点燃式内燃机的燃烧
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第五章 内燃机混合气的形成和燃烧
主要内容
• 第一节 内燃机缸内的气体流动 • 第二节 点燃式内燃机的燃烧 • 第三节 点燃式内燃机的燃烧室 • 第四节 压燃式内燃机的燃烧 • 第五节 压燃式内燃机的燃烧室 • 第六节 均质充量压缩着火燃烧发动机
• 1.燃烧过程的重要性
• 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。
ST SL (1 0.00197 n)
火焰传播速率：火焰前锋相对燃烧室壁 面传播的绝对速率
ST SL(10.00197n)
二、点燃式内燃机中的正常燃烧
汽油机的燃烧阶段
如果在正常火焰锋面到达后，将（火焰锋面前）未 燃混合气引燃，称为正常燃烧。
汽油机的正常燃烧过程一般分为三个阶段，即：
1、着火阶段（滞燃期） 首先，在压缩行程中，在上止
原因：在进气过程中，汽油蒸发及其和空气混合的时间 比燃烧反应要快得多，或者在火焰到达前燃料与空气已 充分混合。 缺点：热效率低，燃油消耗率高。
一、均质混合气的着火界限、点火过程、 火核生成与火焰传播
定容燃烧弹来研究燃烧过程。均质混合气与汽油机类似。
１.着火界限
过稀 过浓
放电
热值低，放热少 燃烧不完全，放热少
2、急燃期ຫໍສະໝຸດ Baidu
点前θ角跳火后，并不立即形成火 焰核心。
3、后燃期
一段时间后，在电火花附近形成 了火焰核心。随后向外传播。
滞燃期τi因素： 燃料的理化性质
点火时缸内压力、温度——压缩比 压缩比高，滞燃期短
过量空气系数φa=0.8-09 汽油机τi最短 残余废气量↑，τi↑ 气流运动强，τi略增 火花能量大，τi↓
0.16 0.22( 1)
dmk
SL
dt
Af u
经验公式
SL
SL0
(
Tu ) 293
( p ) 101.3
SL0 30.5 54.9( 1.21)2 当量燃空比
21.8 0.8( 1)
0.16 0.22( 1)
层流燃烧速率 无拉伸 拉伸
初始火杭快 速传播，放 热大，不被 淬熄
高的点火能量诱导出高的火焰传播速度
４.层流燃烧速率与火焰传播速率
层流燃烧速率ＳＬ
定义：火焰前锋面相当于静止未 燃混合气的传播速率
dmk
SL
dt
Af u
质量燃烧率
未燃混合 气密度
火焰面积
SL
SL0
(
Tu ) 293
( p ) 101.3
SL0 30.5 54.9( 1.21)2 21.8 0.8( 1)
２.点火过程
击穿阶段 电弧阶段
辉光放电阶段
火花塞电极在很高的电压（约10～15kv）作用下击穿 电极间隙内的混合气，离子流从火花塞的一个电极奔 向另一个电极。这时，间隙阻抗迅速下降，形成一个 很窄的（大约40μm直径）的圆柱状的离子化的气体 通 道 。 它 的 温 度 升 至 60000K ， 压 力 上 升 到 几 十 个 MPa，从而产生一个强烈的激波向四周传播，使等离 子通道的体积迅速膨胀（约膨胀到直径2mm），而 它的压力、温度迅速下降，通过火花塞间隙的峰值电 流高达200A，但整个击穿阶段的时间很短，约10ns。
电弧阶段
击穿阶段的末期形成了电极间的电流通道，因此电弧放电的电压较低 （50-100V），但电流仍很高，与击穿阶段的电极间电流通道内气体完全离 解或离子化相反，在电弧阶段放电带的中心部分的离解程度仍很高，但离子 化程度比较低（约1%）。在阴极和阳极山的电压降是电弧放电电压降的主要 部分，电能储藏在这些电极的表层区域，由金属电极导走，这是电弧总能量 的一个重要部分。
火焰前锋面积不变的层流燃烧速率 火焰前锋面积变化的层流燃烧速率
由试验装置直接测出拉伸层流燃烧速率，经数据处 理得到无拉伸层流燃烧速率
湍流火焰速率ＳＴ
大尺度的湍流使火焰前锋面扭曲，增大火焰 前锋面积，分裂成更多的燃烧中心，火焰速 率增大； 小尺度增大火焰面中气体的混合，速率增大 过强的湍流火焰传播速率降低
