发动机原理电子教案-第五章.doc
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第五章汽油机混合气形成与燃烧
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。
燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程,燃料燃烧完全的程度,直接影响到热量产生的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。
燃烧的基本要求:
完全、及时、正常、排污小。
第一节汽油机的正常燃烧
一、着火落后期
从火花塞跳火到火焰中心形成。
火花塞跳火后并不能马上形成火焰中心,因为混合气氧化需要一定的时间。
释放的热量不多,汽缸内压力升高不大,压力线与纯压缩线基本重合。
从火花塞跳火到活塞行至上止点时的曲轴转角,称为点火提前角,用θ表示。
一般为20--350CA。
二、明显燃烧期
从火焰中心形成到缸内最高压力。
火焰以20-30m/s速度近似球面向外逐层传播。
火焰传播速u:
火焰前锋的法向移动速度。
明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期,绝大部分燃料在这一阶段燃烧,此时活塞又靠近上止点,所以汽缸内的压力、温度迅速升高,压力达到最大值;混合气燃烧约90%,放出了大部分的热量。
最高压力出现的时机(上止点后12-150)和大小对发动机的性能影响很大。
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)
三、后燃期
从缸内压力最高到燃料燃烧结束。
指明显燃烧期以后的燃烧,主要由火焰前锋面未及燃烧的燃料再燃烧,以及部分燃烧及高温分解的燃烧产物重新氧化。
这种燃烧是在膨胀中远离上止点放热,使热能不能充分利用,ηt下降,且排气温度升高,发动机过热。
希望后燃期尽可能短,放热量尽可能少。
小结:
为提高发动机的动力性、经济性,希望火焰传播速度u高,最高压力大,但λP大,工作粗暴。
所以要在工作柔和的条件下,尽可能地控制火焰传播速度和最高压力。
第二节汽油机的不正常燃烧
一、爆震燃烧(爆燃)
(一)爆燃产生
末端混合气自燃,形成新的火焰中心;
新的火焰速度很大(1000m/s),缸内局部压力、温度急剧升高,形成冲击波;
冲击波撞击缸壁、活塞顶等,发出尖锐的敲击声。
(二)爆燃危害
1.机件过载
冲击负荷大,机件变形损坏。
2、机件烧损
冲击波破坏燃烧室内附面层,局部高温
3、润滑变差(发动机过热),积炭增多(高温裂解),使磨损加剧。
4、Ne↓、ge↑
(三)影响爆燃的因素及减轻措施
有使用因素、结构因素等。
从成因上分析:
t1-火焰正常传播时间,即从火焰中心形成起到火焰前锋传到末端混合气为止。
t2-末端混合气自行发火的准备时间,即从火焰中心形成起到末端混合气自行着火。
t1
使t1减小因素:
①提高火焰传播速度(转速增加,涡流增强)
②缩短火焰传播距离(燃烧室结构、火花塞位置)
使t2增大因素:
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、热面点火
(一)产生
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。
凡是不依靠火花塞点火。
1、非爆燃性热面点火
热面点火后火焰以正常速度传播。
早火(早燃):
发生在火花塞跳火之前
后火(后燃):
发生在火花塞跳火之后
断火后发动机续转就是热面点火现象。
2、爆燃性热面点火
热面点火后火焰以爆燃速度传播。
压力升高率高5倍,最高压力高150%
(二)危害:
1、早火使压缩负功增大,Ne↓。
