1、會計學1汽車汽車(qch)發(fā)動機原理章王建昕發(fā)動機原理章王建昕第一頁，共35頁。汽油機著火汽油機著火(zho hu)和燃燒的高速攝影和燃燒的高速攝影火焰特點：火焰特點：均質(zhì)透明均質(zhì)透明火焰前鋒火焰前鋒(qinfng)面皺面皺褶褶火核形成火核形成 火花點火火花點火第1頁/共35頁第二頁，共35頁。燃燒過程燃燒過程(guchng)的高速攝影實例：的高速攝影實例：48121620242832400(TDC)火焰特點：火焰特點：多點大面積著火多點大面積著火粗暴粗暴“有焰有焰”燃燒燃燒(rnsho)產(chǎn)產(chǎn)生碳煙生碳煙柴油機燃燒(rnsho)過程及其特性分析第2頁/共35頁第三頁，共35頁。汽油機燃燒三階段

2、： （1）著火(zho hu)落后期（ AB ） （2）明顯燃燒期（ BC ） （3）后燃期（ CD ）第3頁/共35頁第四頁，共35頁。p 燃燒特性參數(shù)：著火落后期i p10CA左右(zuyu)p注意區(qū)別點火提前角igpi 相對穩(wěn)定（相對柴油機），因此ig對pmax相位有重要影響p 現(xiàn)象：現(xiàn)象：p 在在AA點開始火花點火點開始火花點火(din (din hu)hu)， 高溫單階段著火；高溫單階段著火；p 在在BB點產(chǎn)生穩(wěn)定的火核，開始點產(chǎn)生穩(wěn)定的火核，開始火焰?zhèn)鞑?；火焰?zhèn)鞑ィ籶BB點也可用點也可用CA05CA05表示，表示， 即累即累計放熱計放熱5%5%的相位。的相位。第4頁/共35頁第五頁

3、，共35頁。p現(xiàn)象：現(xiàn)象：p火焰充滿火焰充滿(chngmn)(chngmn)燃燒室燃燒室，燃燒壓力達到最高，即，燃燒壓力達到最高，即pmax pmax ；p 其間其間80809090燃料被燃燒燃料被燃燒。p燃燒特性參數(shù)燃燒特性參數(shù)(cnsh)1(cnsh)1： 最高爆發(fā)壓力最高爆發(fā)壓力pmaxpmaxp pmax pmax ，i i ，W i W i ，p 但但NOx NOx ，機械負荷及熱負荷，機械負荷及熱負荷；p pmax pmax位置，位置，cc101015 CA15 CA（ ATDC ATDC）p也稱為也稱為速燃期速燃期p放熱速率特征值放熱速率特征值CA50：累計放：累計放熱熱50%的

4、相位，的相位，510 CA （ATDC）第5頁/共35頁第六頁，共35頁。PmaxPmax出現(xiàn)的位置可用點火提出現(xiàn)的位置可用點火提前前(tqin)(tqin)角角igig來控制；來控制；MBTMBT：Minimum advance for Minimum advance for Best TorqueBest Torque，對于最大轉(zhuǎn)矩，對于最大轉(zhuǎn)矩的最佳點火提前的最佳點火提前(tqin)(tqin)第6頁/共35頁第七頁，共35頁。p燃燒特性參數(shù)燃燒特性參數(shù)2 2：壓力升高率：壓力升高率p壓升率壓升率 = dp/d = dp/dp最高壓升率（最高壓升率（dp/ddp/d）max max (M

5、Pa/CA)(MPa/CA)p平均壓升率平均壓升率p dp/d dp/d的影響的影響pdp/d,idp/d,i，但，但NOxNOx，機械，機械損失損失(snsh)(snsh)及熱負荷及熱負荷,噪聲噪聲 振動振動p一般汽油機一般汽油機 p dp/d dp/d0.20.20.40.4（MPa/CAMPa/CA）2 2、明顯、明顯(mngxin)(mngxin)燃燒期（燃燒期（BBC C ）cbcbppdpd（dp/d）max第7頁/共35頁第八頁，共35頁。p要求要求(yoqi)：p燃期要短燃期要短后燃期后燃期， i ， 排排溫溫，甚至，甚至“放炮放炮”p燃燒完全燃燒完全否則，否則，HC，CO p

