發(fā)動機燃燒質量分析

1、發(fā)動機燃燒質量分析發(fā)動機的工作原理：下圖為一單缸發(fā)動機示意圖與發(fā)動機的燃燒質量有關的一些參數(shù)，以及它們對燃燒質量的影響及改進措施一、 燃燒速度 燃燒速度指單位時間燃撓的混合氣量，是衡量發(fā)動機性能的指標之一，可以表達為： 式中:         UT 火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?#160;        AT 火焰前鋒面積；         T 未燃混合氣密度。要想使燃撓迅速、及時

2、完成，需要有較高的燃燒速度且合理變化。燃燒速度的大小主要取決于火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒒鹧媲颁h面積及未燃混合氣密度。（一）火焰?zhèn)鞑ニ俣萓T 火焰?zhèn)鞑ニ俣热Q于燃燒室中氣體紊流運動，混合氣成分和混合氣初始溫度。 氣體紊流強度與火焰速度比之間為一直線關系。紊流強度u指各點速度的均方根值;火餡速度比是紊流火餡傳播與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣戎取Ｒ虼?，加強燃燒室的紊流，是提高火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊闹饕侄巍２捎眠^量空氣系數(shù)At =0.85-0.95時的混合氣，可以提高混合氣初始溫度，有助于加速火焰?zhèn)鞑??！坝袟l不紊的線狀運動，彼此不相混摻，為層流流動。隨機運動，每個質點的軌跡都是混亂的，在其前進過程中向橫向發(fā)生混摻，流動， 示出

3、很多渦旋，時而消滅時而發(fā)生，是為紊流流動?！?（二）火焰前鋒面積AT燃燒室形狀與火花塞位置配合情況，對火焰前鋒面分布規(guī)律有很大影響。圖5-8所示為不同燃燒室火焰前鋒面積變化情況。 因此，合理設計燃燒室形狀及合理布置火花塞的位置，可以改變不同時期火焰前鋒掃過的面積，使明顯燃燒期相對曲軸轉角的位置及壓力升高率在合適的范圍內。（三）可燃混合氣密度 T 增大未燃混合氣的密度，可以提高進氣壓力和壓縮比，從而提高混合氣的燃燒速度。二、混合氣成分改變化油器主量孔的大小或改變通過斷面可以改變混合氣成分。若使用不當也很容易造成混合氣成分改變。例如，空氣濾清器堵塞，化油器空氣量孔堵塞，會使混合氣過濃?；推鞲∽邮?/p>

4、油面調整過低，會使混合氣體過稀等?；旌蠚鉂舛鹊母淖儗Πl(fā)動機的動力性、燃油經濟性及爆燃傾向有很大影響，因此，分析混合氣成分對燃燒過程的影響是非常重要的。 燃料能否及時燃燒，取決于火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｓ绊懟鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊闹饕蛩厥腔旌蠚獬煞?火焰?zhèn)鞑ニ俣入S過量空氣系數(shù)的變化如圖5-9所示。 由圖可以看出，當過量空氣系數(shù) at =0.850.95,火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲螅藭r燃燒速度最快，可在短時間內使氣缸壓力溫度達到最大值，散熱損失小，作功最多，由于此時供給的燃料量比完全燃燒時所需的燃料稍多，在空氣量一定的情況下，提高了對氧的利用程度，使燃燒產物的分子數(shù)增多，燃氣壓力提高。因此，發(fā)動機發(fā)出最大功率，稱這種混合氣

5、為最大功率混合氣。汽車在滿負荷工況下工作時，要求汽油機輸出最大功率，此時，化油器應供給最大功率混合氣。當過量空氣系數(shù) at <0.850.95時， 稱為過濃混合氣。此時由于火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停β蕼p少；且由于缺氧，燃燒不完全，使熱效率降低，耗油率增加。發(fā)動機怠速或低負荷運轉時，節(jié)氣門開度小，進入氣缸的新鮮混合氣量少，殘余廢氣相對較多，可能引起斷火現(xiàn)象。為維持發(fā)動機穩(wěn)定運轉，通常供給比大功率混合氣更濃的混合氣。一般 at =0.6左 右。如果發(fā)動機中等負荷下也供給過濃混合氣，由于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?，燃燒速度減慢，混合氣在大容積下燃燒，發(fā)動機易過熱，排氣溫度增高。高溫廢氣中未完全燃燒的成分在排氣管

