当前课程知识点：汽车发动机原理 > 第八章：汽油机的混合气形成与燃烧过程 > 8.2 汽油机的不正常燃烧：爆燃和表面点火 > Video
同学们好
这节课我们学习
汽油机的不正常燃烧
也就是爆燃和表面点火
两种现象
汽油机正常燃烧的特征是
火花点火引燃周围混合气
并以火核为中心
进行火焰有序传播
但如果设计或控制不当
汽油机会出现一些
异常燃烧现象
汽油的异常燃烧现象可分为
不正常燃烧和不规则燃烧两种
不正常燃烧主要包括
爆燃和表面点火
不规则燃烧主要包括
循环波动和各缸工作不均匀性
这一节我们重点讨论
爆燃和表面点火
两种不正常燃烧现象
爆燃也称爆震
是汽油机常见的
一种不正常燃烧
通常在低速大负荷工况下出现
如图所示
爆燃发生时
缸内压力曲线出现
高频大幅度震荡
也就出现锯齿波现象
同时发动机会产生一种
高频金属敲击声
因此爆燃也称为敲缸
英文用knocking表示
汽油机爆燃时
一般出现以下外部特征
(1) 发出频率为3000~7000Hz的
金属敲击声
(2) 强烈爆燃时
功率会下降
转速也会下降
工作不稳定
机体有较大振动
(3) 冷却系统过热
气缸盖温度
冷却水温度和润滑油温度
均明显上升
(4) 爆燃严重时
甚至冒黑烟
关于爆燃的机理
主流观点认为
火花塞点火后
火焰前锋面呈球面波形
以30～70m/s的速度向周围传播
缸内压力和温度急剧升高
燃烧产生的压力波
以音速向周围传播
在火焰前锋面之前
到达燃烧室边缘区域
在该区域的可燃混合气
也就是末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
如果这一反应很快
则会使末端混合气
在火焰锋面到达之前
以低温多阶段方式开始自燃
汽油机末端混合气自燃着火方式
类似于柴油机的压燃模式
即在较大面积上多点同时着火
因而放热速率极快
使局部区域的温度和压力陡增
这种阶跃性的压力扰动
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
就是敲缸声
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
轻微爆燃时
火焰传播速度可达到
100～300m/s
强烈爆燃时
火焰传播速度甚至可以高达
800～1000m/s
汽油机爆燃的机理
已经在许多试验研究中得到验证
用高速摄影比如纹影或阴影方法
可以清晰地观察到
发生在气缸壁面附近的
自燃着火区域
如图所示
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等物质
爆燃的危害主要体现在以下几方面
(1) 热负荷及散热损失增加
爆燃发生时
剧烈放热使缸内温度明显升高
加之压力波的反复冲击
破坏了燃烧室壁面的
层流边界层和油膜
从而使燃气与燃烧室壁面之间的
传热速率大大增加
散热损失增加
气缸盖及活塞顶部等处的
热负荷上升
甚至造成铝合金活塞表面
发生烧损及熔化现象
如图所示
(2) 机械负荷增大
爆燃发生时
最高燃烧压力和压力升高率
都急剧增高
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
爆燃发生时
缸内散热损失增加
循环效率下降
导致功率和燃油消耗率恶化
(4) 磨损加剧
爆燃时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
严重时析出炭粒
排气产生黑烟
燃烧室壁面形成积炭
导致表面点火
有可能加剧爆燃
从以上汽油机爆燃现象和机理
可以看出
汽油机爆燃与柴油机粗暴燃烧
有本质的不同
如图所示
汽油机爆燃产生的锯齿波
是出现在燃烧后期
因末端混合气自燃引起
而柴油机粗暴燃烧引起的压力陡升
是出现在燃烧初期
因滞燃期形成的预混合气
同时着火引起
汽油机爆燃是一种
不正常燃烧现象
而柴油机粗暴燃烧
是柴油机压燃模式本质的表现
只是当压力升高率
超过一定限值
才会产生强烈的噪声和敲缸声
对发动机造成损害
总之
爆燃会给汽油机带来极大的危害
为防止爆燃
汽油机的几何压缩比
一般不超过11
这也是汽油机燃油经济性
始终低于柴油机的一个主要原因
接下来
我们讨论汽油机爆燃的影响因素
假设由火核形成至火焰前锋面
传播到末端混合气所需时间为t1
而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面
尚未到达时末端混合气
发生自燃引起的
因而不发生爆燃的
充分必要条件是
t1 凡是缩短t1和延长t2的因素 均可抑制爆燃倾向 如图所示 如采用小缸径紧凑燃烧室 四气门火花塞中置等 可以减少火焰传播距离 从而缩短由火核形成至 火焰前锋传播到末端混合气 所需时间t1 可以减少爆燃 如燃烧室采用铝或铝合金 导热性能好的材料 优化气缸盖冷却系统设计等 可以合理冷却末端混合气 以及提高汽油的辛烷值 从而延长由火核形成至 末端混合气自燃着火 所需时间t2 也可以减少爆燃 但从图中可以看出 对于压缩比 点火提前角 残余废气系数 过量空气系数 以及进气温度等因素 缩短t1和延长t2的要求是矛盾的 研究表明 这些矛盾因素对 加长滞燃期的效果更明显 也就是说降低压缩比 推迟点火提前角 降低进气温度 采用稀燃混合气以及 加大残余废气系数等 总体会减轻爆燃发生的倾向 目前最主要和最有效的 控制爆燃的方法是 适当减小点火提前角 降低压缩比 优化燃烧室设计 提高燃料抗爆性等 汽油机在实际运行过程中 往往采用爆震传感器 感知爆燃程度 通过推迟点火时刻 可以避免爆燃发生 提高缸内气流的湍流度 如四气门汽油机在一个 进气道安装一个气流控制阀 如图所示 在缸内产生强涡流 可以加速火焰传播速度 缩短由火核形成至火焰 传播到末端混合气所需时间t1 从而减少爆燃倾向 图所示给出了某一汽油机 采用提高湍流之后 扩大了不产生爆燃的压缩比 和混合气浓度的工作范围 此外 采用可变几何压缩比 是一个兼顾低负荷热效率 和大负荷不爆燃的理想方法 在中低负荷时 压缩比在14到15 可显著提高热效率 而不会引起爆燃 随负荷增大逐渐降低压缩比 在低速高负荷时 采用低的压缩比 如8左右 完全避免爆燃的同时 还为使用增压技术留出了余地 下面我们讨论 另外一种不正常燃烧现象 就是表面点火 在汽油机中 由燃烧室内炽热表面 引起的着火称为表面点火 表面点火使汽油机燃烧过程 变得不可控制 会引发一系列不良后果 容易形成炽热表面的部位有 排气门头部 火花塞裙部 燃烧室内壁凸出部位等 另外 燃烧室壁面积炭的导热性差 难以冷却 也容易形成炽热表面 发生在火花塞点火之前的表面点火 也称早火或早燃 反之则称为后火或后燃 早火对发动机的危害最大 由于早火使实际着火时间提前 并且这种炽热表面点火的面积 远比火花塞点火时的大 一旦着火 火核面积和燃烧速度 都较正常燃烧大得多 气缸压力和温度急剧升高 发动机工作粗暴 如图所示 早火使压缩行程的负功增大 动力性和经济性恶化 燃烧室热负荷和机械负荷增加 由于活塞和连杆等零部件 在压缩行程末期受到较大的冲击载荷 会产生振动 因而会发出一种沉闷的低频敲缸声 频率在600～1200Hz之间 可与爆燃时的高频敲击声相区分 推迟点火提前角 可以减轻和消除爆燃 但无法消除表面点火 引起的不正常燃烧 后燃若不引发爆燃 一般危害不大 甚至对循环热效率还会稍有改善 但会使燃烧温度逐渐升高 有演化为早火的可能 另外 有后火的发动机在停机后 有时出现仍然像有火花塞点火一样的 继续运转的现象 这也称之为续走 程度严重或长时间的早火 往往会引起爆燃性表面点火 也称激爆 其危害程度比普通爆燃更甚 由于表面点火的产生 使发动机实际着火时刻提前 导致爆燃产生 而爆燃又明显提高了 燃烧室的温度水平 使表面点火愈发严重 两者相互促进 导致激爆产生 此时压力升高率为正常值的大约5倍左右 最高燃烧压力为 正常燃烧时的1.5倍 由于表面点火的时间 随温度水平上升逐渐前移 严重时会造成活塞或火花塞破损 凡是能促使燃烧室温度 和压力升高以及积炭形成的因素 都能促成表面点火 例如 表面点火多发生在高压缩比 强化汽油机上 此外 点火能量小的燃料 也容易产生表面点火 苯 芳香烃 醇类燃料 抗表面点火的性能较差 而异辛烷燃料抗表面点火的性能好 抗爆性也好 所以是优良的燃料成分 防止表面点火的主要措施有 (1) 防止燃烧室温度过高 如降低压缩比和减少点火提前角 (2) 合理设计燃烧室形状 使排气门和火花塞等处 得到合理冷却 避免尖角和突出部位 (3) 选用低沸点 低芳烃汽油 以减少重馏分形成积炭 (4) 控制润滑油消耗率 因为润滑油容易在燃烧室内 形成积炭 同时应选用成焦性较小的润滑油 (5) 在汽油和润滑油 添加清净剂消除或防止积炭作用 (6) 提高燃料中抗自燃性好的成分 如异辛烷等 关于汽油机不正常燃烧现象 爆燃和表面点火 我们就介绍到这里 同学们 再见
