內燃機 第四章

第四章汽油機的燃燒過程及排放控制*/2第四章汽油機的燃燒過程及排放控制

正常燃燒過程不正常燃燒汽油機的排氣凈化汽油機的燃燒室一、汽油機的燃燒過程研究方法：測取燃燒過程的示功圖。根據壓力變化的特點，分為三個階段：著火延遲期（滯燃期）、急燃期、后燃期。1.著火延遲期(滯燃期)τi：1-2從電火花跳火形成火焰中心。1點以前為壓縮過程,缸內壓力升高不大。1—火花塞跳火。2—缸內壓力脫離壓縮線開始急驟增高。點火提前角

—1點上止點的曲軸轉角。一、汽油機的燃燒過程影響滯燃期的因素：燃料本身的分子結構和物理化學性能。開始點火時氣缸內氣體的壓力、溫度。它與壓縮比有關，壓縮比高，滯燃期短。過量空氣系數。試驗表明，過量空氣系數在0.8~0.9時滯燃期最短。殘余廢氣量增加，滯燃期增加。氣缸內混合氣運動強，則滯燃期稍有增加。點火能量大，滯燃期縮短。一、汽油機的燃燒過程2.急燃期(明顯燃燒期，火焰?zhèn)鞑テ?：2-3火焰由火焰中心燒遍整個燃燒室的階段壓力升高很快，壓力升高率dp/dφ，代表發(fā)動機工作粗暴的程度、振動和噪聲水平火焰?zhèn)鞑ニ俾矢叩目扇蓟旌蠚饽艽偈筪p/dφ增加，火花塞位置、燃燒室型式對壓力升高率也有影響急燃期終點一般為最高壓力點3，一般使3點出現在上止點后12~15oCA一、汽油機的燃燒過程3.后燃期（補燃期）急燃期終點3至燃料基本上完全燃燒點4為止急燃期中沒有完全燃燒掉的燃料以及附在氣缸壁面上的混合氣層繼續(xù)燃燒。汽油機燃燒產物中CO2和H2O的離解現象比柴油機嚴重，在膨脹過程中溫度下降后又部分復合而放出熱量，一般也作后燃看待一、汽油機的燃燒過程二、燃燒速度定義：單位時間燃燒的混合氣量，表示為：意義：影響急燃期長短及其相對曲軸轉角的位置?！慈蓟旌蠚饷芏龋?/p>

—火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/p>

—火焰前鋒面積。燃燒速度的影響因素1）火焰?zhèn)鞑ニ俣葀T：火焰前鋒相對于未燃混合氣推進的速度。A、燃燒室中氣體紊流運動;

紊流運動強，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾佣?、燃燒速度B、混合氣成分：較濃時（過量空氣系數0.8~0.9），火焰?zhèn)鞑ニ俾首畲?；低于和高于此值，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆担瑹嵝屎凸β示档?。過稀時，α>1.3~1.4時，火焰難以傳播（火焰?zhèn)鞑ハ孪蓿?；過濃時，α<0.4~0.5，火焰也不能傳播（火焰?zhèn)鞑ド舷蓿?。一般：可靠工作?.5~1.3。C、混合氣初始溫度高，火焰速度增加。

2）火焰前鋒面積AT

利用燃燒室?guī)缀涡螤罴捌渑c火花塞位置的配合，可以改變不同時期火焰前鋒掃過的面積，以調整燃燒速度。二、燃燒速度3）可燃混合氣密度增大未燃混合氣密度，可以提高燃燒速度，因此增大壓縮比和進氣壓力等，均可加大燃燒速度。三、使用因素對燃燒的影響1.混合氣濃度α=0.8-0.9時,由于燃燒溫度最高，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，壓力升高率大，動力性好，但爆燃傾向增大（功率混合氣）α=1.03-1.1時，由于燃燒完全，經濟性最好，但溫度高和富氧，NOx上升（經濟混合氣）α<1時,燃燒不完全，CO排放量增大α<0.8和α>1.2時火焰速度慢，部分燃料可能來不及燃燒，經濟性差，HC排量增大

