9第五章(2节)燃烧(4.5学时).ppt

第二节 点燃式内燃机的燃烧本节讨论以下内容：一 点火过程与着火落后期 二 点燃式内燃机的正常燃烧 三 代用燃料的燃烧 四 点燃式内燃机的不正常燃烧 五 点燃式发动机的燃烧模型 一、点火过程与着火落后期 1、火花点火过程 目前，火花点火过程有许多方面还不是很清楚。图5-6是常规高压线圈点火系统工作时电压与电流的变化示意图。整个放电过程可分为三个阶段：（1）击穿阶段（2）电弧阶段 （3）辉光放电阶段（中间有两个过渡区、前面有一个预放电阶段）整个过程约1ms。（1）击穿阶段特点：电极在很高电压（约10-15kV）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，间隙阻抗迅速下降；建立一个直径约40m的圆柱状离子化气体通道，电能几乎可以无损失地通过等离子流；局部温度升至60000K，压力上升到几十个MPa；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；击穿阶段，通过火花塞间隙的峰值电流高达200A；整个击穿阶段的时间很短，约10ns，故能量小（1mJ）。（2）电弧阶段特点：在击穿阶段末期，形成电极间的电流通道；电弧放电电压较低（50100V），电流仍很高（1-10A）；与击穿阶段电极间的电流通道内的气体完全离解或离子化相反，放电带中心部分的离解程度仍很高，但离子化程度比较低（约1%）；在阴极和阳极的电压降是电弧放电电压降的主要部分，电能储存在这些电极的表层区域，由金属电极导走；要求有灼热的阴极（以便电弧正常维持），造成了阴极材料的蒸气蚀损；由于击穿阶段末期等离子体体积膨胀、体外热交换和扩散作用增强，使电弧中心区温度下降到6000K；整个阶段的时间较短，微秒级，故能量小（1mJ）。一般认为，在电弧阶段火焰传播开始。（3）辉光放电阶段特点：电流低于200mA，阴极上有大的电压降（300500V），温度较高，离子化程度很低（低于0.01%）；大部分点火能量此时放出，时间毫秒级，能量损失比电弧阶段更大；气体的最高平衡温度下降到3000K。点火系统和储能装置（如点火线圈）的设计细节将决定这一阶段的进程，在发动机运行条件下：对静止的具有化学计量比的混合气点火能量，通常只需要0.2mJ；对于较稀或较浓的混合气，或电极处混合气有较高流速时，需要点火能量为3mJ；为了能使发动机在各种工况下都能可靠点火，常规点火系统供给能量一般为3050mJ。2、滞燃期（着火落后期）滞燃期是一个工程上的概念，要准确定义点燃式内燃机的滞燃期比较困难，因为理论上，点火瞬间即开始火焰传播，可以说几乎没有滞燃期。目前，工程上所指的滞燃期一般用以下三种方法定义：1）从火花点火至气缸内压力明显脱离压缩线时的时间或曲轴转角。2）火花点火开始后观察气缸内的火焰传播至某一设定的小的半径时所需的时间。为试验方便，一般先求出火焰半径与时间的关系曲线，用外推法求出所设定的小半径的相应时间。3）从火花点火开始直到气缸内10%的燃料燃烧完了的时间或曲轴转角（又名火焰发展角）。应当指出，以上三种方法测出滞燃期在数值上差别较大，在使用时应指明采用何种定义的滞燃期。二、点燃式内燃机的正常燃烧 主要介绍均质混合气正常燃烧。因绝大部分汽油机在电火花强制点火前已形成大致均匀混合气（气缸外部利用化油器或喷油）。（一）定容燃烧弹中的燃烧过程 因可燃混合气在定容燃烧弹中的燃烧与汽油机的燃烧比较接近，所以，可以用定容燃烧弹中的燃烧试验来说明汽油机的正常燃烧情况。1、初始状态：右图把定容燃烧弹分成相等的四部分（1、2、3、4），其中每部分包含等量的可燃混合气，状态均为（p0、T0），（即图5-7a）。2、区域1燃烧：设第一部分首先燃烧（在p0、T0下），压力、温度升高（p1、T1），体积膨胀，其余三部分由于压缩与传热的影响，温度与压力也有所提高，见图5-7b。3、区域2燃烧：区域2在（p1、T1）下开始燃烧（图5-7c），燃烧时，区域2的气体要膨胀，压缩已燃烧气体1和未燃烧气体3和4，使它们的压力温度再升高。4、其它区域燃烧：然后依次燃烧3和4部分的混合气。根据定容燃烧弹物理模型，可以得出以下结论：1）等截面燃烧室内，燃烧速率不相等的。因为，火焰沿燃烧室不断传播，相继投入燃烧的各层混合气，比前一层混合气有更高的密度。2）燃烧室内各处燃气温度不相等。因为，各部分混合气在投入燃烧前的状态不同，燃烧后受压缩的情况也不同。