汽车发动机原理8章1(王建昕)

柴油机
压燃， 低温多阶段着火，多点同时着火 两阶段燃烧，即无序的非均质预混合 燃烧和扩散燃烧，燃烧较粗暴 混合不均匀，因而后燃期较长 燃烧放热先急后缓，“双峰”放热曲 线，持续期较长（） 热效率高，噪声振动大，易产生碳烟 排放
燃烧
后燃 放热 规律 性能
8.2 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）：
2
柴油机的循环波动为什么 小于汽油机？
1
0 270
360
450
o
540
曲 柄 转 角 / ( )(CA)
汽油机循环波动—案例（2）
循环波动率示例
（大众Touran，2.0L 汽油机，n=2000rpm）
25 20
P(bar)
50
BMEP=0.19MPa
P(bar)
40 30 20 10
BMEP=0.88MPa
示功图（P-φ）： 柴油机 汽油机
压缩压力
燃烧压力Pmax
压升率（dP/dφ）：
各自的合理范围 dP/dφ低，NOx和噪声低 放热速率dQb/dφ:
初期放热率，柴◣，汽▲
形状，汽单峰，柴双峰
8.1. 2 汽油机 Vs 柴油机燃烧特性
汽油机不同负荷时，随负荷 的增加，燃烧持续期缩短； 柴油机，随负荷增加，燃烧 持续期变长； 由于汽油机在中小负荷时的 燃烧持续期拖长，加之上述放 热率形状的不同，其燃烧放热 等容度会低于柴油机，即汽油 机最常用的中小负荷不是“等 容放热”
？问题：如何区分爆燃、表面点火与激爆？
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。
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。
8.2.1 爆燃的机理与对策
实际上，汽油机的爆震主要发生在大负荷工况，尤其是低 速大负荷。因此，可变压缩比是一个兼顾低负荷热效率 和大负荷不爆震的理想方法。 有关爆震的机理，并未完全探明， 尤其是末端混合气自燃后的压力“ 震荡”和“激波”等问题 爆震也并非一无是处 作为目前内燃机燃烧国际前沿的“ 均质混合气压燃”实际上是一种可 控爆震 “爆震发动机”作为飞机动力目前 在研究中，
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 ）
ig对pmax相位有重要影响
2、 明显燃烧期（φB～φC ）
现象： 火焰充满燃烧室，燃烧压力 达到最高，即pmax ； 其间80～90％燃料被燃烧。 也称为速燃期 放热速率特征值CA50：累计放 热50%的相位，5~10 CA （ATDC） 燃烧特性参数1： 最高爆发压力pmax
pmax ↑，ηi ↑，W i ↑，
φ r↑，δ p ↑，因此应加强火花塞周围扫气 ； 负荷↓ （ φ r ↑），则δ p ↑； 转速↓ （ 湍流↓），则δ p ↑； 提高点火能量或采用多点点火。
汽油机循环波动—案例（1）
491i汽油机实测结果
汽 缸 压 力 p / MPa
n=3000r/min Ttq=53.2N.m
激波冲击燃烧室壁面产生高频 振音（也有说共振），并在示功 图上可观察到这种压力波动。
注意： 火焰前锋面速度<100m/s， 压力波和热辐射分别为音速 和光速
8.2.1 爆燃的机理与对策
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↑。
8.2.1 爆燃的机理与对策
爆燃的危害
正常燃烧火花塞
爆燃---火花塞绝缘体烧毁
8.2.1 爆燃的机理与对策
区别 汽油机爆震
柴油机粗暴燃烧
8.2.1 爆燃的机理与对策
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 记:
15 10 5 0
0
10000 20000 30000 40000 50000
( CA)
o
0
0
10000 20000 30000 40000 50000
( CA)
o
δPmax = 8.9%
δPmax = 9.6%
8.2.3 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
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 汽油机的不规则燃烧：
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
8.2.1 爆燃的机理与对策
1、爆燃现象（Knocking）
正常燃烧 轻微爆燃 强烈爆燃
但NOx ↑，机械负荷及热负荷↑； pmax位置，φc＝10～15 CA（ ATDC）
Pmax的控制优化
Pmax出现的位置可用点火提 前角θig来控制； MBT：Minimum advance for Best Torque，对于最大转矩 的最佳点火提前
2、明显燃烧期（φB～φC ）
燃烧特性参数2：压力升高率
4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 90 180 270 360
o
循环波动率每增大1个%点， Pmi损失1.5%
MAP=56kPa =14.5
450
540
630
720
曲 柄 转 角
/ ( )(CA)