2.对燃烧过程的要求
1）燃烧完全，释放出尽可能多的热能， 减少废气中的有害物质。
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
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。
汽油机的正常燃烧
研究方法：测取燃烧过程的展开示功图。
一、示功图上的 关键点
不形成火焰中心， 无火焰传播
混合气的浓度界限称为着火界限（稀限、浓限）
１）与燃料有关 ２）混合气的初期放热率和散热速率 温升有利于放热率的提高和散热率的降低，扩大着火界限 ３）残余废气系数增大，着火界限缩小 ４）火花塞附近，易着火 ５）燃烧室相互作用设计要利于火花塞附近废气的清扫
汽油机着火稀限φamax=1.3-1.4，一般地1.25~1.35，汽油机工作 不稳定，油耗增大，再稀，则熄火；浓限φamin无意义
辉光放电阶段
辉光放电阶段的特征是电流低于200mA，在 阴极上有大的电压降（300～500V）且温度较高， 离子化程度很低（低于0.01%）。绝大部分的点 火能量在此时放出，但能量损失比电弧阶段更大， 气体的最高平均温度下降到3000K 。
３.火核生成与火焰传播
火花点火的 着火过程：
小部分混合气温升被点燃、形成火核。
1、滞燃期（着火延迟期）
形成火焰核心
燃烧角
滞燃角 滞燃期 开始点火
最高压力 急燃角 急燃期
后燃期
点火提前角
滞燃期－从电火花点火起，到形成火焰中心并开始 火焰传播，气缸内压力开始脱离纯压缩线为止所经历 的时期。
• 1、火花塞跳火 • 2、缸内压力线偏离纯
压缩线的始点
气缸压力
压缩线 火花塞信 号
• 3、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 汽油机的燃烧过程
5.2点燃式内燃机的燃烧
燃烧是一种放热的氧化反应。
汽油机具有重量轻、尺寸小和低温起动性能好等优点， 且工作柔和、运转平稳、制造成本低。 注意：汽油机和气体燃料发动机的燃烧属于预混合燃烧。
主要内容
• 第一节 内燃机缸内的气体流动 • 第二节 点燃式内燃机的燃烧 • 第三节 点燃式内燃机的燃烧室 • 第四节 压燃式内燃机的燃烧 • 第五节 压燃式内燃机的燃烧室 • 第六节 均质充量压缩着火燃烧发动机
• 1.燃烧过程的重要性
• 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。
ST SL (1 0.00197 n)
火焰传播速率：火焰前锋相对燃烧室壁 面传播的绝对速率
ST SL(10.00197n)
二、点燃式内燃机中的正常燃烧
汽油机的燃烧阶段
如果在正常火焰锋面到达后，将（火焰锋面前）未 燃混合气引燃，称为正常燃烧。
汽油机的正常燃烧过程一般分为三个阶段，即：
1、着火阶段（滞燃期） 首先，在压缩行程中，在上止
原因：在进气过程中，汽油蒸发及其和空气混合的时间 比燃烧反应要快得多，或者在火焰到达前燃料与空气已 充分混合。 缺点：热效率低，燃油消耗率高。
一、均质混合气的着火界限、点火过程、 火核生成与火焰传播
定容燃烧弹来研究燃烧过程。均质混合气与汽油机类似。
１.着火界限
过稀 过浓
放电
热值低，放热少 燃烧不完全，放热少
2、急燃期ຫໍສະໝຸດ Baidu
点前θ角跳火后，并不立即形成火 焰核心。
3、后燃期
一段时间后，在电火花附近形成 了火焰核心。随后向外传播。
滞燃期τi因素： 燃料的理化性质
点火时缸内压力、温度——压缩比 压缩比高，滞燃期短
过量空气系数φa=0.8-09 汽油机τi最短 残余废气量↑，τi↑ 气流运动强，τi略增 火花能量大，τi↓
0.16 0.22( 1)
dmk
SL
dt
Af u
经验公式
SL
SL0
(
Tu ) 293
( p ) 101.3
SL0 30.5 54.9( 1.21)2 当量燃空比
21.8 0.8( 1)
0.16 0.22( 1)