靠近火花塞的那部分混合气，先在较低温度下燃烧，在低压下膨胀；最后在高压下回到原来的体积，这部分气体除获得燃烧的化学能外，还获得压缩功，因而最终温度较高。相反，最后燃烧的那部分混合气，要损失一部分功，因而温度较低，两者相差可达数百度。这可以用来解释：为什么高速摄影记录燃烧过程（在火焰传播接近终点）时，火花塞附近又发生“后辉”的原因。3）气流静止的燃烧室内会引起气流运动（火焰传播的压缩-膨胀）。而且这种气流运动的方向，在燃烧初期与燃烧末期是相反的，使火焰传播速度产生先加速后减速的倾向。远端混合气，所受压缩与传热时间最长，在火焰前锋到达前，先期反应已有较大的发展。因而，火焰前锋的速度越来越大，但在接近缸壁时，由于缸壁的冷却作用而变慢。（二）预混燃烧与扩散燃烧 预混燃烧：在燃烧过程中，如果化学反应控制了燃烧速率，即混合过程比化学反应（燃烧反应）要快得多，或者在火焰到达之前燃烧与空气已充分混合，这种可燃混合气的燃烧称之为预混燃烧。汽油机和气体燃烧发动机的可燃混合气的燃烧基本上属预混燃烧。在柴油机中，燃料是借助于喷油装置在接近压缩终了时喷入气缸，经过一个很短的滞燃期后即开始着火。在滞燃期内，若喷入气缸的燃料在着火前已蒸发并与空气混合，那么这部分燃料的燃烧可以看作是预混燃烧。扩散燃烧：在燃烧过程中，如果混合过程控制了燃烧速率，即化学反应（燃烧反应）比混合过程要快得多，这就是所谓的扩散燃烧。柴油机的大部分燃料是在着火后喷入气缸的，它处于一边与空气混合、一边燃烧的情况下，由于混合过程比反应速率慢，因此燃烧速率取决于混合速率。扩散燃烧的显著特征是，它的燃烧速率取决于使燃料和氧化剂达到适宜进行化学反应所需要的扩散速率。（三）点燃式发动机的燃烧过程-（以汽油机的正常燃烧为例）通常把点燃式发动机燃烧过程分成三个阶段，如图。第阶段1-2称为着火阶段，是指电火花跳火到形成火焰中心的阶段。第阶段23称为急燃期，是指火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段，因此也称为火焰传播阶段。第阶段34称为后燃期，它相当于急燃期终点3至燃料基本上完全燃烧点4为止。各个阶段特征分述如下：第阶段（着火阶段）-着火落后期、滞燃期：电火花在上止点前角（1点）跳火以后，混合气中并不立即产生火焰。高速摄影表明，在1点（图5-8）亮后，至2点再亮，这段时间约占整个燃烧时间的15%左右。但工程上一般是按气缸压力开始与压缩压力相分离的2点计算的，2点与2点相差甚微，它与底片的感光性能及测压仪器的灵敏度有关。滞燃期i的长短与下列因素有关：1）燃料本身的分子结构和物理化学性能。2）点火时缸内气体压力、温度。它与压缩比有关，压缩比高，滞燃期短。3）混合气过量空气系数a。试验表明，汽油-空气混合气在a=0.80.9时（较理论空燃比浓），i最短，如右图所示。4）残余废气量增加，i增加。5）气缸内混合气运动强，则i稍有增加。由于气流运动，火焰中心不一定在电极间隙处，有可能在电极间附近。6）火花能量大，i缩短。对于电火花点火的汽油机而言，气缸内着火的时间（2点）可以用控制点火提前角的办法来达到，所以滞燃期的长短对汽油机工作的影响不大，这一点是与柴油机完全不同的。第阶段-火焰传播阶段：在这一阶段内，压力升高很快，压力升高率dp/d =0.20.4MPa/CA。压力升高率代表发动机工作粗暴的程度。它与振动、噪声、火焰传播速率有密切相关，因此火焰传播速率高的可燃混合气均促使dp/d 增加。火花塞位置、燃烧室型式对其也有影响。急燃期终点一般为最高压力点3或最高温度点3（有时3和3点重合）。若取放热率骤然下降时刻作为急燃期终点应更为合理。最高燃烧压力点3到达的时刻，对发动机的功率、经济性有重大影响。如3点到达过早，则混合气必然过早点燃，从而引起压缩过程负功的增加，压力升高率增加，最高燃烧压力过高。相反，如3点到达过迟，则膨胀比将减小，同时，燃烧高温时期的传热表面积增加，也是不利的。3点的位置可以通过点火提前角ig来调整。第阶段-后燃期：它相当于急燃期终点3至燃料基本上完全燃烧点4为止。p-图上的点3表示燃烧室主要容积已被火焰充满，混合气燃烧速度开始降低，加上活塞向下止点加速移动，使气缸中压力从点3开始下降，在后燃期中主要是湍流火焰前锋后面未完全燃烧的燃料、气缸壁面上的混合气层继续燃烧。汽油机燃烧产物中CO2和H2O的离解现象比柴油机严重，在膨胀过程中温度下降后又部分复合放热。一般也作后燃看待。一般调整点火提前角，使点2在BTDC12-15CA，点3在ATDC12-15CA到达，（dp/d ）max为0.1750.25MPa/CA。