-0.1 总论
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-0.2 车用发动机的种类
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-1.1 示功图及其测取
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-1.2 四冲程发动机示功图分析
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-1.3 二冲程发动机示功图分析
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-1.4 性能指标分类与循环指示功
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-1.5 动力、经济性能指标与测定换算
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-1.6 影响动力、经济性能指标的环节和因素
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-第一章习题(计入课程成绩)--作业
-2.0 导论
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-2.1 燃料的分类
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-2.2 汽油、柴油的炼制
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-2.3 汽油的理化特性
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-2.4 柴油的理化特性
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-2.5 燃料构成与理化特性
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-2.6 汽油、柴油质量标准
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-2.7 燃料与发动机工作模式
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-2.8 工质主要热力参数
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-2.9 燃烧热化学
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-第二章习题(计入课程成绩)--作业
-3.0 导论
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-3.1 热力过程与热机循环的简化
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-3.2 理论循环分类及循环热效率
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-3.3 理论循环热力参数对热效率的影响
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-3.4 工质对循环热效率的影响
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-3.5 真实循环对热效率的影响
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-3.6 机械损失的构成
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-3.7 机械损失的测量方法
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-3.8 机械效率的影响因素
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-3.9 发动机的能量分配与转化效率
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-3.10 发动机的节能途径与技术
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-第三章：工作循环与能量利用--第三章习题(计入课程成绩)
-4.0 导论
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-4.1 四冲程发动机换气系统及换气过程
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-4.2 配气相位对发动机性能的影响
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-4.3 充量系数的解析式
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-4.4 进气阻力对充量系数的影响
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-4.5 其他因素对充量系数的影响
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-4.6 充量系数的速度特性
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-4.7 压力波及其传播特性
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-4.8 单缸机的进排气动态效应
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-4.9 多缸机的进排气动态效应与进气不均匀性
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-4.10 四冲程发动机增压系统及性能
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-4.11 二冲程发动机的换气过程与换气质量
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-第四章习题(计入课程成绩)--作业
-5.0 导论
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-5.1 发动机运行工况
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-5.2 发动机特性曲线分类
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-5.3 发动机速度特性
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-5.4 发动机负荷特性
