第六章 燃烧过程及混合气形成.

第六章
燃烧过程及混合气形成
6.1 实际发动机的燃烧过程及放热规律
燃烧过程对发动机动力性、经济性和排放特 性等主要特性有重大影响。 本节基于示功图和燃烧放热规律，对汽油机 和柴油机的燃烧过程进行介绍和分析，并对两者 的燃烧过程特征进行对比。
一．汽油机燃烧过程 一般将汽油机燃烧过程分为三个阶段：着火落后期、 明显燃烧期、后燃期。
2.理想的燃烧放热规律及其控制
(1) 放热始点的要求及控制
无论汽油机还是柴油机，都希 望放热始点的位置能保证最大燃烧 压力 pmax 出现在上止点后 10°~15 ° 。为此汽油机通过点火提前角 θig ，柴油机通过喷油提前角 θinj 的 变化以及着火落后期长短来加以调 控。由于各工况的着火落后期不相 同，所以每个工况都有其最佳的θig 角或θinj角。
3．后燃期 由C点到D点的期间称为后燃期。在C点时，火焰前锋 面已传播到燃烧室壁面，整个燃烧室被火焰充满。由于 90%左右的燃烧放热已完成，因而继续燃烧的是火焰前锋 面扫过后未完全燃烧的燃料以及壁面及其附近的未燃混合 气；另外，高温裂解产生的CO，HO等成分，在膨胀过程 中随温度下降又部分化合而放出热量。由于燃烧放热速率 下降，加之气体膨胀作功，使缸内压力很快下降。
2．速燃期
由B点开始的压力急剧上升的 BC段，称为速燃期，C点 是燃烧放热率变缓的突变点。由于在着火落后期内作好燃前 准备的非均质预混合气多点大面积同时着火，而且是在活塞 靠近上止点时气缸容积较小的情况下发生，因此气体温度、 压力及 dp/d都急剧升高，燃烧放热速率dQB/d 很快达到最 高值。
三．合理的燃烧放热规律 图6-3 上已示出实测的柴油机放热规律。汽油机放热 规律变化不大，对性能的影响也不如柴油机那样多样和明 显，所以一般文献资料中讨论柴油机放热规律居多。 1．放热规律三要素 指的是燃烧放热始点（相位）、放热持续时期和放热 率曲线的形状三个要素。
放热规律始点决定了放热率曲线距压缩上止点的位置， 在持续期和放热率形状不变的前提下，也就决定了放热率 中心（指放热率曲线包围的面心）距上止点的位置。如前 所述，这一因素对循环热效率、压力升高率和燃烧最大压 力都有重大影响。
3．缓燃期
由C点到出现最高燃烧压力的D点，称为缓燃期。在 此期间，参与燃烧的是速燃期内未燃烧的燃料和缓燃期内 喷入的燃料。特别是后续喷入燃料，边蒸发混合，边以高 温单阶段方式着火参与燃烧。由于汽缸内温度的急剧升高， 蒸发混合速度明显加快，加之后续喷油速率的上升，使放 热速率dQB/d 再次加速，出现柴油机燃烧特有的“双峰” 现象。这一阶段燃烧放热速率的大小取决于油气相互扩散 混合速度，因此也称为扩散燃烧阶段或可控燃烧阶段。可 以说，dQB/d 曲线的双峰，第1个峰对应预混合燃烧阶段， 而第2个峰则对应扩散燃烧阶段。但小负荷时由于喷油量 少并在着火落后期内就停止，往往并不出现“双峰”现象。
图6-5是任一工况的θig或θinj角对动 力、经济性指标Pe、be的影响曲线。 最佳角度条件下，能获得最大Pe和 最小be值。此曲线叫做点火提前角 或喷油提前角的调节特性线。
1） 汽油机的点火提前规律