6、 現(xiàn)象現(xiàn)象: :p 燃燒剩余約燃燒剩余約1010燃料，主要存燃料，主要存在于火焰在于火焰(huyn)(huyn)前鋒面掃過后尚前鋒面掃過后尚未完全燃燒區(qū)域、壁面附近未燃混未完全燃燒區(qū)域、壁面附近未燃混合氣合氣第8頁/共35頁第九頁，共35頁。p示功圖（示功圖（P-）：）：p壓縮壓力壓縮壓力p燃燒壓力燃燒壓力Pmaxp壓升率（壓升率（dP/d）：）：p各自各自(gz)的合理范圍的合理范圍pdP/d低，低，NOx和噪聲低和噪聲低p放熱速率放熱速率dQb/d:p初期放熱率，柴，汽初期放熱率，柴，汽p形狀，汽單峰，柴雙峰形狀，汽單峰，柴雙峰 汽油機汽油機柴油柴油機機第9頁/共35頁第十頁，共35頁。p

7、汽油機不同負荷時，隨負荷汽油機不同負荷時，隨負荷的增加，燃燒持續(xù)期縮短；的增加，燃燒持續(xù)期縮短；p柴油機，隨負荷增加，燃燒柴油機，隨負荷增加，燃燒持續(xù)期變長；持續(xù)期變長；p由于汽油機在中小負荷時的由于汽油機在中小負荷時的燃燒持續(xù)期拖長燃燒持續(xù)期拖長(tu chn)，加之上述放熱率形狀的不同，加之上述放熱率形狀的不同，其燃燒放熱等容度會低于柴，其燃燒放熱等容度會低于柴油機，即汽油機最常用的中小油機，即汽油機最常用的中小負荷不是負荷不是“等容放熱等容放熱”EQ491汽油機，排量汽油機，排量2.5升；升；大負荷燃燒持續(xù)期略有增加，是因大負荷燃燒持續(xù)期略有增加，是因為防止爆震而推遲為防止爆震而推遲(t

8、uch)點火時刻造點火時刻造成的。成的。第10頁/共35頁第十一頁，共35頁。 ?為什么汽油機燃燒為什么汽油機燃燒(rnsho)放熱呈放熱呈“單峰單峰”，?而柴油機燃燒而柴油機燃燒(rnsho)放熱呈放熱呈“雙峰雙峰”？汽油機：預混合汽油機：預混合(hnh)(hnh)燃燒燃燒柴油機：預混柴油機：預混 + + 擴散擴散擴散燃燒擴散燃燒第11頁/共35頁第十二頁，共35頁。對比對比項目項目汽油機汽油機柴油機柴油機著火著火點燃點燃，高溫單階段著火，單點著火高溫單階段著火，單點著火壓燃壓燃，低溫多階段著火，多點同時著火低溫多階段著火，多點同時著火燃燒燃燒火焰在火焰在均質(zhì)預混合氣均質(zhì)預混合氣中有序中有序

9、傳播，燃燒柔和傳播，燃燒柔和兩階段燃燒，即無序的非均質(zhì)預混合兩階段燃燒，即無序的非均質(zhì)預混合燃燒和燃燒和擴散燃燒擴散燃燒，燃燒較粗暴，燃燒較粗暴后燃后燃混合均勻，因而后燃期較短混合均勻，因而后燃期較短混合不均勻，因而后燃期較長混合不均勻，因而后燃期較長放熱放熱規(guī)律規(guī)律燃燒放熱燃燒放熱先緩后急先緩后急， “ “等等腰三角形腰三角形”放熱曲線，放熱曲線，燃燒放熱燃燒放熱先急后緩先急后緩，“雙峰雙峰”放熱曲放熱曲線，持續(xù)期較長（）線，持續(xù)期較長（）性能性能噪聲振動小，基本不產(chǎn)生碳噪聲振動小，基本不產(chǎn)生碳煙排放，熱效率較低煙排放，熱效率較低熱效率高，噪聲振動大，易產(chǎn)生碳煙熱效率高，噪聲振動大，易產(chǎn)生碳

10、煙排放排放汽油機 Vs 柴油機第12頁/共35頁第十三頁，共35頁。p 汽油機正常燃燒的特征汽油機正常燃燒的特征(tzhng)（點燃式發(fā)動機）（點燃式發(fā)動機）：p 由火花點火引燃（也可有其它強制點火方式）由火花點火引燃（也可有其它強制點火方式）p 以火核為中心的火焰有序傳播以火核為中心的火焰有序傳播p 汽油機不正常燃燒：汽油機不正常燃燒：p 爆燃（爆震、敲缸）爆燃（爆震、敲缸）p 表面點火表面點火p 激爆激爆p汽油機的不規(guī)則燃燒：汽油機的不規(guī)則燃燒：p循環(huán)波動循環(huán)波動不同循環(huán)之間的燃燒變動不同循環(huán)之間的燃燒變動p各缸不均勻各缸不均勻(jnyn)各缸之間的燃燒差異各缸之間的燃燒差異第13頁/共3