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-5.5 发动机全特性
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-5.6 发动机外特性与整车动力性
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-5.7 发动机全特性与整车经济性
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-5.8 混合动力专用发动机及其运行特性
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-第五章习题(计入课程成绩)--作业
-期中考试（只有一次答题机会！）--期中测试题（占30%总分）
-6.0 导论
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-6.1 燃烧现象及其分类
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-6.2 可燃混合气的着火与着火理论
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-6.3 湍流及其在燃烧中的作用
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-6.4 均质混合气中的火焰传播
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-6.5 液体燃料的雾化
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-6.6 油滴的蒸发与燃烧
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-6.7 示功图与燃烧放热率
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-第六章习题(计入课程成绩)--作业
-7.1 柴油机燃烧过程分析
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-7.2 柴油机燃烧放热规律
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-7.3 柴油机燃油喷射系统
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-7.4 柴油机喷油过程
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-7.5 柴油机缸内气流运动
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-7.6 柴油机燃烧室的分类及其特性
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-7.7 柴油机混合气形成方式
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-7.8 柴油机粗暴燃烧与燃烧噪声
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-第七章习题(计入课程成绩)--作业
-8.1 汽油机燃烧过程分析
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-8.2 汽油机的不正常燃烧：爆燃和表面点火
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-8.3 汽油机的不规则燃烧：循环波动和各缸不均匀性
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-8.4 汽油机燃油喷射系统及其演变
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-8.5 非直喷汽油机燃烧室及其特性
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-8.6 汽油机进气道喷射与混合气形成
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-8.7 汽油机缸内直喷与混合气形成
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-第八章习题(计入课程成绩)--作业
-9.1 有害排放物种类及其危害
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-9.2.1 NO的生成机理
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-9.2.2 CO和HC的生成机理
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-9.2.3 PM和Soot的生成机理
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-9.3 有害排放物生成的影响因素
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-9.4 汽油机机内净化技术
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-9.5 柴油机机内净化技术
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-9.6 汽油机后处理技术
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-9.7 柴油机后处理技术
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-第九章习题(计入课程成绩)--作业
-10.1 燃烧模式及其分类
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-10.2 汽油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.3 柴油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.4 内燃机部分预混压燃（PCCI）模式
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-10.5 均质混合气引燃（HCII）模式
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-10.6 天然气发动机
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-10.7 氢燃料发动机
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-10.8 二甲醚发动机
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-10.9 甲醇发动机
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-10.10 乙醇发动机
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-10.11 生物柴油发动机
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-第十章习题(计入课程成绩)--作业
-期末考试--期末测试题（占30%总分）