可使汽油机工作柔和、动力性能良好。（四）燃烧过程按已燃质量分量划分 下图是已燃质量百分数（质量燃烧率）与曲轴转角的关系曲线。可见，在火花点火以后，燃料-空气混合气的燃烧速率从很低达到最大（燃烧过程中部），然后接近于零（燃烧终了时）。利用已燃质量百分数表示燃烧过程各阶段较为方便，并以此可定义发动机燃烧的各个阶段。根据此曲线，点燃式发动机燃烧过程可以描述为：1）火焰发展期-从火花点火到燃料化学能释放10%之间的曲轴转角间隔期。2）快速燃烧期-大量工质燃烧所需的曲轴转角间隔。定义为从火焰扩展阶段（10%已燃质量百分数）到火焰传播过程终点（90%已燃质量百分数）之间的曲轴转角间隔期。3）总燃烧期-整个燃烧过程的持续期，它是火焰发展期与快速燃烧期之和。（五）火焰传播速率和燃烧速率 可燃混合气着火以后，即形成火焰中心，火焰由此中心以一定的速率传播到整个燃烧室。按混合气流动特性，火焰分为层流火焰和湍流火焰。1、层流火焰(传播)速率SL 层流火焰(传播)速率定义为火焰前锋相对于未燃混合气的相对速率，其表达式为（5-18）式中，Af为火焰面积，u为未燃混合气密度，为质量燃烧率。所以，如果求出火焰(传播)速率，就可以得到质量燃烧率。对发动机使用的混合气，层流火焰（传播）速率在40180 cm/s 之间。在实际计算SL 时，常采用Mattavi 经验公式（5-19）式中，SL0=30.5-54.9(-1.21)2（标准状态下）；=2.18-0.8(-1)；=-0.16+0.22(-1)；为燃空当量比（过量空气系数的倒数）；p为压力（kPa）；Tu为火焰前锋面前未燃气体温度(K)。2、湍流火焰速率ST 缸内湍流作用：大标尺湍流使火焰前锋面发生扭曲，除增加锋面面积外，还使火焰前锋分裂成许多燃烧中心，导致湍流火焰速率大大增加；小标尺湍流可大大增加焰面中分子与新鲜混合气中的分子的相互渗透，因此使湍流速率增加（图5-11）。湍流较弱时，火焰锋面完整；湍流较强时，锋面被撕裂成碎片。定义：FSR=ST/SL，称为火焰（湍/层流）速率比。因此，湍流速率与层流速率存在如下关系（5-20）当缸内湍流强度不高时，Mattavi给出了便于计算的经验关系式（5-21）式中，n为发动机转速(r/min）。但在发动机的实际燃烧过程中，火焰传播速率与湍流强度之比的关系并不一定是线性的。湍流强度不高时，火焰传播速率与湍流强度之间呈线性关系；湍流增加到一定强度时，火焰传播速率随湍流强度的增加而呈非线性增加趋势；湍流强度太强，火焰传播速率可能会随湍流强度增加而降低。因此，在汽油机中，组织适当强度的湍流有助于提高火焰传播速率，对燃烧过程有利；但太强的湍流不仅不利于提高火焰传播速率，反面会使传播中的火焰淬熄。3、火焰传播速率Sf 定义：火焰传播速率为火焰前锋相当于燃烧室壁面传播的绝对速率，在发动机中可用下式计算（5-22）式中，Se为已燃区膨胀速率，由下式给出（5-23）式中，AP、SP分别是已燃区在活塞上的投影面积和活塞运动速度；Vb为已燃区体积；为曲轴角速度。（六）着火界限或可燃范围 可燃混合气过浓或过稀时，电火花放电以后，不能形成火焰中心、产生火焰传播。电火花首先点燃电极间隙内这一体积的可燃混合气，当它放出的热量大于向四周混合气的散热量，火焰才能传播发展；反之，将自行熄灭。过浓混合气燃烧不完全、放热量少；过稀混合气的热值低、放出的热量少，因而均不能点火混合气。两界限之间的混合气浓度范围称为可燃范围或着火界限。要使混合气正常燃烧，必须保证混合气浓度在可燃范围内。几种燃料的可燃范围大致如下：汽油：最小过量空气系数0.5最大过量空气系数1.30酒精：0.41.70苯：0.41.25醚：0.41.25影响混合气初期放热速率和散热速率的因素，都会影响着火界限。例如，可燃混合气初始温度增高，有利于放热速率的提高和散热速率的降低，因此扩大了着火界限。残余废气中含有大量的惰性分子（N2，CO2水蒸气等），当残余废气系数增加时，着火界限将缩小。考虑到在实际发动机缸内各处的温度、压力并不完全相同，空气、燃料及残余废气的混合也不一定绝对均匀，因此着火界限比上面列出的范围窄。例如：火花塞间隙附近的气体，若主要是浓度合适的新鲜可燃混合气，就比较容易着火；着火后缸内温度、压力均升高，火焰传播也比较容易（即使其他部分的混合气的废气成分高一些）。如果燃烧室设计不好，不能很好清扫火花塞附近的残余废气，着火界限就变窄，甚至不能着火。现代汽油机在较高负荷且工作正常时的着火界限（稀气极限）大致为amax=1.31.4，一般当a=1.251.35时，汽油机工作循环已不稳定，燃油消耗率迅速上升，混合气再稀一些，发动机即自行熄灭。