11、5頁第十四頁，共35頁。1、爆燃現(xiàn)象（、爆燃現(xiàn)象（Knocking）尖銳的金屬敲擊聲，聲頻為尖銳的金屬敲擊聲，聲頻為37KHz機身機身(j shn)有明顯振動有明顯振動功率下降、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，甚至冒黑煙功率下降、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，甚至冒黑煙示功圖出現(xiàn)不同程度的示功圖出現(xiàn)不同程度的“鋸齒波鋸齒波”冷卻水、機油和氣缸蓋等溫度升高冷卻水、機油和氣缸蓋等溫度升高正常正常(zhngchng)燃燒燃燒輕微爆燃輕微爆燃強烈爆燃強烈爆燃第14頁/共35頁第十五頁，共35頁。2、爆燃機理、爆燃機理末端混合氣（末端混合氣（End gas）受）受壓縮和熱輻射，以低溫多階壓縮和熱輻射，以低溫多階段方式產(chǎn)生自燃（段方式產(chǎn)生自燃（S

12、elf-ignition）多點大面積自燃，形成局部多點大面積自燃，形成局部溫度壓力陡升（瞬時壓力溫度壓力陡升（瞬時壓力18MPa），壓力波在傳播），壓力波在傳播(chunb)過程種形成過程種形成“激波激波”。激波沖擊燃燒室壁面產(chǎn)生高激波沖擊燃燒室壁面產(chǎn)生高頻振音（也有說共振），并頻振音（也有說共振），并在示功圖上可觀察到這種壓在示功圖上可觀察到這種壓力波動。力波動。注意：注意：火焰前鋒面速度火焰前鋒面速度(sd)100m/s(sd)100m/s，壓力波和，壓力波和熱輻射分別為音速和光速熱輻射分別為音速和光速第15頁/共35頁第十六頁，共35頁。3、爆燃、爆燃(bo rn)的危害的危害 燃室壁面

13、的層流邊界層和油膜燃室壁面的層流邊界層和油膜被破壞，散熱被破壞，散熱， 熱負荷熱負荷，嚴重，嚴重時活塞頂燒熔時活塞頂燒熔; 燃燒粗暴、熱裂解發(fā)生，甚至燃燒粗暴、熱裂解發(fā)生，甚至(shnzh)冒黑煙冒黑煙 由于油膜層被破壞，引起活塞組異常磨損由于油膜層被破壞，引起活塞組異常磨損(m sn)，拉缸，拉缸 甚至活塞環(huán)斷甚至活塞環(huán)斷 輕微爆燃有可能略改善油耗和功率，但嚴重爆燃時輕微爆燃有可能略改善油耗和功率，但嚴重爆燃時 t ，熱損失，導致，導致be，Pe 燃氣壓力劇烈波動使燃氣壓力劇烈波動使pmax和和dp/d ，使使機械負荷機械負荷。8.2.1 爆燃的機理與對策第16頁/共35頁第十七頁，共35頁

14、。爆燃爆燃(bo rn)的危害的危害正常正常(zhngchng)燃燃燒火花塞燒火花塞爆燃爆燃(bo rn)-火花塞絕緣體火花塞絕緣體燒毀燒毀8.2.1 爆燃的機理與對策第17頁/共35頁第十八頁，共35頁。8.2.1 爆燃(bo rn)的機理與對策區(qū)別區(qū)別汽油機爆震汽油機爆震(bo zhn)柴油機粗暴燃燒柴油機粗暴燃燒第18頁/共35頁第十九頁，共35頁。4、防止爆燃的對策、防止爆燃的對策 記記: t1由火核形成至火焰前鋒由火核形成至火焰前鋒(qinfng)面?zhèn)鞑サ矫鎮(zhèn)鞑サ侥┒嘶旌蠚馑钑r間末端混合氣所需時間 t2由火核形成至末端混合氣自燃著火所需時間由火核形成至末端混合氣自燃著火所需時間則：