4
气 缸 压 力 p / MPa
3
n=3000r/min Ttq=53.2N.m MAP=56kPa =14.5
8.2.3 循环波动
1、现象来自百度文库
汽油机转速和转矩波动大于柴油机 一般：汽 ±10 r/min 柴 ±2 r/min
转速和转矩波动源于燃烧波动 （如右图) pmax波动 ：2.5~3.5MPa （dQB/dφ）max波动： 2倍
8.2.3 循环波动 2、危害
点火时间、空燃比等控制参数无法
调节到最佳；
压升率 = dp/dφ 最高压升率（dp/dφ ）max
pc pb dp 平均压升率 d c b dp/dφ的影响
(MPa/CA)
dp/dφ ↑,η i↑，但NOx↑， 机械损失及热负荷↑,噪声 振动↑
一般汽油机 dp/dφ ＝0.2～0.4（MPa/CA）
（3）后燃期（ φC~φD ）
1、 着火落后期（φA～φB ）
现象： 在φ A点开始火花点火， 高温单阶段着火； 在φ B点产生稳定的火核， 开始火焰传播； φ B点也可用CA05表示， 即累计放热5%的相位。 燃烧特性参数：着火落后期φ i 10°CA左右 注意区别点火提前角θ ig φ i 相对稳定（相对柴油机），因此θ
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
8.2.1 爆燃的机理与对策
2、爆燃机理
末端混合气（End gas）受压缩 和热辐射，以低温多阶段方式产 生自燃（Self-ignition） 多点大面积自燃，形成局部温 度压力陡升（瞬时压力18MPa） ，压力波在传播过程种形成“激 波”。
4、产生循环波动的原因
（1） 混合气成分波动：
局部空燃比波动； 残余废气浓度波动。 （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。
5、影响因素及改进措施
φ a影响最大， φ a=0.8～1.0时， δ p最小；
油气混合的均匀程度（绝对均匀， δ p→0）；
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
8.2.3 循环波动 3、循环波动的评价指标
第8章 汽油机的混合气形成及燃烧过程
主要内容： 汽油机的燃烧过程及其特点
汽油机的不正常燃烧
汽油机的混合气形成
汽油机燃烧室及其特性
汽油机电子控制系统与控制技术（不讲）
稀薄燃烧与缸内直喷式汽油机
汽油机燃烧过程及分析
火花点火
汽油机着火和燃烧的高速摄影
火核形成
火焰特点： 均质透明 火焰前锋面皱褶
柴油机燃烧过程及其特性分析
燃烧过程的高速摄影实例：
0º (TDC) 4º 8º
火焰特点： 多点大面积着火—粗暴 12º “有焰”燃烧—产生碳烟 16º
20º
24º
28º
32º
40º
8.1 汽油机燃烧过程及其特点
汽油机燃烧三阶段：
（1）着火落后期（ φA~φB ）
（2）明显燃烧期（ φB~φC ）
（dp/dφ）max
3、后燃期（φC～φD )
现象: 燃烧剩余约10％燃料，主要存在 于火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧 区域、壁面附近未燃混合气 要求：
燃期要短—后燃期↑， ηi ↓ ， 排 温↑，甚至“放炮”
燃烧完全—否则，HC↑，CO ↑
8.1.2 汽油机 Vs 柴油机燃烧特性
循环波动率： δp = (ζp / pmax)×100％
式中， ζp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φ pmax、 dp/dφ 、pmi 、 (dQB/dφ )max等多种燃烧特性参数表示循环波动程度。
8.2.1 爆燃的机理与对策
要求：逐项深入理解上述对策，要搞清为什么？
汽油机爆燃示例
70 60 50
点火提前角 θig =24oCA θig = 19oCA
发动机：EQ491 压缩比：9.0 汽油：90(RON) n=2000rpm BMEP=0.9MPa
P (bar)
40 30 20 10 0 180
8章作业（1）
用示功图和放热率判断着火时刻的方法，汽油机与柴油机 有何异同？为什么？ 汽油机累计放热曲线上的CA05、CA50、CA90分别对应示功
EQ491汽油机，排量2.5升； 大负荷燃烧持续期略有增加，是因 为防止爆震而推迟点火时刻造成的。
汽油机 Vs 柴油机
?为什么汽油机燃烧放热呈“单峰”， ?而柴油机燃烧放热呈“双峰”？
汽油机：预混合燃烧 柴油机：预混 + 扩散≈扩散燃烧
汽油机 Vs 柴油机
对比 项目
着火
汽油机
点燃， 高温单阶段着火，单点着火 火焰在均质预混合气中有序 传播，燃烧柔和 混合均匀，因而后燃期较短 燃烧放热先缓后急， “等 腰三角形”放热曲线， 噪声振动小，基本不产生碳 烟排放，热效率较低
360
(oCA)
540
8.2.1 爆燃的机理与对策
上述缩短t1和延长t2的对策中，许多是相互矛盾的 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
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
由此造成了汽油机多年来的难题：即如 何在无爆燃条件下实现高压缩比