层流燃烧速率 无拉伸 拉伸
初始火杭快 速传播，放 热大，不被 淬熄
高的点火能量诱导出高的火焰传播速度
４.层流燃烧速率与火焰传播速率
层流燃烧速率ＳＬ
定义：火焰前锋面相当于静止未 燃混合气的传播速率
dmk
SL
dt
Af u
质量燃烧率
未燃混合 气密度
火焰面积
SL
SL0
(
Tu ) 293
( p ) 101.3
SL0 30.5 54.9( 1.21)2 21.8 0.8( 1)
２.点火过程
击穿阶段 电弧阶段
辉光放电阶段
火花塞电极在很高的电压（约10～15kv）作用下击穿 电极间隙内的混合气，离子流从火花塞的一个电极奔 向另一个电极。这时，间隙阻抗迅速下降，形成一个 很窄的（大约40μm直径）的圆柱状的离子化的气体 通 道 。 它 的 温 度 升 至 60000K ， 压 力 上 升 到 几 十 个 MPa，从而产生一个强烈的激波向四周传播，使等离 子通道的体积迅速膨胀（约膨胀到直径2mm），而 它的压力、温度迅速下降，通过火花塞间隙的峰值电 流高达200A，但整个击穿阶段的时间很短，约10ns。
电弧阶段
击穿阶段的末期形成了电极间的电流通道，因此电弧放电的电压较低 （50-100V），但电流仍很高，与击穿阶段的电极间电流通道内气体完全离 解或离子化相反，在电弧阶段放电带的中心部分的离解程度仍很高，但离子 化程度比较低（约1%）。在阴极和阳极山的电压降是电弧放电电压降的主要 部分，电能储藏在这些电极的表层区域，由金属电极导走，这是电弧总能量 的一个重要部分。
火焰前锋面积不变的层流燃烧速率 火焰前锋面积变化的层流燃烧速率
由试验装置直接测出拉伸层流燃烧速率，经数据处 理得到无拉伸层流燃烧速率
湍流火焰速率ＳＴ
大尺度的湍流使火焰前锋面扭曲，增大火焰 前锋面积，分裂成更多的燃烧中心，火焰速 率增大； 小尺度增大火焰面中气体的混合，速率增大 过强的湍流火焰传播速率降低
2.对燃烧过程的要求
1）燃烧完全，释放出尽可能多的热能， 减少废气中的有害物质。
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
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。
汽油机的正常燃烧
研究方法：测取燃烧过程的展开示功图。
一、示功图上的 关键点
不形成火焰中心， 无火焰传播
混合气的浓度界限称为着火界限（稀限、浓限）
１）与燃料有关 ２）混合气的初期放热率和散热速率 温升有利于放热率的提高和散热率的降低，扩大着火界限 ３）残余废气系数增大，着火界限缩小 ４）火花塞附近，易着火 ５）燃烧室相互作用设计要利于火花塞附近废气的清扫
汽油机着火稀限φamax=1.3-1.4，一般地1.25~1.35，汽油机工作 不稳定，油耗增大，再稀，则熄火；浓限φamin无意义
辉光放电阶段
辉光放电阶段的特征是电流低于200mA，在 阴极上有大的电压降（300～500V）且温度较高， 离子化程度很低（低于0.01%）。绝大部分的点 火能量在此时放出，但能量损失比电弧阶段更大， 气体的最高平均温度下降到3000K 。
３.火核生成与火焰传播
火花点火的 着火过程：
小部分混合气温升被点燃、形成火核。
1、滞燃期（着火延迟期）
形成火焰核心
燃烧角
滞燃角 滞燃期 开始点火
最高压力 急燃角 急燃期
后燃期
点火提前角
滞燃期－从电火花点火起，到形成火焰中心并开始 火焰传播，气缸内压力开始脱离纯压缩线为止所经历 的时期。
• 1、火花塞跳火 • 2、缸内压力线偏离纯
压缩线的始点
气缸压力
压缩线 火花塞信 号
• 3、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 汽油机的燃烧过程
5.2点燃式内燃机的燃烧
燃烧是一种放热的氧化反应。
汽油机具有重量轻、尺寸小和低温起动性能好等优点， 且工作柔和、运转平稳、制造成本低。 注意：汽油机和气体燃料发动机的燃烧属于预混合燃烧。