15、則： 不爆燃的條件不爆燃的條件 t1 t2第19頁/共35頁第二十頁，共35頁。要求：逐項深入理解上述要求：逐項深入理解上述(shngsh)對策，要搞清為什么對策，要搞清為什么？第20頁/共35頁第二十一頁，共35頁。180360540010203040506070P (bar) (oCA)n=2000rpm BMEP=0.9MPa發(fā)動機：發(fā)動機：EQ491EQ491壓縮比：壓縮比：9.09.0汽油汽油(qyu)(qyu)：90(RON)90(RON)點火(din hu)提前角ig =24oCAig = 19oCA第21頁/共35頁第二十二頁，共35頁。p上述縮短上述縮短t1和延長和延長t2的

16、對策中，許多是相互矛盾的的對策中，許多是相互矛盾的p實際中防止爆燃的主要措施實際中防止爆燃的主要措施p降低降低 （最主要）（最主要）p提高燃料辛烷值提高燃料辛烷值p推遲推遲(tuch)點火時間點火時間p燃燒室優(yōu)化設(shè)計燃燒室優(yōu)化設(shè)計p（含提高湍流度等，見右圖）（含提高湍流度等，見右圖）p爆震傳感器反饋控制爆震傳感器反饋控制 由此造成了汽油機多年來的難題：即如何由此造成了汽油機多年來的難題：即如何(rh)在無爆燃條件下實現(xiàn)高壓縮比在無爆燃條件下實現(xiàn)高壓縮比第22頁/共35頁第二十三頁，共35頁。p有關(guān)有關(guān)(yugun)爆震的機理，并未完全爆震的機理，并未完全探明，尤其是末端混合氣自燃后的壓力探明，

17、尤其是末端混合氣自燃后的壓力“震蕩震蕩”和和“激波激波”等問題等問題p爆震也并非一無是處爆震也并非一無是處p作為目前內(nèi)燃機燃燒國際前沿的作為目前內(nèi)燃機燃燒國際前沿的“均質(zhì)均質(zhì)混合氣壓燃混合氣壓燃”實際上是一種可控爆震實際上是一種可控爆震p“爆震發(fā)動機爆震發(fā)動機”作為飛機動力目前在研作為飛機動力目前在研究中，究中，p實際上，汽油機的爆震主要發(fā)生在大負荷工況，尤其實際上，汽油機的爆震主要發(fā)生在大負荷工況，尤其(yuq)是低速大負荷。因此，可變壓縮比是一個兼顧低負是低速大負荷。因此，可變壓縮比是一個兼顧低負荷熱效率和大負荷不爆震的理想方法。荷熱效率和大負荷不爆震的理想方法。第23頁/共35頁第二十四

18、頁，共35頁。1、現(xiàn)象、現(xiàn)象汽油機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動汽油機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動(bdng)大于大于柴油機柴油機一般：汽一般：汽 10 r/min柴柴 2 r/min轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動(bdng)源于燃燒波源于燃燒波動動(bdng)（如右圖（如右圖) pmax波動波動(bdng) ：2.53.5MPa（dQB/d）max波動波動(bdng)： 2倍倍第24頁/共35頁第二十五頁，共35頁。2、危害、危害 點火時間、空燃比等控制參數(shù)無法點火時間、空燃比等控制參數(shù)無法調(diào)節(jié)到最佳；調(diào)節(jié)到最佳； 燃燒不好的循環(huán)會產(chǎn)生燃燒不好的循環(huán)會產(chǎn)生i 、Wi等下降等下降（設(shè)想上圖中如（設(shè)想上圖中如10個循環(huán)都按個循

19、環(huán)都按pmax最高的最高的循環(huán)來工作，會怎樣？）循環(huán)來工作，會怎樣？） 振動振動、噪聲、噪聲 例：例：6105汽油機燃燒室改進設(shè)計后，汽油機燃燒室改進設(shè)計后， （dp/d）max由由1.8上升上升(shngshng)到到2.4（bar/ CA），），p由由11降為降為7.1，結(jié)果噪聲下降結(jié)果噪聲下降8dB第25頁/共35頁第二十六頁，共35頁。3、循環(huán)、循環(huán)(xnhun)波動的評價指標波動的評價指標循環(huán)循環(huán)(xnhun)波動率：波動率： p = (p / pmax)100式中，式中， p為為pmax的標準偏差；的標準偏差； pmax為為 pmax的算術(shù)平均值的算術(shù)平均值正常情況：正常情況： p