6、口與空氣相遇，劇烈氧化，形成排氣管放炮現(xiàn)象。當 at =0.40.5時，由于嚴重缺氧，火焰不能傳播，混合氣不能燃燒。因此， at =0.40.5的混 合氣成分稱為火餡傳播上限。當過量空氣系數(shù) at =1.051.15時，火焰?zhèn)鞑ニ俣热暂^高，且此時空氣相對充足，燃油能完全燃燒，所以熱效率最高，有效耗油率最低。此濃度混合氣體稱為最經濟混合氣。汽車行駛的大多數(shù)情況是處于中等負荷工況工作，為減少燃油消耗，化油器應供給最經濟混合氣成分。當過量空氣系數(shù) at >1.051.15時，稱為過稀混合氣。此時火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档秃芏?，燃燒緩慢，使燃燒過程進行到排氣行程終了。補燃增多，使發(fā)動機功率下降，油耗增多。

7、由于燃燒過程的時間延長，在排氣行程終了時進氣門已開啟，含氧過剩的高溫廢氣可以點燃進氣管內新氣，造成化油器放炮。當 at =1.31.4時，由于燃燒熱值過低，混合氣不能傳播，造成缺火或停車現(xiàn)象，此時混合氣濃度為火焰?zhèn)鞑サ南孪?。由此可見，為保證發(fā)動機燃燒質量，有利的混合氣成分一般在 at =0.851.2范圍內。 當使用功率混合氣時，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，從火焰中心形成到火焰?zhèn)鞑サ侥┒嘶旌蠚獾幕鹧鎮(zhèn)鞑r間縮短，使爆燃傾向減小，同時缸內壓力、溫度較高，壓力升高率較大，使從火焰中心形成到末端混合氣自燃發(fā)火的準備時間也縮短，又使爆燃傾向增大，實踐證明，后者是影響的主要方面。因此，在各種混合氣成分中，以供給最

8、大功率混合氣時最易爆燃。如汽車滿載爬坡時容易爆燃三、點火提前角點火提前角大小對汽油機燃燒性能也有很大影響。圖5-10為氣門全開、額定轉速下混合氣成分不變時，改變點火提前角燃燒示功圖的變化由（a）圖可見,曲線l的示功圖點火提前角為ig1。相比之下，ig1過大(點火過早),使經過著火落后期后，最高燃燒壓力出現(xiàn)在壓縮行程的上止點以前。最高壓力及壓力升高率過大，活塞上行時消耗的壓縮功增加、發(fā)動機容易過熱，有效功率下降，工作粗暴程度增加。同時由于混合氣體的壓力、溫度過高，爆燃傾向增加。在這種情況下，只要適當減小點火提前角，就可以消除爆燃。曲線2的示功圖對應的點火提前角過小于ig2（點火過遲）。經過著火落

9、后期后，燃燒開始時，活塞已向下止點移動相當距離，使混合氣燃燒在較大容積下進行，熾熱的燃氣與缸壁接觸面積大，散熱損失增多。最高壓力降低，且膨脹不充分，使排氣溫度過高，發(fā)動機過熱，功率下降，耗油量增多。曲線3的示功圖對應的點火提前角ig3比較適當。因而，壓力升高率不是過高，最高壓力出現(xiàn)在上止點后合適的角度內。從（b）圖的比較可以看出，示功圖1比示功圖3多做了一部分壓縮功又減少了一部分膨脹功。示功圖2的膨脹線雖然比示功圖3的高些，但最高壓力點低，只有示功圖3的面積最大，完成的循環(huán)最多，發(fā)動機的動力性、經濟性最好。綜上所述，過大過小的點火提前角都不好。只有選擇合適的點火提前角才能得到合適的最高壓力及壓

