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汽油机的燃烧过程
作者:admin 发布日期:2019-09-12

  第五章 汽油机混合气形成与燃烧 本章要求: 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。 1. 燃烧过程的重要 2.对燃烧过程的要求 性 1)燃烧完全,释放出尽 燃料燃烧完全的程度, 可能多的热能,减少废气 直接影响到热量产生的 中的有害物质。 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。 2)燃烧及时,使放热集 中在上止点附近,提高热 功转换能力。 3.燃烧过程的研究方法 高速摄影法、示功图法 第一节 汽油机的正常燃烧 汽油机的燃烧过程 指从点火开始到燃 料基本烧完为止的 过程。 一、示功图上的 关键点 1、火花塞跳火 2、缸内压力线偏离 纯压缩线、缸内最高压力点 θ -点火提前角 Ⅰ-滞燃期 Ⅱ-显燃期 Ⅲ-补燃期 图5-1 汽油机的燃烧过程 二、燃烧过程的几个阶段 1、◇▲=○▼=△▲滞燃期(着火落后期) 从火花塞开始跳火到火焰中心形成→滞燃期。 是燃烧的准备阶段,主要进行热量的积累,缸内的压力 线与纯压缩线基本重合。 当反应的混合气的温度升高到一定程度后,形成发火 区,即火焰中心。 从火花塞跳火瞬时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—35? CA。 各种因素对滞燃期长短的影响: 混合气浓度合适(?=0.8~0.9最短)、火花塞跳火时缸 内压力及温度高、电火花强度大,着火延迟时间将减小。 另外,与残余废气量、缸内混合气的运动等因素有关。 2、明显燃烧期(速燃期) 从火焰中心形成到示功图上的压力达到最高点 为止称为明显燃烧期。 在均质混合气中,当火焰中心出现后,与其 临近的一薄层混合气首先燃烧即形成极薄的火焰 层,称为火焰前锋。 火焰前锋向前推进的法向移动速度,称为火焰 传播速度。火焰传播速度一般50—80m/s。 混合气约80—90%在此期间燃烧完毕,◇•■★▼温度、压力迅速升 高,最高压力在上止点后12℃A~15℃A(循环功最多) 一般占20—30? CA。缸内最高压力点与最高温度点重合。 最高压力过早使压缩功增大,过迟散热损失 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: λP =△P/△θ ΔP =(P3-P2) Δθ=(θ3-θ2) λP表征压力变化的急剧程度。 λP过大,发动 机振动和噪声大,工作粗暴; λP在175~ 250MPa/℃A,汽油机工作柔和,性能好。 3、补燃期(后燃期) 从最高压力点到燃烧结束为补燃期。指明显燃 烧期以后在膨胀过程中的燃烧,主要由火焰前锋 面过后,后面未及燃烧的燃料(燃烧室边缘和缝 隙)再燃烧,以及部分燃烧及高温分解的燃烧产 物(H2、O2、CO等)重新氧化。 在膨胀中远离上止点放热,热能不能充分利 用,使 η i↓, Ne↓, ge↑,且排气温度↑,散热 希望后燃期尽可能短,后燃放热量尽可能少。 量↑。过长回造成发动机过热,排气管“放炮”。 总结: 1.上述三个阶段中,火焰传播期速度对η i起决定性的作用。 要在工作柔和的条件下,尽可能地提高火焰传播速度。 2.