对于汽油机，最佳θig角将随转速的上升而加大，称为 转速提前；而又随进气管真空度的上升（负荷下降）而加 大，称为真空提前。图6-6 表示了最佳θig在n及负荷变化时 的变化规律。这是因为，在节气门开度不变时，各个转速 的着火落后期均变化不大。但转速上升后，相同落后期所 占的转角将正比增加，于是高转速时的着火落后角显著加 大。为保证最大压力点相位大致不变，必定要加大θig角。 在转速不变时，随着节气门的减小，进气管真空度上升， 残余废气系数φr将加大，使得燃烧速度下降。这样，着火 落后期和燃烧持续期都加大，就要求点火提前以保火的 A 点到气缸压力线脱离压缩线的 B 点 所界定的时期称为着火落后期，其长短用着火落后时间 i 或着火落后角i来表示。 电火花在上止点前ig角（点火提前角）跳火，可燃混 合气按高温单阶段方式着火后，经过一个阶段形成稳定的 火核。此时，压力和温度升高，缸内气体压力开始脱离压 缩压力线，这标志着火落后期结束。 一般i约为10°-20°。形成火核的时间往往在B点之 前，但在实际中难以测定，因此一般都以B点作为确定着 火落后期的标志。也有的资料中以燃烧放热量的 1%-10% 内的某一数值着火落后期的标 准，可见它是一个工程概 念。
柴油机的最高燃烧压力 pmax一般为5-9MPa，增压柴油 机有可能大于 10MPa 。同汽油机一样，一般希望 pmax 出现 在上止点后10°~15 ° ，这样可以获得较好的动力性和经 济性。但与汽油机不同的是，C点的位置不仅取决于喷油 提前角θfj，也取决于着火落后期和速燃期的长短。 缓燃期结束时，累积放热率可达80%左右，燃气温度 可达1700-2000℃。 一般要求缓燃期不要过长，否则会使等容度下降，后 膨比上升，循环热效率下降。即缓燃期不要缓燃，而应越 快越好。加快缓燃期燃烧速度的关键是加快混合气形成速 率。
与汽油机相同，实际着火点应该在B点之前，用燃烧 放热速率曲线或高速摄影等方法可以更精确地判定着火 点。如图 6-3 所示，由于柴油汽化吸热，造成在着火前 dQB/d 曲线出现负值，一旦开始燃烧放热， dQB/d 很快 由负变正。因此可以取dQB/d明显上升前第1个极小值点， 或 dQB/d=0 点作为着火点，这在曲线上比示功图的 B 点 容易判定。 一般柴油机的着火落后角θi=8 ° ~12°，着火落后 时间τi=0.7~3ms。与汽油机不同的是，柴油机着火落后期 长短会明显影响滞燃期内喷油量和预制混合气量的多少， 从而影响柴油机的燃烧特性、动力经济性、排改特性以 及噪声振动，必须精确控制。
1．着火落后期（滞燃期）
图6-3中由喷油始点A到气缸压力线与压缩线脱离点B 对应的时期称为着火落后期，或称滞燃期。 随压缩过程的进行，缸内空气压力和温度不断升高， 在上止点附近气体温度高达600℃以上，高于燃料在当时 压力下的自燃温度。在A点被喷入气缸的柴油，经历一系 列复杂的物理化学过程，这包括雾化、蒸发、扩散、与空 气混合等物理准备阶段，以及低温多阶段着火的化学准备 阶段，在空燃比、压力、温度以及流速等条件合适处，多 点同时着火，随着火区域的扩展，缸内压力和温度升高， 并脱离压缩线。
与汽油机不同的是，柴 油机dp/d 的大小主要取决于 着火落后期内形成的可燃混 合气的多少，而可燃混合气 的生成量要受着火落后期内 喷射燃料量的多少、着火落 后期的长短、燃料的蒸发混 合速度、空气运动、燃烧室 形状和燃料物化特性等多种 因素的影响。图6-4是各种非 增压直喷高速柴油机的（dp/d ）max和pmax与滞燃期的关系， 两者均随滞燃期的增长而线 性增长。以后的章节中我们 将经常讨论dp/d 和pmax的控 制问题。