浓气极限amin无实际意义上的限制。对于汽油喷射、分层燃烧汽油机以及柴油机，由于整个燃烧室内混合气分布不均匀，因此按平均意义上的过量空气系数表示的可燃范围就失去意义。（七）不同工况下燃烧过程的特点 下面分别讨论不同点火提前角、混合气浓度、负荷、转速的燃烧过程。1、点火提前角不同时的燃烧过程 影响汽油机最佳点火提前角的因素很多，如转速、过量空气系数、进气压力和温度等，它只能在试验中予以测定。下图给出了汽油机点火提前特性图。测试条件：保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定，记录功率、燃油消耗率、排气温度随点火提前角的变化。对于汽油机，每一工况都存在一最佳点火提前角，这时汽油机功率最大，燃油消耗率最低。最佳点火提前角位置：使最高燃烧压力在上止点后12-15（CA）时达到，这时实际示功图与理论示功图最为接近。选择：要考虑到发动机在整个运行范围内，保证最大功率而无爆燃。2、混合气浓度不同时的燃烧过程 汽油机燃料调整特性：在转速、节气门开度保持一定、点火提前角为最佳值条件下，调节供油量，记录功率、燃油消耗率、排气温度随过量空气系数的变化曲线，称为汽油机在某一转速和节气门开度下的调整特性，如图所示。因汽油机在a=0.80.9时，滞燃期最短，火焰传播的平均速率最高。较浓混合气燃烧以后的实际分子变更系数增大、燃料蒸发量增多，进气温度下降，充量系数有所增大，所以，最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高率和功率均达到最大值，同时由于不完全燃烧的趋势增加，燃油消耗率较高。因缸内燃料、空气和残余废气不能绝对均匀混合，因而不可能刚好在a=1时获得完全燃烧。混合气稍稀时，最高燃烧温度下降，使燃烧产物离解等不良影响减少，有利于提高热效率，当a=1.031.1时，燃油消耗率达到最佳值。过稀混合气热效率下降。因燃烧速率降低，燃烧时间拉长。3、负荷不同时的燃烧过程 在汽油机上，转速保持不变，通过改变节气门开度来调节进入气缸的混合气量，以达到不同的负荷要求。-负荷量调节 当节气门关小时，充量系数急剧下降，但留在气缸内的残余废气量不变，使残余废气系数增加，滞燃期增加，火焰传播速率下降，最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高比均下降，冷却水散热损失相对增加，因而燃油消耗率增加。因此，随着负荷的减小，最佳点火提前角要提高（如图）。在汽油机中，用点火提前真空调节器来自动调整。4、转速不同时的燃烧过程 在内燃机中，转速增加时，气缸内的湍流增加，使火焰传播速率大体成正比例增加，最高爆发压力、压力升高比随转速变化不大；由于散热损失减少，进气被加热增加，使气缸内混合得更均匀，有利于缩短滞燃期。另一方面，由于残余废气系数增加，气流吹走电火花的倾向增大，又促使滞燃期增加。以上两种因素使以秒计的滞燃期与转速的关系不大，但以曲轴转角计的滞燃期随转速增加而增大（如图所示）。因此，在汽油机上一般都设有点火提前角离心自动调节装置，使在转速增加时，增大点火提前角。5、点火提前角的控制 点火提前角对汽油机经济性影响：据统计，点火提前偏离最佳值5 （CA），热效率下降1%；偏离最佳值10（CA），热效率下降5%；偏离最佳值20（CA），热效率下降16%。最佳点火提前角的影响因素：大气状态（压力、温度、湿度）、缸体温度、燃料辛烷值、空燃比、残余废气系数、排气再循环等。传统控制方法：只考虑了其中的两个因素，即真空和离心调节装置。特点：只能随转速、负荷的变化对点火提前角作近似控制。现代电子控制方法：实现点火提前角的精确控制，大体上分成两类，计算机开环控制和闭环控制。其特点如下：计算机开环控制特点：一种预定顺序控制，根据转速传感器和负荷传感器测得的信号，在存储器中预定特性图上找出对应于该工况的近似最佳点火提前角来控制点火系统点火。预定特性图是事先通过试验得到的近似最佳点火提前角与转速和负荷的三维曲线图或表格，存储在存储器中，若多加几个传感器还可监控更多的参数。优缺点：响应速度快；不能考虑所有影响因素，若采用多个传感器，则价格较贵，系统的可靠性下降。计算机闭环控制特点：一种自适应控制或反馈控制，根据反馈信息确定下一次点火提前角的调节方向。