烧室表面温度降低，减小了爆震倾向。此外，大气状态对燃烧也有影响。,8、其它,10.3柴油机的燃烧过程,10.3. 1 柴油机混合气形成特点,（1）柴油蒸发性和流动性比汽油差； （2）缸内混合； （3）混合气形成时间极短，只占1535CA; （4）边燃烧边喷油，汽缸内各处混合气浓度很不均匀。 解决途径： （1）组织空气在汽缸中的流动，促进可燃混合气形成；
21、（2）设计各种燃烧室，使混合气形成和燃烧快速进行； （3）采用高压喷射压力向汽缸喷油，使燃油快速雾化均匀；（4）采用电子控制技术，定时定量地向汽缸喷油。,内燃机缸内 气体运动方式,涡流,挤流,滚流,紊流,进气过程中形成绕气缸轴线的气流运动,压缩过程后期形成的径向或横向气流运动,进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线气流运动,气缸内形成的无规则的气流运动,10.3.2 缸内空气运动,进气涡流产生办法 a.导气屏 b.切向气道 c.螺旋气道,挤流与逆挤流,缩口型燃烧室,滚流和紊流,10.3. 3 柴油机燃烧过程,1. 正常燃烧过程以展开示功图研究燃烧过程。,压缩线,无燃烧膨胀线,喷油,着火,最高压力,最
22、高温度,压缩线,无燃烧膨胀线,喷油,着火,最高压力,最高温度,着火延迟期,快速燃烧期,缓燃期,后燃期,喷油提前角,柴油机燃烧分为正常燃烧与非正常燃烧。正常燃烧是指发动机正常工作的燃烧，是相对于不正常燃烧而言的。柴油机正常燃烧过程分为 四个阶段：（1）着火延迟期 （1 2） 即阶段。（2）快速燃烧期 （2 3） 即阶段。（3）缓燃期 （3 4） 即阶段。（4）后燃期 （4 ） 即阶段。 与汽油机相比，柴油机多了一个缓燃期。,着火延迟期（阶段）从喷油开始到压力线脱离压缩线所占用的曲轴转角。,快速燃烧期（ 阶段）从压力线脱离压缩线到出现最高燃烧压力所占用的曲轴转角。,缓燃期（ 阶段）从最高燃烧压力到
23、出现最高燃烧温度所占用的曲轴转角。,后燃期（ 阶段）最高燃烧温度出现以后的燃烧。,最高温度,最高压力,1)正常燃烧过程的评价,A、特点：过程复杂，有物理准备 形成混合气，有化学准备 氧化反应速度逐渐加快；缸内压力无明显升高。B、评价指标着火延迟期长度 Dj12 = j2 -j1,（1）着火延迟期,着火延迟期,喷油提前角,C、影响因素：十六烷值十六烷值高，着火延迟期短。点火时的缸内气体状态气体温度和压力越高，着火延迟期越短。,喷油提前角从喷油到上止点间的曲轴转角。,1)正常燃烧过程的评价,A、特点：预混燃烧、多点燃烧；同时又形成混合气；缸内压力急剧升高。B、评价指标最高燃烧压力（最高爆发压力）p
24、Z 以及出现时刻j3 。 希望j3在上止点后15 20曲轴转角之内。平均压力升高率表示压力升高的急剧程度。,（2）速燃期,速燃期,1)正常燃烧过程的评价,（2）速燃期,速燃期,C、燃烧过程燃烧为预混燃烧，开始是着火延迟期形成的非均质混合气中多点燃烧，后来燃烧的是喷束扩散形成的混合气，转入扩散燃烧。因为是多点燃烧，故燃烧速度快，压力升高率大，工作粗暴，振动强，噪声高。,1)正常燃烧过程的评价,A、特点：扩散燃烧；可能有边喷射、边形成混合气、边燃烧；缸内压力下降慢。B、评价指标最高燃烧温度TZ缓燃期延续时间Dj34 = j4 - j3希望尽量缩短C、燃烧过程比较粗大的油滴独立燃烧，气流运动对完善过
25、程作用极大。如燃烧不好，出现碳烟排放。,（3）缓燃期,缓燃期,1)正常燃烧过程的评价,特点：燃烧速度慢，燃烧放热因活塞下行不能利用，反而使排气温度升高。后燃虽不能绝对消除，但通过完善燃烧过程，可尽量减少。,（4）后燃期,后燃期,2)柴油机燃烧过程组织的困难,（1）节能与排放的矛盾原因： 节能要求燃烧完全，使燃烧温度高，虽然CO、HC和碳烟排放少，但NOX排放多。（2）碳烟与氮氧化物排放的矛盾原因： 消除碳烟要 燃烧完全，使燃烧温度高，氮氧化物排放多。而对减少氮氧化物排放有利的措施，又可能导致碳烟；反之亦然。 （3）节能与工作柔和要求的矛盾原因： 工作柔和要求前期少喷油，会造成后燃严重，经济性和
26、动力性差；如 燃烧完全，前期喷油多，则压力升高快，工作粗暴。,3)柴油机的不正常燃烧过程,正常燃烧过程要求燃油定时、定量并且稳定喷入气缸；燃油形成混合气的数量与燃烧要求配合。 不正常燃烧喷射时刻过迟、过早；喷射不稳定：数量变化或断续喷射；燃油形成混合气的数量与燃烧要求不配合。 习惯上统称为不正常喷射。,10.3.4 柴油机燃烧过程的影响因素,1、燃料性质十六烷值高着火性能好 2、供油提前角对于每一工况，有一最佳提前角,3、工况转速负荷 4、压缩比 5、压缩终了气体状态,复习思考题 1柴油机燃烧过程及其分段。 2. 柴油机燃烧过程的评价；柴油机正常燃烧的要求。 3柴油机燃烧的影响因素。 4缸内气体运动方式与形成。,