衡量发动机工作粗暴程度的指标—明显燃烧期内的平均压力升 高率△P/△ψ ,▲●…△ 即曲轴每转1度时,缸内气体压力的平均升高量: Δ P/Δ ψ =(P3-P2)/(ψ 3-ψ 2) [kPa/0CA] 一般使火焰中心形成点出现在TDC前12-150CA,缸内最高压力 点出现在TDC后12-150CA。 Δ P/Δ ψ =175 ~ 245kPa/0CA 3.影响火焰传播速度的因素: 混合气浓度、缸内气体的紊流强度、残余废气系数等。 汽油机燃烧过程与柴油机燃烧过程的区别: 1. 属于预混合燃烧,具有定容燃烧的形式。燃烧持续期约 为25~40℃A(柴油机约为50~70℃A)。 2.压缩比小,一般为7~9, (柴油机约为12~22)。热效率 低,排温高(膨胀不充分)。 3.最高燃烧温度高(接近定容燃烧)。 4.易燃烧不完全(过量空气系数小,防止爆燃燃烧室内 的激冷区),CO、HC、NOx排放高。 5.挥发损失大(汽油的挥发性好)。 第二节 一、爆震燃烧 (一)现象 汽油机的不正常燃烧 常见的不正常燃烧:爆震燃烧 和表面点火。 1.缸内出现尖锐的金属敲击声 2.油膜破坏,机件磨损加剧; 3.燃烧室、冷却系过热,排温 增加; 4.Ne下降、ge升高; 5.排污增加,严重时排气冒黑 烟; 6.压力线 爆燃时的示功图 (二)原因 在火焰前锋到达之前,末端混合气的温度、压力 超过其临界温度、压力而自燃,形成新的火焰中 心 , 火焰传播速度加大 ( 高达 800—1000m/s), 使得 缸内局部压力、温度急剧升高 , 压力来不及平衡 , 形成冲击波(激波) , 冲击波反复撞击缸壁 , (激 波来回反射,在示功图上形成锯齿形)发出尖锐 的敲缸声。由于缸内局部的高温、高压,造成下 述后果。 (重载爬坡、急加速时易爆震,换低挡以提高发动 机转速可消除爆震) (三)危害 1、机件过载 冲击负荷大,机件的机械负荷增加,使机件变形损坏。噪声增大。 2、机件烧损 汽油机燃烧终了的温度为2000~2500℃,由于冷却水和气体附面层 的作用,活塞顶、燃烧室壁和缸壁的温度保持在200~300 ℃。爆燃 冲击波破坏燃烧室内附面层和局部高温,使活塞头和气门等烧损, 同时会引起发动机过热。 3、润滑变差 发动机过热,使润滑效果变差,使磨损加剧。 4、积碳增多 高温裂解产生的碳粒形成积炭, 5、Ne下降、ge上升 另外,高温裂解使燃烧产物分解为CO、H2、O2、NO及游离碳增 多,排气冒烟严重。△ CO、H2、O2等膨胀过程中重新燃烧,使排 温增高。 (四)影响爆燃的因素 有燃料因素、使用因素、结构因素等。 为便于分析,假定: t1 -从火焰中心形成起到火焰前锋传到末端混合 气为止的时间。 t2 -从火焰中心形成起到末端混合气自行着火的 时间。◆◁• 所以: 当t1 t2 不爆燃,当t1 t2 ,爆燃。 1、燃料因素 汽油机的压缩比,应适应汽油辛烷值的要求。 2、使用因素 发动机转速增加,★-●△▪️▲□△▽进气速度加快,压缩终了气体的紊流度提高, 火焰传播速度加快,爆燃程度减弱;气缸残余废气多,会使混合 气自燃温度提高,着火延迟期加长,可减弱爆燃; 过量空气系数在 0.85~0.95 时,自燃温度低,着火延迟期短,□▼◁▼爆 燃最严重;BTDC大,易爆燃;缸内积碳使热阻加大,壁面温度升 高,实际压缩比增加,爆燃加重。—影响混合气的温度和压力 3、结构因素 燃烧室结构能使压缩终了气体紊流速度提高,火焰传播速度加快, 能避免爆燃;火花塞的位置和数目使火焰行程缩短,可减少爆燃; 使末端气体接触的燃烧室壁强冷却,可减少爆燃;采用小直径的 气缸,▼▼▽●▽●不易爆燃。 (五)减轻爆燃的措施 ①降低水温和进气温度 ②降低末温 ③降低压缩比 ④推迟点火 ⑤增多残余废气 二、表面点火或热面点火 定义:在火花点火式汽油机中,凡是不依靠 火花塞点火,而是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。 早燃或早火—在火花塞跳火 非爆燃性表面点火 爆燃性表面点火 之前 分 后燃或后火—在火花塞跳火 之后 1、非爆燃性表面点火-火焰以正常速度传播 1)后燃 点火后,在火焰传播 过程中,炽热表面在 火焰到达前点燃混合 气,其火焰以正常速 度向未燃气体推进。 断火后发动机续转就 是这种现象。 2)早燃 炽热表面温度较高,在点 火前,点燃混合气。由于 点燃区域较大,火焰传播 速度快,P和λP较大,发动 机易过热。 ⑴早燃的危害 压缩负功↑, 缸内温度↑, 与缸壁接触面积↑, →散热量↑, 有效功率↓。 另外高温、高压加重 了活塞连杆组的机 械负荷、热负荷,使 用寿命↓。 图5-4 早燃时的示功图 ⑵ 与爆燃的区别 ①沉闷的“敲缸声”。 ②被炽热表面点燃,无压力波产生,而爆燃时 为自燃,有压力波产生。 另外: 爆燃 缸内炽热表面产生 缸内温度、压力升高 早燃 非爆燃性表面点火大体是发动机长时间高负 荷运转引起的 2、爆燃性表面点火(激爆) 热面点火后火焰以爆燃速度传播。由燃烧室沉积 物引起的 发动机低速、低负荷运转时,燃烧室表面极易形 成导热性很差的沉积物。沉积物被高温火焰包围, 急剧氧化而白炽化,将混合气点燃。 压力升高率高5倍,最高压力高150% 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 ①选用低沸点汽油和含胶质少的机油。 ②在燃料中加抑制热面点火的添加剂。 ③适当降低压缩比。 ④选用合格的火花塞、排气门。 小结: 爆燃 表面点火 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、☆△◆▲■燃油的影响 1、汽油的抗爆性: 汽油对发动机发生爆燃的抵抗能力,用辛烷值 表示,辛烷值越高,抗爆性越好。 填加各种添加剂,可提高汽油的辛烷值。 2、汽油蒸发性 表征汽油的汽化难易程度。蒸发性越强,与空 气混合越均匀,混合气燃烧速度越快,易于完全 燃烧;但过强,易产生气阻。 二.使用因素 的影响 1.点火提前角θ θ 过大, →发动机过热, 功率↓。 缸内最高温度、 压力↑,▼▲ 爆燃倾向↑。 图5-5 点火提前角对示功图的影响 θ 过小,由于燃烧开始时活塞已下行,燃烧容 积较大,燃气与气缸接触面积大,导致: (1) 损失一部分膨胀功。 (2)燃烧在膨胀过程中进行,后燃量增大。 →散热损失大,排气温度过高,发动机过热, 功率下降。■□但缸内温度、压力的降低,使t2增大 , 爆燃倾向减小。 最佳点火提前角:在一定的发动机负荷、转速 下,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: 在一定的发动机转速、一定的节气门开度下, Ne 与ge 随点火提前角的改变而变化的规律。 a)节气门全开 b)转速n=1600r/min 2.混合气成份 用过量空气系数 α 表示。 1)α =0.85-0.95时, 火焰传播速度u最大, 用此混合气时,发 动机的功率达最大, 故称功率混合气。供 给功率混合气时,爆燃 倾向加大 火焰传播界限: 0.5α 1.3。