目前作为反馈信息参数大都采用转速（方便），调节点火提前角控制逻辑为：当负荷不变时，改变点火提前角一个步长，则：点火提前后，转速增加点火再提前 点火提前后，转速下降点火推迟 点火推迟后，转速增加点火再推迟 点火推迟后，转速下降点火提前 优缺点：点火提前角能自动跟踪到最佳值；瞬态响应有待改进。（八）燃烧的循环变动（属于正常燃烧范围）1、燃烧循环变动现象 燃烧循环变动是点燃式发动机燃烧过程的一大特征。定义：在发动机以某一工况稳定运行时，本次循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化。具体表现：每一循环压力曲线、火焰传播、功率输出等均不相同，如下图。加剧燃烧循环变动的因素：稀薄混合气、低负荷、低转速下运转时，循环变动都会加剧。燃烧循环变动的后果：1、转速和输出转矩波动增加：因有些循环燃烧进行得快，有些进行得慢，因而影响发动机的性能，使车辆驱动性能恶化。2、不能采用低辛烷值汽油和高压缩比：因在燃烧快的循环中，气缸最高爆发压力增加，使爆燃趋势增加。而压缩比和燃料辛烷值是根据最倾向于敲缸的要求确定的。3、HC排放及油耗大幅度上升：因在燃烧慢的循环中，可能在排气门开启时混合气还未燃烧完，在稀薄混合气燃烧或怠速工况时更易发生这种现象。4、点火提前角不能都处在最佳值：因最佳点火提前角是根据平均循环确定的，气缸压力的循环变动，因而会影响发动机性能指标的进一步提高。改善燃烧循环变动的意义：消除气缸压力的循环变动，可以降低最高燃烧压力，改善工作粗暴性和燃油经济性，降低发动机排放污染，意义很大。2、燃烧循环变动的表征参数 表征燃烧循环变动的参数大体上可以分成三类：1）与气缸压力有关的参数：最高气缸压力pmax及相应的曲轴转角（pmax）、最大压力升高比dp/d )max及相应的曲轴转角（max）、平均指示压力pmi等。2）与燃烧速率有关的参数：最大燃烧速率、火焰发展角 d、快速燃烧角 b。3）与火焰前锋位置有关的参数：火焰半径、火焰前锋面积、已燃和未燃容积随时间的变化曲线、火焰到达某一指定位置所需的时间。实用的度量参数-平均指示压力变动系数CoVimep(Coefficient of Variation），它是度量燃烧循环变动的一个重要参数。（因压力参数比较容易测量）定义：（5-24）式中，imep为平均指示压力的标准偏差pmi；imep为平均指示压力的平均值 。CoVimep是评价燃烧稳定性和车辆驱动性的主要参数，通常不应超过10%。气缸示功图处理-平均示功图 由于点燃式发动机燃烧的循环变动，使每一循环的气缸示功图是不同的。为了获得有代表性的、可以用来进行放热率分析的平均示功图，根据经验，对燃烧循环变动小、燃烧过程重复性好的，可取40100个循环进行平均（对每一曲轴转角求压力平均）；在燃烧循环变动较大时，可取几百个（例如254）循环的平均值。3、产生燃烧循环变动的原因 导致燃烧循环变动的原因很多，以下两个因素是最主要的：1）燃烧过程中气缸内气体运动状况的循环变动 在没有强烈进气涡流的场合，压缩终点附近气缸内气流的湍流强度值可达到和活塞平均速度相比较的数量级。但湍流强度是循环变动的，使压缩终点时火花塞附近和整个气缸内的气流场也是循环变动的。火花点火后形成的火焰中心的轨迹、火焰初始生长速率，均随气流速度的大小和方向改变，使随后的火焰的发展进程，如火焰与壁面的关系、火焰前锋面积的变化以及燃烧速率等，也将受到气流变化的影响。右图是火花塞附近旋涡分布示意图。若火花塞在旋涡中心a，火焰必须在无紊流下传播；若火花塞在旋涡边界b点火，火焰依靠旋涡剪切作用迅速传播；若混合气沿进气涡流迹线ac通过火花塞，火焰很快传到旋涡边界，加速火焰传播。2）每循环气缸内的混合气成分（特别是点火瞬时火花塞附近的）的循环变动-由于空气、燃料、EGR和残余废气之间混合情况的变动而造成 因为在发动机高速运行时，空气、燃料、EGR和残余废气不可能获得充分的混合，在燃烧开始时气缸内必然存在混合气组成上的不均匀，在火花塞电极间隙附近混合气成分的循环变动，会影响早期火焰的发展，特别是影响火焰从层流燃烧阶段到形成稳定火核的过程。总之，气流速度（平均参数和湍流参数）的变动，空燃比的变动以及空气、燃料和废气混合情况的变动，是造成燃烧循环变动的主要原因。4、降低燃烧循环变动的措施 1）多点点火-减少火焰传播距离，有利于减少压力的循环变动。2）组织进气涡流-能增加燃烧速率，达到减少循环变动的目的。3）提高转速-可在缸内形成更强烈的湍流，也能减少循环变动。4）采用化学计量空燃比-此时火焰温度和传播速度比较高，使压力变动最小。