點火提前角過小，燃燒延長到膨脹過程，最高壓力和溫度下降，傳熱損失增大，熱效率下降，但爆燃傾向降低，NOx降低。2.點火提前角點火提前角過大，大部分可燃混合氣在壓縮過程燃燒，消耗的壓縮功增大，且最高壓力升高。三、使用因素對燃燒的影響三、使用因素對燃燒的影響3.轉速轉速增加，氣缸中紊流增強,火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?，以秒計燃燒過程縮短，但由于循環(huán)時間亦縮短，燃燒過程相當的曲軸轉角增加，應增大點火提前角4.負荷

負荷

節(jié)氣門開度

進入氣缸的混合氣殘余廢氣量基本不變廢氣的比例相對混合氣稀釋程度火焰速度，著火延遲增大點火提前角四、汽油機的不規(guī)則燃燒汽油機的不規(guī)則燃燒是指在穩(wěn)定正常運轉情況下，各循環(huán)之間的循環(huán)變動和各缸之間的燃燒差異。a）b）1.燃燒的循環(huán)變動1.燃燒的循環(huán)變動產生原因：氣流狀態(tài)、速度變動，空燃比變動等造成著火時間變動。后果：油耗上升，功率下降，不正常燃燒傾向增加。采取措施：1）加大點火能量，采用多點點火；2）組織進氣渦流，加強進氣運動；3）采用理論空燃比或較濃混合氣。循環(huán)變動系數：四、汽油機的不規(guī)則燃燒2.各缸間的燃燒差異四、汽油機的不規(guī)則燃燒產生原因：進入各缸的混合氣的濃度和數量不同。影響因素：進氣系統(tǒng)設計及安裝位置，造成不一樣的阻力情況；后果：1）動力性、經濟性下降；2）個別氣缸壽命縮短；3）低速、低負荷時，工作不穩(wěn)定，增加排放。四、汽油機的不規(guī)則燃燒五、燃燒室壁面的熄火作用燃燒室壁面的熄火作用：壁面的冷卻作用使火焰溫度降低而造成熄火，中斷火焰?zhèn)鞑?；是未燃HC排放的主要來源之一；影響因素理論混合氣附近，熄火厚度最??；負荷減小，熄火厚度增加；溫度、壓力提高，紊流加強，熄火厚度減小。*/19第四章汽油機的燃燒過程及排放控制正常燃燒過程

不正常燃燒汽油機的排氣凈化汽油機的燃燒室一、爆震燃燒正常燃燒：有明顯的火焰前鋒，且逐層向外傳播，直至燃燒完畢爆燃產生機理：火焰前鋒未到，未燃混合氣的溫度達到其自燃溫度而著火燃燒，形成新的火焰中心，產生新的火焰?zhèn)鞑ァ］p微爆燃—100~300[m/s]；強烈爆燃—800~1000[m/s]一、爆震燃燒發(fā)生條件：燃料性質：辛烷值高，抗爆能力強。末端混合氣的壓力和溫度：高，爆燃傾向增大?；鹧媲颁h傳播到末端混合氣的時間：短，有利于避免爆燃。焰前反應的程度，程度大，放熱多，爆燃傾向大特征：發(fā)出金屬振音（敲缸）輕微爆震時，功率略有增加；強烈爆震時，功率下降，工作不穩(wěn)定，轉速下降，機體有較大的震動冷卻系統(tǒng)過熱，冷卻水，潤滑油溫度均上升一、爆震燃燒爆燃造成的危害（1）輸出功率降低、比油耗升高壓力脈沖使發(fā)動機產生高頻振動，破壞壁面層流邊界層傳熱量增加，冷卻損失增加（2）氣缸過熱高溫導致氣缸蓋、活塞發(fā)生局部金屬變軟、熔化或燒損局部溫度,出現高溫分解,生成CO,H2,O2,NO等，嚴重時析出游離炭粒。（3）零件的機械負荷增加壓力升高率和最大爆發(fā)壓力（4）磨損加劇