▪️•★ 图5-7 α 对火焰传播速度的影响 2)低负荷或怠速时→较浓的混合气 残余废气多,会引起断火;燃烧速度慢,发动机易过热; 高温未燃成分在排气管口与空气相遇而激烈氧化,排气 管放炮。 α=0.4~0.5为火焰传播上限。 3)α =1.05-1.15 时,为经济混合气 燃烧缓慢,含氧高的高温废气能点燃进气管新鲜混合气→ 燃烧最完全,热效率最高,油耗最低。但混合气过稀, 化油器回火。α=1.3~1.4为火焰传播下限。 4)混合气成份调整特性: 性能指标(功率Ne与燃油消耗率ge等)随混合气成份而变化 的规律。 在汽油机转速,节气门开度一定,点火提前角最佳时 , 3.发动机转速n 图5-9 涡流状况对火焰传播速度的影响 a)无涡流 b) 有涡流 n↑→缸内混合气的涡流运动(紊流)↑, 燃料与空气的混合得到改善; 压缩过程的放热量↓→缸内压力、温度↑ →火焰传播速度↑。 n↑→t1↓ →η v↓→缸内r↑→末端混合气的焰前反应 ↓→t2↑→爆燃倾向↓。 所以发动机在低速运转时最易发生爆燃。 n↑→ 最佳点火提前角↑ (图5-6),秒速时时彩开奖 所以发动机上装有离心式点火自动提前装置。 4.发动机负荷 负荷↑→缸内温度、压力↑ →滞燃期↓→t1 ↓ →末端混合气的焰前反应↑→t2↓ →爆燃倾向↑。 负荷↑→燃烧所占的曲轴转角↑ →最佳点火提前角↓。 (图5-6) 所以发动机上装有真空式点火提前装置。 5.其他因素 进气温度↑ 、冷却水温度↑、燃烧室 壁积碳、进气压力↑→爆燃倾向↑。 总之,发动机在低速、大负荷时,最 易发生爆燃。 在使用中,调整点火提前角应在低速、 大负荷工况下进行。 三、结构因素的影响 (一)压缩比? 1、ε ↑时: 缸内燃烧的最高温度、最高压力 ↑ , η i↑ ↓。 ge 但爆燃倾向↑,表面点火倾向↑ 。 2 、 ε ↑→Ne↑ 、 ge↓ ,但受到爆燃的限制, 要防止爆燃: a.改进燃烧室的设计; b.提高汽油的辛烷值。 (二)燃烧室 1.对燃烧室的要求: 1)容积分布要合理。 要有适宜的放热规律。 放热规律:燃油燃烧时的放热率随曲轴转角而变 化的规律。 适宜的放热规律能够使燃油释放的热量充分利 用,发动机工作柔和,运转平稳。 燃烧初期压力升高率小,工作柔和; 燃烧中期急剧放热,循环功大; 燃烧后期补燃少,ηi↑ 图5-10 燃烧室容积分布对燃过程的影响 2)应具有良好的抗爆性。 A.结构尽量紧凑 ? ? ? ? 面容比小(烧室表面积与容积之比) 火焰传播距离短,爆燃↓ 散热面积小,ηt↑ 激冷区小,HC ↓ B.燃烧室内的混合气要有适当的涡流强度 (进气涡 流、挤气涡流)。 ? 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。 C. 降低末端混合气的温度(在汽缸盖挤气间隙处 布置冷却水套)。 3 )火花塞的位置要安排适当 —应装在燃烧室 中央偏离排气门处。 ? ? ? 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 进气口直径大、弯少光滑 4)尽量增加进气量 (三)气缸直径d d↑→面容比↓,→传热损失↓→经济性↑。 但火焰传播距离↑ →t1↑ →爆燃倾向↑。 对车用汽油机,▲●d一般小于100mm。 (四)气缸盖和活塞的材料 常用铸铁、铝。★△◁◁▽▼ 铝的导热性好,铝制汽缸盖的表面温度低, 热负荷小,爆燃倾向↓,许用的压缩比↑。 (五)冷却方式 水冷比风冷的爆燃倾向小,许用的压缩比高。