5）采用多点燃油喷射技术-可改善循环之间的混合气浓度不均匀性，达到降低循环变动的目的。6）采用快燃、速燃燃烧技术-可提高火焰的传播速率，有助于减小燃烧循环变动。7）改善点火系统性能-如加大点火能量、优化放电方式、采用大火花塞间隙，都有助于减小循环变动。8）改善稀气燃烧时的混合质量（如图）-因稀混合气不容易混合均匀。三、代用燃料（醇类燃料）的燃烧简介 石油危机及其价格的上涨，引起了各国对新能源开发和代用燃烧研究的重视。内燃机代用燃料定义：非石油原油炼制的内燃机燃料，包括醇类燃料、煤制燃料、生物质燃料、天然气、氢气、煤层气、生物质气等。由于醇类燃料（甲醇、乙醇）可以从煤、天然气和植物中提炼，加之它们是液体燃料，可以沿用传统的石油燃料的运输、储存系统，因而被认为是内燃机最有希望的新的代用燃料之一。我国煤碳、天然气资源丰富，醇类燃料的开发、应用有利于发挥我国煤碳和天然气的资源优势。（一）醇类燃料的主要物理化学特性及使用特点 1、甲醇、乙醇的主要物理化学性质（如下表）及使用 1）低热值比汽油低：甲醇为汽油的46%，乙醇为汽油的62%；理论空气量也小，甲醇为汽油的43%，乙醇为汽油的60%。因此，在汽油机上燃烧甲醇、乙醇时，需要增大主量孔直径或调整主量孔圈数，加大燃料供应量。使混合气热量大体与汽油混合气的相等，使发动机在燃用醇类燃料时不会降低其动力性能指标。同时，要有合适的空燃比。2）汽化潜热比汽油大得多：甲醇为汽油的3.7倍，乙醇为汽油的2.9倍，使混合气在汽化时的温降差异较大（甲醇为汽油的7倍，乙醇为汽油的4.16倍）。较大的混合气温降有利于提高发动机的充量和动力性；但不利于燃料蒸发（低温下）、冷起动（困难）、暖机（时间长）。汽化潜热大使进入气缸的混合气温度低，滞燃期长。应用时，应适当加大点火提前角。3）辛烷值高于汽油：在汽油机上使用时，可以提高压缩比，有利于提高发动机的动力性能和经济性能。2、醇类燃料在汽油机中的溶解度和助溶剂 在汽油机上使用时，醇类燃料通常按一定百分比例掺烧，即将汽油与一定比例的甲醇或乙醇混合起来成为一种混合燃料（15%甲醇+85%汽油称为M25混合燃料，纯甲醇称为M100）。甲醇是极性物质，在与非极性物质的石油碳氢化合物掺混时，只要有微量的水存在，就可能引起醇与汽油的相分离。为使甲醇-汽油混合燃料在常温和低温下保持单相，必须加少量的中、高炭醇、苯、丙酮等作为助溶剂。（带来新的污染）（二）醇类燃料的初步试验结果 试验表明：混合燃料中甲醇的质量分数在30%以下时，仍能保证发动机的起动性能。当进一步增加混合燃料中的甲醇含量时，需要对发动机的冷起动和暖机过程采取措施（如进气管加热、安装热交换器，利用排气对进气加热等）。解放汽车发动机CA-10B上的试验：不改动发动机结构的情况下，燃用掺醇量小于20%的混合燃料，可在动力性稍有改善的同时，降低能耗5%左右。如将压缩比由原来的6.8提高到了7.3，利用混合燃料的抗爆能力，则功率能提高5%7%，能耗率降低6%10%。东风汽车发动机EQ6100上的试验：结构参数不调整的情况下，使用M15混合燃料在低速、低负荷工况时的动力性比纯汽油差外，在中速、中负荷以上时，动力性比燃用纯汽油高1%2%，能耗率降低3%左右。若对结构参数进行调整（增大点火提前角、扩大主量孔油孔圈数），燃用M15的功率比燃用纯汽油的大1.3%，转矩大3%，能耗率降低3.6%。排放指标方面：燃用混合燃料或纯甲醇时，NOx和CO均比燃用汽油时低，但未燃甲醇和甲醛的排放高于汽油机。甲醇的缺点：对有色金属、橡胶均有强烈的腐蚀作用，需要对燃油系统在结构上和材料上采用措施。在排放指标中，未燃甲醇、甲醛均是有毒气体，需要对其净化措施作深入研究。应用情况：国外-如美国、德国已有混合燃料的加油站，出售醇类燃料与汽油的混合燃料，巴西已有乙醇汽车在运行。国内-广泛应用还取决于能源形势和政策、价格政策、市场策略等。在某些煤炭资源丰富及醇类资源丰富的地区和单位将会首先使用，目前，山西省已开始建立混合燃料M15的加油站。（乙醇汽油）（三）灵活燃料发动机-电控发动机 有几个不同燃料（如汽油和甲醇或乙醇）的油箱，可以方便切换使用不同燃料的发动机。在燃料油路中装有醇传感器，当发动机切换到醇燃料工作时，醇传感器接受信号，通过控制单元存储器内预定特定曲线改变电控系统在该工况下的点火时间和循环喷油量，使发动机获得另一种燃料工作时的最佳性能。四、点燃式内燃机的不正常燃烧 点燃式内燃机的不正常燃烧包括：爆震燃烧、表面点火、续走、部分燃烧或失火等，下面分别介绍。