10、力升高率，使最高壓力出現(xiàn)在上止點后12°15°曲軸轉角內，保證發(fā)動機運轉平穩(wěn)、功率大、油耗低。這種點火提前角稱為最佳點火提前角。使用中，隨發(fā)動機工況的變化最佳點火提前角相應改變。因此，必須隨使用情況及時調整點火提前角。現(xiàn)在所使用的真空和離心提前調節(jié)裝置是有效的調節(jié)裝置。四、發(fā)動機轉速在汽油機一定的油門開度下，隨負荷的變化，轉速相應變化。轉速增加時，氣缸中紊流增強，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌臁Ｒ蚨?，隨轉速增加，壓縮過程所用時間縮短，散熱及漏氣損失減少，壓縮終了工質的溫度和壓力較高，使以曲軸轉角計的著火落后期增長。為此，汽油機裝有離心提前調節(jié)裝置，使得在轉速增加時，自動增大點火提前角，以

11、保證燃燒過程在上止點附近完成。 隨轉速增加，爆燃傾向減小。主要是轉速的增加加快了火焰?zhèn)鞑ィ谷紵^程占用的時間縮短，未燃混合氣受巳燃部分壓縮和熱輻射作用減弱，不容易形成自燃點；轉速增加，循環(huán)充量系數(shù)（循環(huán)充量是指發(fā)動機在每一個循環(huán)的進氣過程中，實際進入氣缸的新鮮氣體（空氣或可燃混合氣）的質量。）下降，殘余廢氣相對增多，終燃混合氣溫度較低，對未燃部分的自燃起阻礙作用，因此，使用中若低速時發(fā)生爆燃，待轉速提高后爆燃傾向可自行消失。五、發(fā)動機負荷轉速一定時，隨負荷減小，進入氣缸的新鮮混合氣量減少，而殘余廢氣量基本不變，使殘余廢氣所占比例相對增加，殘余廢氣對燃燒反應起阻礙作用，使燃燒速度減慢。為保證燃

12、燒過程在上止點附近完成，需增大點火提前角，它靠真空提前點火裝置來調節(jié)。圖5-12為發(fā)動機不同節(jié)氣門開度時的示功圖。 低負荷時，爆燃傾向減小，主要是負荷低時，進氣量少，殘余廢氣相對較多，燃燒最高溫度和壓力下降，阻止自燃產生。綜上所述，發(fā)動機在高轉速、低負荷時，應增大點火提前角，據(jù)統(tǒng)計，如果點火提前角偏離最佳值5°，熱效率將下降l%，偏離最佳值10°，熱效率將下降5%，偏離最佳值20°，熱效率下降16%。傳統(tǒng)的真空和離心提前調節(jié)裝置只能隨負荷和轉速兩個影響因素的變化對點火提前角作近似控制，不能實現(xiàn)點火提前角隨多參數(shù)的變化（如壓力、溫度、濕度、空燃比、燃料辛烷值，殘余廢

13、氣量等）的精確控制。近年來發(fā)展了微處理機控制的點火系統(tǒng)，如無分電器點火系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，點火提前角的設置和隨工況變化的自動調整，初級線圈的通斷，都是由微處理機控制的。它可根據(jù)點火提前角隨工況變化的規(guī)律（已事先存人機內）確定每一工況下的最佳點火時刻，實現(xiàn)精確控制。 發(fā)動機低轉速大負荷時易爆燃。在進行發(fā)動機點火提前角調整時可采用下述步驟，發(fā)動機怠速運轉狀態(tài)下，突然將油門開至最大，發(fā)動機自由加速，若能聽到輕微的爆燃聲，則點火提前角調整合適。隨著電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了微處理機控制的防爆控制系統(tǒng)。它可以根據(jù)爆燃信號自動調整點火提前角，使爆燃限制在很輕微的限度之內。使用不同牌號汽油時省去調整點火系、供油系的