20、 10%較好汽油機：較好汽油機： p 7% 同理：可用同理：可用Pmax出現(xiàn)角度出現(xiàn)角度pmax、 dp/d、pmi 、(dQB/d)max等多種燃燒特性等多種燃燒特性(txng)參數(shù)表示循環(huán)波動程度。參數(shù)表示循環(huán)波動程度。第26頁/共35頁第二十七頁，共35頁。（1） 混合氣成分波動混合氣成分波動：局部空燃比波動；局部空燃比波動；殘余廢氣濃度波動。殘余廢氣濃度波動。（如圖，火花塞處連續(xù)（如圖，火花塞處連續(xù)50個循環(huán)個循環(huán)(xnhun)的快的快速采樣結(jié)果）速采樣結(jié)果）（2） 氣體運動狀態(tài)波氣體運動狀態(tài)波動動流速過高或過低；流速過高或過低；湍流強度過高或過低。湍流強度過高或過低。第27頁/共35

21、頁第二十八頁，共35頁。aa影響最大，影響最大， a=0.8 a=0.81.01.0時，時， p p最??；最?。挥蜌饣旌系木鶆虺潭龋ń^對均勻，油氣混合的均勻程度（絕對均勻， p0 p0）；）；rr，p p ，因此應加強火花塞周圍掃氣，因此應加強火花塞周圍掃氣 ；負荷負荷 （ r r ），則），則p p ；轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速(zhun s) (zhun s) （ 湍流湍流），則），則p p ；提高點火能量或采用多點點火。提高點火能量或采用多點點火。第28頁/共35頁第二十九頁，共35頁。901802703604505406307200.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5汽 缸 壓 力

22、汽 缸 壓 力 p / MPan=3000r/minTtq=53.2N.mMAP=56kPa=14.5曲 柄 轉(zhuǎn) 角曲 柄 轉(zhuǎn) 角 / (o)(CA)27036045054001234n=3000r/minTtq=53.2N.mMAP=56kPa=14.5氣 缸 壓 力氣 缸 壓 力 p / MPa曲 柄 轉(zhuǎn) 角曲 柄 轉(zhuǎn) 角 / (o)(CA)491i491i汽油機實測汽油機實測(sh (sh c)c)結(jié)果結(jié)果循環(huán)波動(bdng)率每增大1個%點，Pmi損失1.5%柴油機的循環(huán)波動為什么小于柴油機的循環(huán)波動為什么小于汽油機？汽油機？第29頁/共35頁第三十頁，共35頁。010000 2000

23、0 30000 40000 500000510152025P(bar) (oCA)010000 20000 30000 40000 5000001020304050P(bar) (oCA)Pmax = 8.9%Pmax = 9.6%BMEP=0.19MPaBMEP=0.88MPa（大眾（大眾(dzhng)Touran(dzhng)Touran，2.0L 2.0L 汽油機，汽油機，n=2000rpmn=2000rpm）汽油機循環(huán)(xnhun)波動案例（2）第30頁/共35頁第三十一頁，共35頁。p何謂表面點火（何謂表面點火（Surface ignition）p由熾熱表面點燃混合氣引起的著火由熾熱

24、表面點燃混合氣引起的著火p熾熱表面：熾熱表面：p燃燒室壁面凸起部，如排氣門、壁面尖角處、火花燃燒室壁面凸起部，如排氣門、壁面尖角處、火花塞群部、積碳（塞群部、積碳（Deposit）及其催化劑作用）及其催化劑作用p表面點火的分類：表面點火的分類：p早火（早燃早火（早燃, Pre-ignition）正?；鸹c火前發(fā)生的表面點火正?；鸹c火前發(fā)生的表面點火p后火（后燃）后火（后燃）正?；鸹c火后發(fā)生的表面點火正常火花點火后發(fā)生的表面點火p后火：后火：p若不引發(fā)爆燃，一般危害不大，或?qū)θ舨灰l(fā)爆燃，一般危害不大，或?qū)略有利；但略有利；但長時間后火，會使燃燒室熱負荷長時間后火，會使燃燒室熱負荷(fh)提高，演變?yōu)樵缁?；出現(xiàn)提高，演變?yōu)樵缁?；出現(xiàn)“續(xù)走續(xù)走”（Running-on）現(xiàn)象。）現(xiàn)象。第31頁/共35頁第三十二頁，共35頁。l早火早火l由于實際著火由于實際著火(zho hu)提前，使提前，使pmax和和dp/dl負功負功 ； i ；pi ；l機械負功機械負功； m ，l產(chǎn)生低頻敲缸（產(chǎn)生低頻敲缸（6001200Hz）l （注意早火與爆燃的異同）（注意早火與爆燃的異同）l爆燃性表面點火（激爆）爆燃性表面點火（激爆）l早火與