（一）爆燃 所谓爆燃，是在某种条件下（如压缩比过高），汽油机的燃烧会变得不正常，缸内压力曲线出现高频、大振幅波动。如图所示，上止点附近的dp/dt值急剧波动，（dp/d)max =65 MPa/CA之高。此时火焰传播速度和火焰前锋形状发生急剧的改变（可通过摄影观察到）。汽油机爆燃时一般表现为以下外部特征：1）发出金属振音（敲缸）。2）轻微爆燃时，发动机功率略有增加；3）强烈爆燃时，发动机功率下降，工作变得不稳定，转速下降，发动机有较大振动。4）冷却系统过热（冷却水、润滑油温度均上升）。5）气缸盖温度上升。发生爆燃的原因：-终燃混合气自燃的结果 终燃混合气：就是处于最后燃烧位置上的混合气。当电火花点燃混合气以后，火焰以正常传播速率向前推进，使终燃混合气进一步受到压缩和热辐射，加速其先期物理化学反应，并放出部分热量，使本身温度不断升高，以致在正常火焰未到达前，终燃混合气内部最适宜着火部位已出现一个或数个火焰中心，并以100300m/s（轻微爆燃）直到8001000m/s或更高的速率（强烈爆燃）传播火焰，迅速将终燃混合气燃烧完毕。因此，汽油机的爆燃是终燃混合气的自燃，它与柴油机的工作粗暴性（后面章节介绍）在燃烧本质上是一致的，都是可燃混合气的自燃结果，但两者发生的时间和气缸内的状况是有差异的。柴油机工作粗暴性发生在急燃期始点，压力升高比大，但气缸内压力是均匀的；汽油机爆燃是发生在急燃期的终点，气缸内有压力波冲击现象。所以，对汽油机是优良的燃料，对柴油机就是最差的燃料，反之亦然。因此，爆燃的发生与以下条件有关：1）终燃混合气的温度-压力-时间历程。2）终燃混合气的温度即使达到自燃温度以上，也不能立即着火。在滞燃期间，在火花塞处发生的火焰如通过了终燃混合气，就不会引起爆燃。因此，如火焰传播速度快，或是火焰传播距离短，即使是着火温度低的燃料也来不及发生自燃。3）在终燃混合气中，从压缩行程就产生缓慢的氧化反应，由此可产生热量，焰前反应的多少和程度对自燃产生影响，这一点主要与燃料化学成分和组成有关。最易爆燃的地方：燃烧室中离开正常燃烧最远处、高温处（如排气门和积碳处）。爆燃发生前，正常燃烧的混合气数量越少，爆燃就在更大的容积中进行，爆燃也就越强烈。试验表明，发动机总充量中只要有大于5%的部分进行自燃时，就足以引起剧烈爆燃。强烈爆燃将对发动机工作产生的不利影响：（1）输出功率、热效率降低 爆燃接近等容燃烧，本是人们所希望的，事实上，当轻微爆燃时，发动机的功率与热效率可以有所提高。轻微爆燃时，压力脉冲值较小，通常测量不出来，这时火焰传播速率约为150300m/s，也远远超过正常燃烧时的火焰传播速率。强烈爆燃时，爆燃处产生了局部压力和温度突升，缸内压力来不及平衡，即化学反应速率大于气体膨胀速率，在自燃区形成一个压力脉冲，并以极高的速度（8001000m/s）向四周传播，这个压力脉冲在气缸壁面、活塞顶面与气缸盖底面多次反射，产生高频（约为5000Hz或更高）振音。强烈爆燃时，由于压力波冲击与破坏气缸壁面的层流边界层，使气缸壁面热传量大大增加，冷却损失增加，输出功率降低。此外，燃烧室内部高温引起燃烧产物加速离解成CO、H2等，严重时也析出碳粒，因而热效率下降。（2）气缸过热 发生爆燃时，破坏附面层，气缸盖、活塞顶面的温度上升，排气温度下降。爆燃时，燃烧室局部过热会产生表面点火，即在火焰到达以前，混合气因炽热表面而着火，从而引起气缸进一步加热，最终导致轻合金的气缸盖、活塞发生局部金属变软、熔化或烧损，这种过热是爆燃带来的最大危害。此外，由于燃气向冷却水的传热量增加，排气温度下降。（3）零件的应力增加 爆燃时，由于压力增长率和最高压力都增加，故在有关零件上的作用力也增加，这往往使连杆大头的轴承合金产生裂纹。此外，爆燃促使积碳形成，容易破坏活塞环、气门和火花塞的正常工作；压力波冲击缸壁表面，使之不易形成油膜，会导致机件加速磨损。因此，爆燃已经成为限制火花点火发动机功率提高和经济性改善的一个重要因素。如果没有爆燃，汽油机就可以方便地应用高压缩比或涡轮增压的方法来提高功率和改善经济性。长期以来，改进汽油炼制方法，在汽油中加入辛烷值高的含氧化合物以增加其抗爆性能，不断改进燃烧系统和进气系统以减少爆燃倾向，采用电控汽油喷射、汽油机缸内直接喷射等，已成为提高汽油机性能的一个重要方面。爆燃是燃料在发动机中的自燃现象，它不仅受到燃料本身的影响，而且随发动机型式和运转条件的不同而改变。燃料的抗爆性高，压缩比也能取得大一些，对改善发动机性能有利。下面分别介绍。（二）燃料抗爆性能的评定 燃料对发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料的抗爆性能。