14、麻煩，汽油機的壓縮比可適當提高，同時使熱效率提高。經驗表明，采用爆燃控制系統(tǒng)，除提高汽油機壓縮比外，可使節(jié)油率達6%以上。六、冷卻水溫度發(fā)動機冷卻水溫度應控制在80°90°范圍內。水溫過高、過低均影響混合氣的燃燒和發(fā)動機的正常使用，冷卻水溫不同時的示功圖如圖5-13所示。 冷卻水溫度過高時，會使燃燒室壁過熱，爆燃及表面點火傾向增加。同時，進入氣缸的混合氣因溫度升高，密度下降，充量減少，使發(fā)動機機動性、經濟性下降。所以，在使用維護中，應注意及時清除水道內的水垢，使水流通暢；注意利用百葉窗調整發(fā)動機冷卻水溫度；經常檢查水溫表、節(jié)溫器等裝置，使其工作正常。 冷卻水溫度過低時,傳給

15、冷卻水熱量增多，發(fā)動機熱效率降低，功率下降，耗油率增加；潤滑油粘度增大，流動性差，潤滑效果變差，摩擦損失及機件磨損加劇；容易使燃燒中的酸根和水蒸氣結合成酸類物質，使氣缸腐蝕磨損增加；燃燒不良易形成積炭；不完全燃燒現(xiàn)象嚴重，使排放污染增大。因此，使用中應注意控制好冷卻水溫，水溫不能太低?？梢岳脺囟葌鞲衅鲗崿F(xiàn)對溫度的數(shù)據(jù)采集，然后把溫度信號轉變?yōu)殡妷耗M信號,信號通過運算放大器、保持器和A/D轉換器將模擬量變?yōu)閿?shù)字量送入單片機進行處理，處理完成后根據(jù)情況采用反饋電路對溫度進行調節(jié)！其硬件電路如圖：顯示譯碼器MCS51 單片機看門狗 A/D轉換器MC14433放大/濾波驅動報警器復位水溫傳感器感器

16、參數(shù)存儲鍵盤發(fā)動機圖1 硬件框圖七、燃燒室積炭發(fā)動機工作過程中，由于燃燒不完全的燃油和竄入燃燒室的機油及外部其它雜質在氧氣和高溫作用下，凝聚在燃燒室壁面及活塞頂部，形成積炭，其厚度可達幾毫米。積炭不宜傳熱，溫度較高，在進氣、壓縮過程中不斷加熱混合氣，使溫度升高很快；積炭本身有體積，減小了燃燒室的容積，因而提高了壓縮比，相對增加了激冷面積，增加了碳氫化合物的排放量。這種現(xiàn)象在發(fā)動機冷啟動、怠速和暖機時對于碳氫化合物的排放量影響較大。同時壓縮比的升高，使得最高燃燒溫度增加，氮氧化物的排放量增加。這些都促使爆燃傾向增加。積炭表面溫度很高，形成熾熱表面或熾熱點，易引起表面點火！積炭的物質類型如圖：積炭

17、中各種元素的質量百分比從圖中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：金屬元素中鈣鐵的含量較高，其中鐵元素主要來自于機械磨損的鐵屑和潤滑油氧化產生的酸性產物以及硫酸等無機酸對于缸體的腐蝕；而鈣元素主要來自于潤滑油添加劑。另外，通過對積炭進行紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)：積炭中存在雙官能團以及大量的極性集團，因此積炭為極性化合物。正因為如此，當汽車發(fā)動機中形成積炭之后，積炭的形成速度與未形成積炭時相比會增加許多。目前比較常見的積炭的清除方式分為三種：藥水清除積炭、燃油添加劑及解體清除。其中最為普遍且對發(fā)動機損傷較小的即為藥水清除方法。八、壓縮比提高壓縮比，可提高壓縮行程終了時工質的溫度、壓力，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣取＿x擇合適的點火提前角，