一、爆震燃燒二、爆震的影響因素t1：火焰中心形成到正?；鹧?zhèn)鞑サ侥┒嘶旌蠚馑钑r間t2：火焰中心形成到末端混合氣自燃所需時間若t1

<t2

，爆震不發(fā)生；若t1

>t2

，爆震發(fā)生使t1減小，t2增加的因素，減輕爆震傾向1.運轉因素的影響點火提前角點火提前角，t2↓，爆震傾向1~6：點火提前角10~60oCA二、爆震的影響因素轉速

轉速→火焰?zhèn)鞑ニ俣取鷗1↓轉速→末端混合氣溫度↓→t2負荷轉速一定，負荷↓→充量系數↓→殘余廢氣系數→t2→爆震傾向↓混合氣濃度α=0.8-0.9時，由于燃燒溫度最高，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，壓力升高率大，動力性好，但爆燃傾向增大燃燒室沉積物燃燒室內壁的高溫積碳作為熱源加熱末端混合氣→爆震傾向爆震傾向↓二、爆震的影響因素2.結構因素的影響氣缸直徑

氣缸直徑→火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x→t1氣缸直徑→燃燒室冷卻面積與容積比↓→t2↓火花塞位置火花塞位置影響火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，從而影響末端混合氣的溫度燃燒室結構燃燒室形狀→氣流運動→紊流強度→火焰?zhèn)鞑ニ俣热紵倚螤睢鹧鎮(zhèn)鞑ゾ嚯x燃燒室形狀→散熱量→末端混合氣量和溫度氣缸蓋和活塞的材料輕合金因導熱性好優(yōu)于鑄鐵爆震傾向二、爆震的影響因素3.預防爆燃發(fā)生常用措施：推遲點火

縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x末端混合氣體冷卻增加氣流運動，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，冷卻排氣門三、表面點火在火花點火式發(fā)動機中,凡是不依靠電火花點火,而是由于熾熱表面（如過熱的絕緣體電極、排氣門,尤其是燃燒室表面熾熱的沉積物）點燃混合氣的不正常燃燒現象。（1）后火（后燃）在火花塞點燃混合氣以后,熾熱表面才點燃混合氣的現象；對發(fā)動機影響不大（2）早火（早燃）發(fā)生在火花塞點火以前；壓力升高率比正常值高5倍，最高燃燒壓力比正常值高l50%1-早火；2-正常點火；3-后火；4-倒拖三、表面點火爆燃和表面點火的比較：爆燃時火焰以沖擊的速度傳播，有尖銳的敲缸聲，表面點火時火焰?zhèn)鞑ニ俣日?，敲缸聲比較沉悶。爆燃促使以后循環(huán)的熾熱表面易點火，而表面點火亦促使循環(huán)的爆燃傾向增加。*/31第四章汽油機的燃燒過程及排放控制正常燃燒過程不正常燃燒

汽油機的排氣凈化汽油機的燃燒室污染物的評定指標排放物體積分數和質量濃度單位排氣體積中排放污染物的體積，稱為排放物的體積分數，通常以％和10-6（百萬分比）表示，質量濃度常用mg／m3等計量。質量排放量在環(huán)境保護實踐中，要求對污染物進行總量控制。因此，作為污染源的內燃機或裝內燃機的車輛，要確定運轉單位時間、按某標準進行一次測試或車輛按規(guī)定的工況組合行駛后折算到單位里程的污染物排放置。質量排放量用g/h、g／測試或g/km等單位表示。比排放量內燃機每作單位功所排放的污染物質量，用g／（kW·h）作單位表示，當然可以更客觀地評價內燃機的排放性能。這個指標與燃油消耗率類似，也可以稱為污染物排放率。汽油機排放污染物及其危害（1）一氧化碳CO—種無色無味的氣體，與血液中輸送氧的載體血紅蛋白的親和力是氧的300倍。CO與血紅蛋白結合生成碳基血紅蛋白，就剝奪了血紅蛋白對人體組織的供氧能力。空氣中CO的體積分數超過0.1％時．就會導致人體中毒；超過0.3％時，則可在30min內使人致命。（2）碳氫化合物HC:

