1、主要内容： 汽油机的燃烧过程及其特点 汽油机的不正常燃烧 汽油机的混合气形成 汽油机燃烧室及其特性 汽油机电子控制系统与控制技术（不讲） 稀薄燃烧与缸内直喷式汽油机,第8章 汽油机的混合气形成及燃烧过程,汽油机燃烧过程及分析,汽油机着火和燃烧的高速摄影,火焰特点： 均质透明 火焰前锋面皱褶,火核形成,火花点火,燃烧过程的高速摄影实例：,4,8,12,16,20,24,28,32,40,0(TDC),火焰特点： 多点大面积着火粗暴 “有焰”燃烧产生碳烟,柴油机燃烧过程及其特性分析,8.1 汽油机燃烧过程及其特点,汽油机燃烧三阶段：（1）着火落后期（ AB ）（2）明显燃烧期（ BC ）（3）后燃
2、期（ CD ）,1、 着火落后期（AB ）,燃烧特性参数：着火落后期i 10CA左右 注意区别点火提前角ig i 相对稳定（相对柴油机），因此ig对pmax相位有重要影响,现象：在A点开始火花点火， 高温单阶段着火；在B点产生稳定的火核，开始火焰传播； B点也可用CA05表示， 即累计放热5%的相位。,2、 明显燃烧期（BC ）,现象： 火焰充满燃烧室，燃烧压力达到最高，即pmax ；其间8090燃料被燃烧。,燃烧特性参数1： 最高爆发压力pmaxpmax ，i ，W i ，但NOx ，机械负荷及热负荷；pmax位置，c1015 CA（ ATDC）,也称为速燃期,放热速率特征值CA50：累计放
3、热50%的相位，510 CA （ATDC）,Pmax的控制优化,Pmax出现的位置可用点火提前角ig来控制；MBT：Minimum advance for Best Torque，对于最大转矩的最佳点火提前,燃烧特性参数2：压力升高率 压升率 = dp/d 最高压升率（dp/d）max (MPa/CA) 平均压升率dp/d的影响 dp/d,i，但NOx，机械损失及热负荷,噪声 振动 一般汽油机 dp/d0.20.4（MPa/CA）,2、明显燃烧期（BC ）,（dp/d）max,3、后燃期（CD ),要求： 燃期要短后燃期， i ， 排温，甚至“放炮” 燃烧完全否则，HC，CO ,现象:燃烧剩余
4、约10燃料，主要存在于火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧区域、壁面附近未燃混合气,8.1.2 汽油机 Vs 柴油机燃烧特性,示功图（P-）： 压缩压力 燃烧压力Pmax压升率（dP/d）： 各自的合理范围 dP/d低，NOx和噪声低放热速率dQb/d: 初期放热率，柴，汽 形状，汽单峰，柴双峰,汽油机,柴油机,8.1. 2 汽油机 Vs 柴油机燃烧特性,汽油机不同负荷时，随负荷的增加，燃烧持续期缩短； 柴油机，随负荷增加，燃烧持续期变长； 由于汽油机在中小负荷时的燃烧持续期拖长，加之上述放热率形状的不同，其燃烧放热等容度会低于柴油机，即汽油机最常用的中小负荷不是“等容放热”,EQ491汽油机，排量2
5、.5升； 大负荷燃烧持续期略有增加，是因为防止爆震而推迟点火时刻造成的。,汽油机 Vs 柴油机,?为什么汽油机燃烧放热呈“单峰”， ?而柴油机燃烧放热呈“双峰”？,汽油机：预混合燃烧 柴油机：预混 + 扩散扩散燃烧,汽油机 Vs 柴油机,8.2 汽油机的不正常燃烧,汽油机正常燃烧的特征（点燃式发动机）：由火花点火引燃（也可有其它强制点火方式）以火核为中心的火焰有序传播汽油机不正常燃烧：爆燃（爆震、敲缸）表面点火激爆,汽油机的不规则燃烧： 循环波动不同循环之间的燃烧变动 各缸不均匀各缸之间的燃烧差异,1、爆燃现象（Knocking）尖锐的金属敲击声，声频为37KHz 机身有明显振动 功率下降、转
6、速不稳，甚至冒黑烟 示功图出现不同程度的“锯齿波” 冷却水、机油和气缸盖等温度升高,8.2.1 爆燃的机理与对策,正常燃烧,轻微爆燃,强烈爆燃,2、爆燃机理 末端混合气（End gas）受压缩和热辐射，以低温多阶段方式产生自燃（Self-ignition） 多点大面积自燃，形成局部温度压力陡升（瞬时压力18MPa），压力波在传播过程种形成“激波”。 激波冲击燃烧室壁面产生高频振音（也有说共振），并在示功图上可观察到这种压力波动。,注意： 火焰前锋面速度100m/s，压力波和热辐射分别为音速和光速,8.2.1 爆燃的机理与对策,3、爆燃的危害 燃室壁面的层流边界层和油膜被破坏，散热， 热负荷，严
7、重时活塞顶烧熔;, 燃烧粗暴、热裂解发生，甚至冒黑烟,由于油膜层被破坏，引起活塞组异常磨损，拉缸甚至活塞环断, 轻微爆燃有可能略改善油耗和功率，但严重爆燃时t ，热损失，导致be，Pe ,燃气压力剧烈波动使pmax和dp/d ，使机械负荷。,8.2.1 爆燃的机理与对策,爆燃的危害,正常燃烧火花塞,爆燃-火花塞绝缘体烧毁,8.2.1 爆燃的机理与对策,8.2.1 爆燃的机理与对策,区别 汽油机爆震 柴油机粗暴燃烧,4、防止爆燃的对策记: t1由火核形成至火焰前锋面传播到末端混合气所需时间t2由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间 则： 不爆燃的条件 t1 t2,8.2.1 爆燃的机理与对策,要