18、可使燃燒在更小的容積下進行，使燃燒終了的溫度、壓力提高。且燃氣膨脹充分，熱轉變?yōu)楣ψ疃?，熱效率提高，發(fā)動機功率、扭矩大，有效耗油率降低。 但是,提高壓縮比，會增加未燃混合氣自燃的傾向，容易產生爆燃。為此，要求改善燃燒室的設計，并提高汽油的辛烷值。隨著燃燒室設計的改善和汽油辛烷值的提高，國內載貨汽車壓縮比約為6.57.5;轎車為7.58.5。國外載貨汽車壓縮比約為79;轎車為510左右。如果壓縮比超過10以上，熱效率提高程度減慢，機件的機械負荷過大，排放污染嚴重。因此，應注意選用合適的壓縮比。九、氣缸直輕氣缸直徑增大，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長，從火焰中心形成到火焰?zhèn)鞑ブ聊┒嘶旌蠚獾臅r間增長； 直徑加大，面

19、容比減小，傳給冷卻水的熱量減小，從火焰中心形成到未端混合氣自行發(fā)火的準備時間縮短。因而隨氣缸直徑加大，爆燃傾向增加，所以無大缸徑的汽油機，通常汽油機直徑在 100毫米以下。此外，適當布置火花塞位置或采用多火花塞，可以縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，減少爆燃傾向。十、氣缸蓋和活塞材料鋁合金比鑄鐵導熱性好，氣缸蓋、活塞采用鋁合金材料，可使燃燒窒表面溫度降低，熱負荷 明顯減少，減小爆燃傾向；因此，宜于采用高壓縮比來提高發(fā)動機動力性、經濟性。十一、汽油機燃燒方式的發(fā)展近年來，為降低油耗，減小排放污染，汽油機采用了快燃、稀燃及分層燃燒技術。 （一）汽油機快燃技術 快燃的目是加快氣缸內均勻混合氣的燃燒速率，縮短燃燒時間

20、，減少爆燃傾向，使發(fā)動機可以選用高的壓縮比，提高發(fā)動機熱效率。 （二）汽油機稀燃技術 稀燃指燃燒很稀的混合氣，其空燃比一般在20比1以上，采用稀燃技術，由于氧氣充足，燃油易于完全燃燒?？梢越档陀秃?、減少排放污染。同時燃燒壓力、溫度較低，可采用較高的壓縮比。但燃用稀混合氣會降低火焰?zhèn)鞑ニ俣龋仨毰浜峡烊技夹g。（三）汽油機的分層燃燒 分層燃燒的實質是采用稀薄的不均勻混合氣，由外源點燃的燃燒方式。特點是在點火時，燃燒室內各部位混合氣的空燃比明顯不同。火花塞周圍局部具有良好著火條件的較濃的可燃混合氣，其空燃比在1213.4左右，而在燃燒室的大部分地區(qū)具有較稀的混合氣，在二者之間，為有利于火焰?zhèn)鞑?，混?/p>

21、氣濃度從火花塞開始由濃到稀逐漸過渡，但氣缸內混合氣的總空燃比，卻相當于過稀混合氣，所以分層充氣汽油機也可以稱為稀燃汽油機。 （四）汽油噴射系統(tǒng)的優(yōu)點 汽油噴射分汽油直接噴入燃燒室的直接噴射和由進氣管噴入氣道的低壓進氣噴射。與化油器式混合氣形成方式比，汽油噴射系統(tǒng)可實現(xiàn)準確供應燃油，容易解決各缸燃料均勻分配問題，減少各缸燃燒差異，有利于壓縮比的提高，節(jié)省燃油，改善燃料霧化質量，有利于低溫起動。在汽油機運行時，各工況對混合比的要求是不同的。例如:汽油機在各種轉速下全負荷運行時，節(jié)氣門全開，化油器應提供適當加濃的功率混合氣?？杖急?=1214；當汽油機按中等負荷運行即節(jié)氣門部分開度時，應有最好的經濟性，空燃比 =17左右；當汽油機怠速運轉時，節(jié)氣門接近全關，為保證穩(wěn)定運轉，需供給更濃的混合氣，空燃比 =1012.4。理想化油器應是能全面滿足上述各工況混合比特性要求的化油器。理想化油器特性理想化油器特性在滿足最佳性能要求的前提下，混合氣成分隨負荷（或充氣流量）的變化關系如圖5-14所示。 由圖可知，隨負荷增加，混合氣逐漸變稀，小負荷范圍內變化較陡，中等負