2、热负荷增大。
3、爆燃性热面点火,加速机件损坏。
(三)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:
热面点火与爆燃的比较:
爆燃热面点火
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、汽油性能
1、蒸发性
蒸发性强,混合燃速快,燃烧完全。
蒸发性过强,产生“气阻”。
2、抗爆性
辛烷值高,抗爆性好。
汽油是异辛烷(抗爆性为100)和正辛烷(抗爆性为0)的混合物。
加抗爆剂四乙铅,可提高汽油抗爆性。
二、使用因素
1、混合气浓度
1)α=0.85-0.95——功率混合气
火焰传播速度最快,Ne最大;
燃烧室温度高,t2↓爆燃↑;
空气不足,燃烧不完全,ge↑。
2)α<0.85过浓混合气
Ne↓ge↑↑
未燃烧产物随废气排入排气管,在排气管口燃烧,使排气管“放炮”。
3)α=1.05-1.15——经济混合气。
空气适量,燃烧完全,ge最低;
燃速慢,Ne↓。
4)α>1.15过稀混合气
Ne↓↓,ge↑;
可持续到排气门关闭,进气门打开时,引起化油器“回火”。
燃料调整特性:
Ne和ge随混合气浓度的变化关系。
2、点火提前角θ
θ过大时
缸内温度、压力的升高大,t2↓爆燃↑;
压缩功增大,Ne↓ge↑。
θ过小时
燃烧推迟,最高压力降低,Ne↓爆燃↓;
同时燃烧在膨胀过程中进行,后燃量增大,使发动机过热,ge↑;
最佳点火提前角:
发动机负荷、转速一定时,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:
发动机转速和节气门开度一定,Ne与ge随点火提前角的变化关系。
3.发动机转速n
n↑
油、气的混合得到改善;
燃烧所占曲轴转角加大,着火落后期增长—离心式点火自动提前装置;
火焰传播速度加快,t1↓爆燃↓;
ηv↓,残余废气系数↑,末端混合气的焰前反应↓,t2↑,爆燃↓
4、发动机负荷
负荷↓
废气相对多,滞燃期↑—点火提前。
废气相对多,t2↑爆燃↓
缸内压力温度低,t2↑爆燃↓
5、水温
水温过高
爆燃↑热面点火↑;
充气密度↓ηv↓。
水温过低
热损失增大,Ne↓、ge↑;
机油粘度增大,机械损失增大;
缸内酸性物质增多,汽缸腐蚀增大;
混合不好,燃烧不完全,排污增大。
6、积炭
积炭↑燃烧室↓爆燃↑炽热点火↑
三、构造因素
1、压缩比ε
ε↑
ηv↑Ne↑ge↓;
温度高,爆燃↑,热面点火↑
提高ε,使Ne↑、ge↓,但受到爆燃的限制,要防止爆燃。
2、汽缸直径
缸径↑面容比↓传热损失↓
火焰传播的距离↑t1↑爆燃↑
3、汽缸盖和活塞的材料
铝合金
导热性好,铝制汽缸盖的表面温度低,热负荷小,t2↑爆燃↓,许用的压缩比ε升高。
4、冷却方式
水冷
比风冷的冷却效果好,t2↑爆燃↓,许用的压缩比高。
5、燃烧室
对燃烧室的要求
(1)结构紧凑
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↓
(2)火花塞位置适当
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
(3)容积分布合理
有适宜的放热规律(即每度曲轴转角的放热量dQ1/dφ,随曲轴转角而变化的规律)。
燃烧初期压力升高率小,工作柔和;
燃烧中期急剧放热,ηt↑
(4)有利提高充气系数
进气口直径大、弯少光滑
(5)加强涡流运动
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。
(6)降低末温
小结:
影响因素有构造因素、有使用因素,重点掌握使用因素。
明确点火、浓度、转速、负荷对燃烧的影响;清楚汽车在满载大负荷时易出现爆燃的原因(发动机在低速、大负荷)。
