内燃机原理5_特殊燃烧问题的机理与对策

pmax波动 ：2.5~3.5MPa （ dQB/dφ）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ηi 、Wi等下降 （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/dφ） max由1.8上升到 2.4（bar/ °CA），δp由11％降为7.1％，结果噪声下降8dB
的原因之一
15
20
柴油机的循环波动为什么 小于汽油机？
CoVpmi /%
东风公司491i汽油机实测结果
5.2 汽油机的不规则燃烧
分类： • 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
5.2.2 汽油机的各缸不均匀性
1、何谓各缸不均匀性
各气缸之间由于进气充量和成分等 不均匀引起的工作特性差异。 汽油机明显大于柴油机
防止表面点火的对策
降低燃烧室温度水平（与防爆燃一样，ε↓、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。
4、产生循环波动的原因
（1） 混合气成分波动：
局部空燃比、残余废气 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。
汽油机循环波动—案例分析
东风公司
汽 缸 压 力 p / MPa
4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5
记:
汽油机爆燃示例
70 60 50
发动机：EQ491 压缩比：9.0 汽油：90(RON) 点火提前角 24oCA 19oCA n=2000rpm BMEP=0.9MPa
P (bar)
40 30 20 10 0 180
360 ϕ( oCA)
540
5.1.2 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ηi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-on）现象。
2、评价方法
用不均匀度Di表示第i缸的工作不均匀性。 φc 、φa 、Pe、 be、 pmax等 Di(φc ) = [(φci － φcm )/ φcm ] ×100％ 式中： φci为第i缸的充气系数， φcm为各缸充气系数平均值。 对整机，往往用最大不均匀度Dmax
4、原因
φc各缸不均匀（柴油机同，见第4章） 距离不等、阻力不等、动态效应、各缸干涉
2
1
0 270
360
450
540
曲 柄 转 角 ϕ / (o)(CA)
汽油机循环波动—案例分析
100 95 n=2000r/min TPS=7.8%
左图：循环波动率每增大 1个%点，Pmi损失1.5% ？？ 汽油机ηi劣于柴油机
Rpmi /%
90 85 80 75 70 0 5 10 通常商品发动机 的允许范围
5 特殊燃烧问题的机理与对策
5.1 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
5.1.1 爆燃的机理与对策
1、爆燃现象（Knocking）
3、循环波动的评价指标
循环波动率δp = (σp / pmax)×100％
式中， σp为 pmax的标准偏差；
pmax为 pmax的算术平均值 正常情况： δp < 10% 较好汽油机： δp < 7% 同理：可用Pmax出现角度φpmax、 dp/dφ、pmi 、 (dQB/dφ)max等多种燃烧特性参数表示循环波动程度。
注意：柴油机“敲缸”与汽油机“敲 缸”的不同
尖锐的金属敲击声，声频为3～7KHz 机身有明显振动 功率下降、转速不稳，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
爆燃机理
p,T Flame火焰 end-gas 末端混合气 Shock激波 p, T
time
time
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↑，严重时 活塞顶烧熔; ★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 ηt ↓，热损失↑，导致be↑，Pe ↓ ★ 燃烧粗暴、热裂解发生，甚至冒黑烟 ★燃气压力剧烈波动使pmax和dp/dφ ↑↑，使机械负荷↑。
噪 声
（2） 气体高频振动
燃烧引起 缸压急剧 变化 压力波在气缸内往复反 射形成高频振动 •频率 ＝ 音速C/2倍缸径D •振幅 ＝ f(p)
噪 声
3、影响因素及防止对策 基本影响因素：
pmax、 dp/dφ、λ（压升比）、零部件自振 频率 其中主要因素： dp/dφ（或Δp/ Δφ） 应控制 dp/dφ < 0.4MPa/ °CA 若dp/dφ > 0.5MPa/ °CA，则粗暴燃烧 （柴油机敲缸，如右图）
正常燃烧与爆燃
正常燃烧
激爆 (早火)
爆燃 (末端混合气自燃)
5.2 汽油机的不规则燃烧
不规则燃烧分类：
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
5.2.1 汽油机的循环波动
1、现象
实际中，汽油机转速和转矩波动大于柴油机 如转速波动， 汽 ±10 r/min 柴 ±2 r/min 转速和转矩波动来源于燃烧波动 （如右图)
爆燃的危害
正常燃烧火花塞
爆燃---火花塞绝缘体烧毁
4、防止爆燃的对策
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 讨论：如何在无爆燃条件下实现高压缩比
实际中防止爆燃的主要措施 降低ε （最主要） 提高燃料辛烷值（见7.1.2） 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
34.6%
34.6%
ຫໍສະໝຸດ Baidu
8.6% 14.0%
8.2%
26.9%
31.6%
11.2%
18.2%
12.1%
油底壳
曲轴箱及喷油泵
进排气管 气缸盖 发动机前附件
车用柴油机噪声的来 源与贡献率
2、产生机理：动力载荷、高频振动 （1） 动力载荷
噪声（振动）传达系统 激振源 速燃期的 压力剧增 气缸盖 气缸套 活塞、曲轴连杆组 •多体振动系统 •各部自振频率处中高范围 （800～4000Hz） 噪声辐射表面 气门罩盖 机体、正时齿轮盖 油底壳
1、噪声分类：
• 气体噪声——风扇、进气、排气（近年来有“排气音响效果”之说） • 机械噪声——高速往复运动、间隙 • 燃烧噪声——燃烧噪声与机械噪声往往难以区分
发动机 车辆噪 车 声源 辆 加 速 时 发动 发动 机噪 机台 声源 架全 负荷 时
40.7％
冷却风扇
26.3％
排气系统
18.5％
8.4% 6.1%
早火
由于实际着火提前，使pmax和dp/dφ↑ ； 负功 ↑； ηi ↓ ；pi ↓； 机械负功↑； ηm ↓， 产生低频敲缸（600～1200Hz）
（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（Δp/Δφ ↑ 5倍，pmax ↑ 1.5倍 ） 问题：如何区分激爆与爆燃、激爆与早火？
（因此一般用φc作为不均匀度Di的评价指标，也是进气管设计要点）
实际喷油量各缸不均匀 化油器＞ 进气道喷射＞缸内直喷 φa 不均匀 各进气歧管中的油膜、油蒸气、油气混合过程不均匀 燃料成分不均匀 重馏分等密度较大成分不易到达边缘气缸 φr 不均匀（与进、排气系统都有关） 各缸点火特性不同
5.3 柴油机燃烧噪声
n=3000r/min Ttq=53.2N.m MAP=56kPa α=14.5
491i汽油机实测结果
4
0.0 90 180 270 360 450 540 630 720
曲 柄 转 角
气 缸 压 力 p / MPa
ϕ / (o)(CA)
3
n=3000r/min Ttq=53.2N.m MAP=56kPa α=14.5