4．后燃期 从缓燃期终点 D 到燃料基本燃烧完毕（累计放热率 X>95%）的E点称为后燃期。由于柴油机混合气形成时间 短，油气混合极不均匀，总有一些燃料不能及时燃烧，拖 到膨胀期间继续燃烧，特别是在高负荷时，过量空气少， 后燃现象比较严重。后燃期内的燃烧放热，由于远离上止 点进行，热量不能有效利用，并增加了散热损失，使柴油 机经济性下降。此外，后燃还增加了活塞组的热负荷以及 使排气温度升高。 因此，应尽量缩短后燃期，减少后燃所占的百分比。 柴油机燃烧时，空气是过量的，只是混合不匀造成局部缺 氧。因此，加强缸内气体运动，可以加速后燃期的混合气 形成和燃烧速度，而且会使碳烟及不完全燃烧成分加速氧 化。
放热持续时期的长短，一定程度上是理论循环等压放 热预膨胀比 ρ 值大小的反映。显然这是决定循环热效率的 一个极为关键的因素。对有害排放量也有较大的影响。 放热规律的形状决定了前后放热量的比例，对噪声 （dp/d ）、振动和排放量都有很大的影响。在放热始点 和循环喷油量不变条件下，形状的变化，既影响放热曲线 面心的位置，也影响放热持续期的长短，间接对循环热效 率等性能指标产生影响。
压力升高率 dp/d 在实际中往往有两种表示方式， 一种是最大压力升高率（ dp/d ） max ；另一种是平均压 力升高率dp/d ，其定义为 dp/d =（pc-pb）/（ c - b） （6-1）
压力升高率是表征内燃机燃烧等容度和粗暴度的指标。 压力升高率越高，则燃烧等容度越高，这对动力性和经 济性是有益的；但会使燃烧噪声及振动增加，同时也是 氮氧化物增高的重要原因（见后述）。一般汽油机的平 均压力升高率为dp/d =0.2~0.4MPa/（°），也有资料上 推荐最佳范围为dp/d =0.17~0.25MPa/ （°） ，这时综 合性能比较好。
dp/d的大小对柴油机性能有至关重要的影响，一般柴油 机dp/d =0.2~0.6 MPa/（°） ，直喷式柴油机的较大，约为 dp/d =0.4~0.6 MPa/（°） 。从提高动力性和经济性的角度， 希望dp/d大一些为好，但dp/d过大会使柴油机工作粗暴； 噪声明显增加；运动零部件受到过大冲击载荷，寿命缩短； 过急的压力升高会导致温度明显升高，使氮氧化物生成量明 显增加。为兼顾柴油机运转平稳性，dp/d不宜超过0.4 MPa/ （°）；而为了抑制氮氧化物的生成， dp/d还应更低。
2．明显燃烧期
由 B 点到 C 点的期间称为明显燃烧期，在此期间，火 焰由火焰中心传播至整个燃烧室，约90%的燃料被烧掉。 随燃烧的进行，缸内温度和压力很快升高，并达到最高燃 烧压力pmax，一般将pmax作为明显燃烧期的终点。pmax及压 力升高率 dp/d 是与发动机性能密切相关的两个燃烧特性 参数。
若能保证汽油机正常工作，着火落后期的长短对汽油 机性能影响不大，这一点与柴油机不同，因为汽油机性能 主要取决于何时着火而不是何时点火。 对着火落后期的要求主要是要稳定并尽可能短。稳定 是指每循环中的 i长短不要离散过大，这就使B点的位置 相对稳定，由此使最高燃烧压力pmax所对应的角度相对稳 定，发动机循环波动率（见后述）不致于过大。所谓i尽 可能短是因为，过长会使 i 的大小不稳定。考虑到 pmax 出 现在上止点稍后为最佳时刻，一般使B点出现在上止点前 12-15 °较为合适。