因此在使用中,调整点火提前角应在低速、大负荷工况下进行。
第四节汽油机的排放污染与控制
随着汽车工业的发展,汽车排气污染越来越受到人们的重视。
特别是汽车作为城市流动污染源和低排放污染源所带来的危害更大。
各国都制定了严格的控制法规,其中以美国加利福尼亚的排放法规为最早和最为严格。
我国从1979年起开始制定排放标准。
发动机排除的主要污染物质有:
CO,HC,NOx(主要是NO和NO2)。
另外还有少量的微粒(硫化物、铅化物和碳烟)。
一、污染物质的形成和危害
1、CO
氧气不足不完全燃烧的产物。
煤气中毒。
62年日本大板发生交警CO中毒事件。
2、HC
废气未燃烧产物60%,燃烧室激冷作用而断火。
曲轴箱窜气20%。
油箱与化油器蒸发排放20%。
西德调查2000例肺癌,80%为交警和修理工。
3、NOx
N与O的高温结合。
燃烧时产生的Nox的数量决定于燃烧的最高温度、高温持续时间以及氧气的浓度。
O2===2O
O+N2===NO+N
N+O2===NO+O
易与水结合成硝酸(酸雨),直接损害人体各器官。
在太阳照射下形成光化学烟雾,43年美国洛杉矶光化学烟雾400人死亡
70年日本东京发生光化学烟雾,中毒1万人。
4、微粒
铅微粒、炭烟等。
二、影响排放污染的因素
1、混合气浓度
m<15氧气不足CO↑HC↑NOx↓
m=16空气适量CO最少HC最少NOx最多(温度较高,N与O数量多,结合机会多)
m>17过稀HC↑NOx↓
2、点火
过早,温度高,NOx↑
3、负荷
怠速CO最多
北京二环建九个立交桥取消红绿灯CO减少50%。
中负荷CO最少HC↓NOx↑(温度较高的时间较长)。
大负荷Nox最多CO↑。
4、发动机转速n
n↑涡流强,改善混合和燃烧CO↓HC↓
提高怠速,CO↓
急减速HC↑
汽油车在怠速及减速时排出的HC最多,是柴油车HC排放的4倍。
加速NOx↑
5、发动机热状况
温度高HC↓NOx↑
温度低HC↑CO↑NOx↓
三、减少排气污染的措施
汽油车所排出的污染物质的来源及大致比例:
排气管排出:
CO98-99%
60%
Nox98-99%
曲轴箱漏气:
HC25%
CO、Nox1-2%
化油器和油箱内燃油蒸发:
HC20%
1、制定法规
美国加洲是世界上制定最早最严格法规,60年开始,80年强化。
日本66年开始,78年汽强化。
欧洲70年代后开始。
我国79年开始(只有汽油车怠速COHC排放法规),93年强化。
2、变革发动机的结构(机内净化)
(1)、适当降低ε
ε↓燃烧最高温度↓NOx↓
但动力性、经济性均下降。
(2)改进燃烧室的形状,降低面容比。
面容比↓散热面积↓激冷效应↓HC↓
(3)适当推迟点火时刻。
点火推迟,燃烧温度下降,Nox↓。
使得燃烧多在膨胀中完成,使排气温度升高,HC进一步燃烧,HC↓。
但散热损失增加,使经济性、动力性都下降。
3、安装控制装置
(1)废气催化装置
催化净化分为催化氧化和催化还原,成本较高。
(2)空气反应装置
安装在排气道出口处,二次喷入空气。
(3)炭罐蒸发排放控制
(4)废气再循环—EGR
这是降低Nox的有效方法。
(5)曲轴箱强制通风。
4、变换发动机燃料
(1)使用无铅汽油
(2)使用污染较轻的燃料
天然气、甲醇、乙醇。
(3)使用无污染的燃料
H2、太阳能、电能
5、研究新型发动机
(1)汽油喷射发动机、
(2)分层稀薄燃烧发动机
由于混合气浓度下降,燃烧最高温度下降,使Nox↓。
也使燃油燃烧充分,HC↓、CO↓。
汽油机燃烧
P—θ图
解释
化油器回火
排气管放炮
燃烧室燃爆产生图
爆燃冲击波图
容积分布影响图
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- 发动机 原理 电子 教案 第五