包括未燃和未完全燃燒的燃料、潤滑油及其裂解和部分氧化產物。如烷烴、烯烴、芳香烴、醛、酮、酸等數百種成分。烷烴基本上無味，對人體健康不產生直接影響。烯烴略帶甜味，有麻醉作用，對粘膜有刺激，經代謝轉化會變成對基因有毒的氧化衍生物。烯烴是與氮氧化物一起在太陽光的紫外線作用下形成有毒的“光化煙霧”的罪魁禍首之一。芳香烴對血液和神經系統(tǒng)有害，特別是多環(huán)芳香烴（PAH）及其衍生物有致癌作用。醛類是刺激性物質，對眼、呼吸道、血液有毒害。汽油機排放污染物及其危害（3）氮氧化物NOxNOx中絕大部分是NO，少量是NO2

；NO是無色氣體，本身毒性不大，在大氣中緩慢氧化成NO2，NO2呈褐色，有強烈的刺激味；和一氧化碳相似，氮的氧化物也趨向于存在血液中，與肺中的水氣結合而形成稀硝酸，長時間后果將日趨嚴重（咳嗽、氣喘、肺氣腫）；NOx是形成光化煙霧的主要因素之一；汽油機排放污染物及其危害1.NO的生成機理：內燃機排出的NOx主要是NO，約占90%，NO2占5~10%靠大氣中氮生成NO的化學機理是擴展的Zeldovitch機理。在汽油機均質混合氣燃燒有關NO主要反應為最后一個反應主要發(fā)生在非常濃的混合氣中。一、有害排放物生成機理NO生成條件：高溫、富氧、高溫持續(xù)時間控制NO排放的原則：減小混合氣中的O2（或N2）的含量降低燃燒溫度縮短高溫燃燒滯留的時間2.CO的生成機理α<1時，CO排放很高，且隨α減小增加α>1時，CO排放量很少一、有害排放物生成機理3.HC的生成機理缸內壁面淬冷效應燃燒室壁面對火焰的迅速冷卻使火焰前鋒面的溫度降到自燃溫度以下，燃燒反應鏈中斷，使化學反應緩慢或停止。縫隙效應汽油機燃燒室中各種狹窄縫隙如活塞、活塞環(huán)與氣缸壁之間，火花塞周圍等地方，生成的HC占總量的50～70%。積碳和壁面油膜的吸附效應在進氣和壓縮行程，氣缸套壁面和活塞頂上的潤滑油膜會吸附未燃混合氣，在燃燒末期油膜會蒸發(fā)，但燃燒不完全，造成HC排放增加。一、有害排放物生成機理3.HC的生成機理不完全燃燒局部混合氣過濃，局部缺氧局部混合氣過稀，溫度過低失火失火條件：局部混合氣過濃或過稀，超過著火界限；點火時刻不當；點火系故障一、有害排放物生成機理二、影響汽油機有害排放物生成的因素1.混合氣濃度對NOx的影響過量空氣系數，NOx先增后減NOx排放峰值出現在α