8、求：逐项深入理解上述对策，要搞清为什么？,8.2.1 爆燃的机理与对策,汽油机爆燃示例,n=2000rpm BMEP=0.9MPa,发动机：EQ491 压缩比：9.0 汽油：90(RON),点火提前角 ig =24oCA ig = 19oCA,上述缩短t1和延长t2的对策中，许多是相互矛盾的 实际中防止爆燃的主要措施 降低 （最主要） 提高燃料辛烷值 推迟点火时间 燃烧室优化设计 （含提高湍流度等，见右图） 爆震传感器反馈控制,由此造成了汽油机多年来的难题：即如何在无爆燃条件下实现高压缩比,8.2.1 爆燃的机理与对策,有关爆震的机理，并未完全探明，尤其是末端混合气自燃后的压力“震荡”和“激波
9、”等问题 爆震也并非一无是处 作为目前内燃机燃烧国际前沿的“均质混合气压燃”实际上是一种可控爆震 “爆震发动机”作为飞机动力目前在研究中，,实际上，汽油机的爆震主要发生在大负荷工况，尤其是低速大负荷。因此，可变压缩比是一个兼顾低负荷热效率和大负荷不爆震的理想方法。,8.2.1 爆燃的机理与对策,8.2.3 循环波动,1、现象 汽油机转速和转矩波动大于柴油机 一般：汽 10 r/min柴 2 r/min转速和转矩波动源于燃烧波动（如右图) pmax波动 ：2.53.5MPa （dQB/d）max波动： 2倍,2、危害点火时间、空燃比等控制参数无法 调节到最佳；燃烧不好的循环会产生i 、Wi等下降
10、 （设想上图中如10个循环都按pmax最高的循环来工作，会怎样？）振动、噪声 例：6105汽油机燃烧室改进设计后， （dp/d）max由1.8上升到2.4（bar/ CA），p由11降为7.1，结果噪声下降8dB,8.2.3 循环波动,3、循环波动的评价指标 循环波动率：p = (p / pmax)100式中， p为pmax的标准偏差；pmax为 pmax的算术平均值,正常情况： p 10% 较好汽油机： p 7% 同理：可用Pmax出现角度pmax、 dp/d、pmi 、(dQB/d)max等多种燃烧特性参数表示循环波动程度。,8.2.3 循环波动,4、产生循环波动的原因,（1） 混合气成分
11、波动： 局部空燃比波动； 残余废气浓度波动。 （如图，火花塞处连续50 个循环的快速采样结果）（2） 气体运动状态波动 流速过高或过低； 湍流强度过高或过低。,5、影响因素及改进措施,a影响最大， a=0.81.0时， p最小； 油气混合的均匀程度（绝对均匀， p0）； r，p ，因此应加强火花塞周围扫气 ； 负荷 （ r ），则p ； 转速 （ 湍流），则p ； 提高点火能量或采用多点点火。,汽油机循环波动案例（1）,491i汽油机实测结果,循环波动率每增大1个%点，Pmi损失1.5%,柴油机的循环波动为什么小于汽油机？,循环波动率示例,Pmax = 8.9%,Pmax = 9.6%,BME
12、P=0.19MPa,BMEP=0.88MPa,（大众Touran，2.0L 汽油机，n=2000rpm）,汽油机循环波动案例（2）,8.2.3 表面点火及其防止措施,何谓表面点火（Surface ignition）由炽热表面点燃混合气引起的着火 炽热表面：燃烧室壁面凸起部，如排气门、壁面尖角处、火花塞群部、积碳（Deposit）及其催化剂作用 表面点火的分类： 早火（早燃, Pre-ignition）正常火花点火前发生的表面点火 后火（后燃）正常火花点火后发生的表面点火 后火：若不引发爆燃，一般危害不大，或对i略有利；但长时间后火，会使燃烧室热负荷提高，演变为早火；出现“续走”（Running
13、-on）现象。,早火 由于实际着火提前，使pmax和dp/d 负功 ； i ；pi ； 机械负功； m ， 产生低频敲缸（6001200Hz）（注意早火与爆燃的异同）爆燃性表面点火（激爆） 早火与点火时间提前一样，会引起爆燃； 爆燃导致燃烧室温度水平提高，更容易产生早火；两者相互促进，形成严重粗暴燃烧，即激爆（p/5倍，pmax 1.5倍 ）？问题：如何区分爆燃、表面点火与激爆？,防止表面点火的对策 降低燃烧室温度水平（与防爆燃一样，、点火角等） 燃烧室设计优化（合理冷却、避免尖角和突出部） 选用低沸点汽油以减少重馏分（如芳烃）形成的积碳 控制润滑油消耗（润滑油不完全燃烧易形成积碳） 采用汽油或润滑油添加剂以防止或消除积碳 提高汽油中抗表火性好的成分，如异辛烷等。,8章作业（1）,用示功图和放热率判断着火时刻的方法，汽油机与柴油机有何异同？为什么？ 汽油机累计放热曲线上的CA05、CA50、CA90分别对应示功图上的那个点？为什么？ 分别指出造成PFI汽油机与DI柴油机各缸工作不均匀的原因，对比分析有何异同。 表面点火与爆震有何不同？试从外观表现、产生机理和消除技术等方面论述,