通常用辛烷值来表示。1、研究法辛烷值（RON）和马达法辛烷值（MON）研究法辛烷值和马达法辛烷值是评定汽油抗爆性能的两种方法。我国通常用马达法测定（SYB2106-59）。评定条件：在专门设计的可变压缩比单缸试验机上进行；研究法试验工况：转速600r/min，进气温度51.7，冷却水温度100，点火提前角上止点前13（CA），试验时调整到发生强烈爆燃。马达法试验工况：转速900r/min，混合气温度149，冷却水温度100，点火提前角上止点前14-26（CA），试验时调整到中等爆燃。两种方法试验步骤：先用待测定燃料工作，不断增加压缩比，直到爆燃仪上指示出标准爆燃强度为止；然后保持压缩比不变，换用标准燃料（x异辛烷与（100-x）的正庚烷混合液）进行工作。若能使发动机产生和被测燃料同等强度的爆燃，则称被测燃料的辛烷值为x。其中，标准燃料是抗爆性很高的2，2，4三甲基戊烷（又名异辛烷C8H18）和抗爆性很低的正庚烷C7H16以不同的容积比混合而成。因马达法试验时发动机运转参数定得比研究法高（混合气温度高、中等爆燃强度），因此所求出的辛烷值比较低，两者的差值称为燃料的灵敏度，用以反映燃料抗爆性能随发动机运转工况改变（转速提高、点火提前、进气温度提高等）而降低的情况。即燃料灵敏度=RON-MON 燃料灵敏度数值越大，对发动机工况改变越敏感。目前国际上广泛采用研究法辛烷值和马达法辛烷值的平均值即燃料抗爆指数来表示燃料的抗爆性能抗爆指数=（RON+MON）/2 各类烃的抗爆性：直链烷烃最低（数值小），芳香烃的抗爆性最高。各类烃的燃料灵敏度：直链烷烃最低（对工况变化不敏感），芳香烃最高。各类汽油：直馏法MON为5868，热裂法为6370，催化裂化法为7880。2、道路辛烷值 研究法辛烷值和马达法辛烷值都是在单缸试验机和特定的条件下测定的，并不能完全代表发动机实际使用中的燃料抗爆性能。因此，评定燃料在汽车发动机使用时的抗爆性能时发展了一种“道路辛烷值”，它是在实际发动机上标定的。其方法如下：试验条件：节气门全开（或部分开启）、汽车在水平道路上加速行使、发动机装有手控点火提前角装置和指示记录装置。爆燃强度判断：由有经验的试验人员凭听觉判断。试验步骤：首先用标准燃料进行，汽车分段加速，连续调节点火提前角，求出爆燃点。这样，可以得到不同标准（辛烷值）燃料的爆燃边界线，如右图（横轴为转速）。然后，换用试验燃料按同一方法进行，如图中燃料A与燃料B。图中，也绘出带有标准分电器（离心提前）和最大功率的提前角曲线。发动机要求的辛烷值：利用上述图线，用插值的方法可以得到燃料A和燃料B以及带有标准分电器和最大功率提前角曲线所要求的道路辛烷值读数，如右图所示。燃料的道路辛烷值与标准燃料的辛烷值是在同一点火提前角、同一转速、同一节气门开度下，具有同一爆燃强度条件下求出的，所以，是一种比较客观的评价方法。从图中可以看出：若按最佳功率点火提前角调整，低速时，要求很高的辛烷值，必须提高对燃料辛烷值的要求，此时，使用燃料A才能工作。实用中，采用标准分电器（离心提前）的方法，低速时推迟点火提前角（功率有所损失，起动性改善），可以降低对燃料辛烷值的要求，此时，采用燃料B就可以正常工作。3、抗爆添加剂 为了提高汽油的辛烷值，常常在燃料中加入少量的抗爆添加剂，具体方法有：1）在汽油中加入四乙铅，无色透明液体。但是由于铅有毒和易使三效催化转换器中毒，所以我国从2000年开始停止使用有铅汽油。2）在汽油中掺混一定量的甲醇、乙醇燃料，辛烷值高的醇类燃料可提高汽油的辛烷值。3）在汽油中掺混一定比例的醚类燃料，如甲基叔丁基醚（MTBE）或乙基叔丁基醚（ETBE），增加燃料的辛烷值。4、抗爆性能的其它表示方法（发生爆燃时的参数，称之。）极限压缩比法-发生爆燃时的压缩比。极限进气管压力法-发生爆燃时的进气压力。极限平均指示压力法-改变进气压力，发生爆燃时的平均指示压力。极限点火提前角法-如前面所叙。（三）发动机运转因素与主要结构因素对爆燃的影响 因为火花放电以后，火焰就开始传播；同时终燃混合气进行焰前反应，为着火作准备。所以，可以假设：从火焰中心形成至正常火焰传播到终燃混合气为止所需的时间为t1；从火焰中心形成至终燃混合气自燃所需的时间为t2；当t1t2时，就不发生爆燃；当t1t2时，则发生爆燃。因此，凡是t1减小、t2增加的因素均可减少爆燃倾向；反之，均使爆燃倾向增加。1、运转因素的影响 （1）点火提前角的影响 右图给出了不点火提前角时的p-图。可以看