＝1.03~1.1范圍內的經濟混合氣中α小于此范圍時，氧濃度低，抑止了NOx的生成α大于此范圍時，燃燒溫度降低起主導作用二、影響汽油機有害排放物生成的因素對HC和CO的影響α<1時，α提高HC和CO排放迅速降低達到理論混合氣后，HC和CO隨α變化不大二、影響汽油機有害排放物生成的因素2.點火提前角推遲點火、降低最高燃燒溫度并縮短已燃氣體停留在高溫中的時間，可減少NOx排放推遲點火、提高排溫，也有利于HC的后期氧化，但有損于發(fā)動機燃油耗率和比功率點火提前角對CO排放沒有明顯影響二、影響汽油機有害排放物生成的因素3.轉速轉速增加，紊流增強，燃燒速度加快，所用時間縮短，NOx降低低速區(qū)，轉速增加，CO和HC降低；轉速過高，HC和CO排放反而升高4.負荷在中小負荷區(qū)，負荷增加，燃燒溫度提高，HC和CO排放降低，NOx排放升高接近全負荷時，混合氣加濃，含氧量減小，HC和CO排放升高，NOx排放降低三、汽油機排放控制技術對燃燒排出的有害物，在排氣系統(tǒng)進行后處理通過改進燃燒過程來降低排放的機內處理對曲軸箱竄氣和燃油蒸發(fā)氣體等的前處理三、汽油機排放控制技術1.排氣后處理——三元催化轉換器能同時凈化NOx、CO、HC3種有害氣體排放，是汽油機排氣廢氣后處理種最有效的方法為了同時處理這3種氣體，必須保證NOx還原所需的CO、HC等還原性氣體和為保證CO、HC氧化反應所需的O2。允許的空燃比范圍非常窄，接近理論空燃比。氧化反應：還原反應：三、汽油機排放控制技術三、汽油機排放控制技術載體材料：蜂窩狀陶瓷（MgO2/AL2O3/SiO2）催化劑：Pt：Rh=2~17；Pt促進HC和CO氧化；Rh促進NOx冷機狀態(tài)下采取的措施：提高催化劑的低溫活化性，改善低溫凈化效果采取兩級催化轉化器采用低熱容量或電加熱的催化轉化器熱機狀態(tài)下提高凈化能力措施合理選用催化劑采用高密度的蜂窩催化劑載體實現最佳空燃比控制*/48第四章汽油機的燃燒過程及排放控制正常燃燒過程不正常燃燒汽油機的排氣凈化汽油機的燃燒室一、燃燒室的設計要點及要求1.壓縮比縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x利用適當強度的紊流，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣入x火花塞較遠的區(qū)域設置冷卻面積，降低可燃混合氣溫度燃燒室內應減少易受高溫影響而產生熱點和表面沉積物的因素2.燃燒室的面容比（F/V）F/V大，燃燒室結構不緊湊，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長，容易爆震3.燃燒室形狀影響氣流運動，影響混合氣濃度分布滿足快速燃燒的要求適用于布置較大直徑氣門及多氣門一、燃燒室的設計要點及要求4.火花塞位置應靠近排氣門，使受灼熱表面加熱的混合氣及早燃燒間隙處的殘余廢氣能充分排出，使混合氣容易著火5.燃燒室內的氣體流動適當強度紊流的好處加快火焰?zhèn)鞑ニ俣葦U大混合氣體的著火界限，可以燃燒更稀的混合氣減少燃燒的循環(huán)變動率降低HC排放一、燃燒室的設計要點及要求進氣渦流利用進氣口和進氣道的形狀在進氣過程中造成氣流繞氣缸中心線的旋轉運動，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提高燃燒速率；進氣阻力增加，充氣效率下降，在低速低負荷時難以獲得良好的進氣渦流。故只依靠進氣渦流的燃燒室非常少，通常配合組織進氣擠流。一、燃燒室的設計要點及要求壓縮擠流當活塞接近壓縮行程終點時，利用其頂部和缸蓋底面之間的狹小間隙(稱擠氣間隙）將混合氣擠入燃燒室中央而產生；最大速度出現在壓縮行程上止點前，加快了明顯期內的火焰?zhèn)鞑?，使燃燒迅速；離火花塞最遠的邊緣氣體因受兩個冷表面的影響，容易散熱，對抗爆性有利；不會引起充量系數下降，且可在節(jié)氣門開度小時獲得良好的紊流效果。二、典型燃燒室半球形燃燒室：形狀大致呈半球形或蓬形，結構緊湊，面容比最小，火花塞布置于燃燒室中央，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x最短；楔型燃燒室：火花塞在楔形高側的進排氣門之間，可在火花塞附近形成較強的氣流，保證低速低負荷性能良好。結構緊湊，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短，擠氣面積較大，對末端混合氣冷卻作用較強，使爆燃傾向減小。但同時由于擠氣面積內的熄火區(qū)增大，HC排放量較多。碗形燃燒室：布置在活塞中的一個回轉體。采用平底氣缸蓋，工藝性好。燃燒室全部機械加工而成，有精確的形狀和容積，燃燒室表面光滑、緊湊、擠流效