汽车发动机原理第7章特殊燃烧问题.ppt

* 第七章 特殊燃烧问题的机理与对策 ? 本章将对发动机特殊燃烧现象的机理和对策技术进行讨论，包括： （1）以爆燃为代表的汽油机不正常燃烧、循环波动等不规则燃烧； （2）柴油机的燃烧噪音和冷起动时的燃烧等。 第一节???汽油机的不正常燃烧与燃料的抗爆性能 由火花点火引燃和以火核为中心的火焰传播燃烧过程称为汽油机的正常燃烧。若设计或控制不当，汽油机偏离正常点火的时间及地点，由此引起燃烧速率急剧上升，压力急剧增大，如爆燃、表面点火和激爆等异常现象，都属于不正常燃烧。 一．爆燃 （一）爆燃的现象和机理 1．爆燃的现象 爆燃（爆震）是汽油机最主要的一种不正常燃烧，常在压缩比较高时出现。如图7-1所示，爆燃时，缸内压力曲线出现高频大幅度波动（锯齿波），同时发动机会产生一种高频金属敲击声，因此也称爆燃为敲缸（Knock）。 汽油机爆燃时一般出现以下外部特征： 1）发出3000-7000Hz的金属振音； 2）轻微爆燃时，发动机功率略有增加，强烈爆燃时，发动机功率下降，转速下降，工作不稳定，机身有较大振动； 3）冷却系统过热，气缸盖温度、冷却水温和润滑油温均明显上升； 4）爆燃严重时，汽油机甚至冒黑烟。 2．爆燃的机理 火花塞点火后，火焰前锋面呈球面波形状以30-70m/s的速度迅速向周围传播，缸内压力和温度急剧升高。燃烧产生的压力波（正波）以音速向周围传播，未端混合气受到压缩和热辐射，其压力和温度上升，燃前化学反应加速，这些都是正常现象。如果这一反应过于迅速，则会使末端混合气在火焰锋面到达之前即以低温多阶段方式开始自燃。由于这种着火方式类似柴油机，即在较大面积上多点同时着火，因而放热速率极快，使局部区域的温度压力陡增。这种类似阶跃的压力变化，形成燃烧室内往复传播的激波，猛烈撞击燃烧室壁面，使壁面产生振动，发出高频振音（即敲缸声），其频率主要取决于燃烧室尺寸（主要是缸径）和激波波速。这就是爆燃。爆燃发生时，火焰传播速度可陡然高达100-300m/s（轻微爆燃）或800-1000m/s（强烈爆燃）。 关于爆燃的机理已从许多试验研究中得到了证实。用高速摄影（包括纹影和阴影方式）可以清晰地观察到发生在气缸壁面附近的自发火区域；采用缸内快速采样方法也在这些区域检测到了低温多阶段着火过程产生的过氧化物和醛类。 3．爆燃的危害 1）热负荷及散热损失增加 爆燃发生时，剧烈无序的放热使温度明显升高，加之压力波的反复冲击破坏了燃室壁面的层流边界层和油膜，从而使燃气与燃室壁面之间的传热速率大大增加，散热损失增大，气缸盖及活塞顶部等处的热负荷上升，甚至造成铝合金的表面发生烧损及熔化（烧顶）。 2）机械负荷增大 发生爆燃时，最高燃烧压力和压力升高率都急剧增高，（dp/d?）max可高达65MPa/（°CA），受压力波的剧烈冲击，相关零部件所受应力大幅度增加，严重时会造成连杆轴瓦破损。 3）动力性和经济性恶化 由于燃烧极不正常，以及散热损失大大增加，使循环热效率下降，导致功率和燃油耗率恶化。 4）磨损加剧 由于压力波冲击缸壁破坏了油膜层，导致活塞、气缸和活塞环磨损加剧。 5）排气异常 爆燃时产生的高温会引起燃烧产物的热裂解加速，严重时析出碳粒，排气产生黑烟，燃室壁面形成积碳，而这又构成了表面点火（见后述）的起因。 总之，爆燃会给汽油机带来极大危害。为防止爆燃，汽油机的压缩比一般不超过8-10，这是汽油机经济性始终低于柴油机的一个主要原因。 （二）爆燃燃烧的影响因素 如果由火核形成至火焰前锋传播到未端混合气为止所需时间为t1，由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间为t2，由于爆燃是在火焰前锋尚未到达时未端混合气发生自燃引起的，因而不发生爆燃的充分必要条件是：t1t2。凡是使t1减少和t2增加的因素均可抑制爆燃倾向，反之，均使爆燃倾向增加。 图7-3给出了各种因素对t1和t2的影响，从中可以得出防止爆燃的技术措施有三类：燃烧室结构参数、运转参数、燃料特性。由图中不难看出，对于压缩比、点火提前角、残余废气系数、过量空气系数以及进气湿度等因素的要求往往是矛盾的。实际中，要在尽可能保证燃烧热效率的前提下减小爆燃，因而作为最主要和最有效的方法是，减小点火提前角、降低压缩比、优化燃烧室设计，提高燃料抗爆性，即以延长t2为主。 二．燃料抗爆性及其评价指标 燃料对发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料抗爆性能，一般用辛烷值（ON， Octane Number）来评价。根据试验方法不同，又可分为马达法辛烷值（M