发动机燃烧质量分析(1)

发动机燃烧质量分析

发动机的工作原理：下图为一单缸发动机示意图

与发动机的燃烧质量有关的一些参数，以及它们对燃烧质量的影响及改进措施

一、燃烧速度

燃烧速度指单位时间燃挠的混合气量，是衡量发动机性能的指标之一，可以表达为：

式中:

U

—火焰传播速度；

T

A

—火焰前锋面积；

T

ρT—未燃混合气密度。

要想使燃挠迅速、及时完成，需要有较高的燃烧速度且合理变化。燃烧速度的大小主要取决于火焰传播速度、火焰前锋面积及未燃混合气密度。

（一）火焰传播速度U T

火焰传播速度取决于燃烧室中气体紊流运动，混合气成分和混合气初始温度。气体紊流强度与火焰速度比之间为一直线关系。紊流强度u指各点速度的均方根值;火馅速度比是紊流火馅传播与层流火焰传播速度之比。因此，加强燃烧室的紊流，是提高火焰传播速度的主要手段。采用过量空气系数A t =0.85-0.95时的混合气，可以提高混合气初始温度，有助于加速火焰传播。

“有条不紊的线状运动，彼此不相混掺，为层流流动。随机运动，每个质点的轨迹都是混乱的，在其前进过程中向横向发生混掺，流动，示出很多涡旋，时而消灭时而发生，是为紊流流动。”

（二）火焰前锋面积A T

燃烧室形状与火花塞位置配合情况，对火焰前锋面分布规律有很大影响。图5-8所示为不同燃烧室火焰前锋面积变化情况。

因此，合理设计燃烧室形状及合理布置火花塞的位置，可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积，使明显燃烧期相对曲轴转角的位置及压力升高率在合适的范围内。

（三）可燃混合气密度ρT

增大未燃混合气的密度，可以提高进气压力和压缩比，从而提高混合气的燃烧速度。

二、混合气成分

改变化油器主量孔的大小或改变通过断面可以改变混合气成分。若使用不当也很容易造成混合气成分改变。例如，空气滤清器堵塞，化油器空气量孔堵塞，会使混合气过浓。化油器浮子室油面调整过低，会使混合气体过稀等。混合气浓度的改变对发动机的动力性、燃油经济性及爆燃倾向有很大影响，因此，分析混合气成分对燃烧过程的影响是非常重要的。

燃料能否及时燃烧，取决于火焰传播速度。影响火焰传播速度的主要因素是混合气成分,火焰传播速度随过量空气系数的变化如图5-9所示。

由图可以看出，当过量空气系数Φat =0.85～0.95,火焰传播速度最大，此时燃烧速度最快，可在短时间内使气缸压力温度达到最大值，散热损失小，作功最多，由于此时供给的燃料量比完全燃烧时所需的燃料稍多，在空气量一定的情况下，提高了对氧的利用程度，使燃烧产物的分子数增多，燃气压力提高。因此，发动机发出最大功率，称这种混合气为最大功率混合气。汽车在满负荷工况下工作时，要求汽油机输出最大功率，此时，化油器应供给最大功率混合气。

当过量空气系数Φat<0.85～0.95时，称为过浓混合气。此时由于火焰传播速度降低，功率减少；且由于缺氧，燃烧不完全，使热效率降低，耗油率增加。发动机怠速或低负荷运转时，节气门开度小，进入气缸的新鲜混合气量少，残余废气相对较多，可能引起断火现象。为维持发动机稳定运转，通常供给比大功率混合气更浓的混合气。一般Φat =0.6左右。如果发动机中等负荷下也供给过浓混合气，由于火焰传播速度低，燃烧速度减慢，混合气在大容积下燃烧，发动机易过热，排气温度增高。高温废气中未完全燃烧的成分在排气管口与空气相遇，剧烈氧化，形成排气管放炮现象。当Φat =0.4～0.5时，由于严重缺氧，火焰不能传播，混合气不能燃烧。因此，Φat=0.4～0.5的混合气成分称为火馅传播上限。

当过量空气系数Φat =1.05～1.15时，火焰传播速度仍较高，且此时空气相对充足，燃油能完全燃烧，所以热效率最高，有效耗油率最低。此浓度混合气体称为最经济混合气。汽车行驶的大多数情况是处于中等负荷工况工作，为减少燃油消耗，化油器应供给最经济混合气成分。

当过量空气系数Φat >1.05～1.15时，称为过稀混合气。此时火焰传播速度降低很多，燃烧缓慢，使燃烧过程进行到排气行程终了。补燃增多，使发动机功率下降，油耗增多。由于燃烧过程的时间延长，在排气行程终了时进气门已开启，含氧过剩的高温废气可以点燃进气管内新气，造成化油器放炮。当Φat

=1.3～1.4时，由于燃烧热值过低，混合气不能传播，造成缺火或停车现象，此时混合气浓度为火焰传播的下限。

由此可见，为保证发动机燃烧质量，有利的混合气成分一般在Φat=0.85～1.2范围内。

当使用功率混合气时，火焰传播速度最快，从火焰中心形成到火焰传播到末端混合气的火焰传播时间缩短，使爆燃倾向减小，同时缸内压力、温度较高，压力升高率较大，使从火焰中心形成到末端混合气自燃发火的准备时间也缩短，又使爆燃倾向增大，实践证明，后者是影响的主要方面。因此，在各种混合气成分中，以供给最大功率混合气时最易爆燃。如汽车满载爬坡时容易爆燃

三、点火提前角

点火提前角大小对汽油机燃烧性能也有很大影响。图5-10为气门全开、额定转速下混合气成分不变时，改变点火提前角燃烧示功图的变化

由（a）图可见,曲线l的示功图点火提前角为θig

1。相比之下，θig

1

过大(点

火过早),使经过着火落后期后，最高燃烧压力出现在压缩行程的上止点以前。最高压力及压力升高率过大，活塞上行时消耗的压缩功增加、发动机容易过热，有效功率下降，工作粗暴程度增加。同时由于混合气体的压力、温度过高，爆燃倾向增加。在这种情况下，只要适当减小点火提前角，就可以消除爆燃。

曲线2的示功图对应的点火提前角过小于θig

2

（点火过迟）。经过着火落后期后，燃烧开始时，活塞已向下止点移动相当距离，使混合气燃烧在较大容积下进行，炽热的燃气与缸壁接触面积大，散热损失增多。最高压力降低，且膨胀不充分，使排气温度过高，发动机过热，功率下降，耗油量增多。

曲线3的示功图对应的点火提前角θig

3

比较适当。因而，压力升高率不是过高，最高压力出现在上止点后合适的角度内。从（b）图的比较可以看出，示功图1比示功图3多做了一部分压缩功又减少了一部分膨胀功。示功图2的膨胀

线虽然比示功图3的高些，但最高压力点低，只有示功图3的面积最大，完成的循环最多，发动机的动力性、经济性最好。

综上所述，过大过小的点火提前角都不好。只有选择合适的点火提前角才能得到合适的最高压力及压力升高率，使最高压力出现在上止点后12°～15°曲轴转角内，保证发动机运转平稳、功率大、油耗低。这种点火提前角称为最佳点火提前角。使用中，随发动机工况的变化最佳点火提前角相应改变。因此，必须随使用情况及时调整点火提前角。现在所使用的真空和离心提前调节装置是有效的调节装置。

四、发动机转速

在汽油机一定的油门开度下，随负荷的变化，转速相应变化。转速增加时，气缸中紊流增强，火焰传播速度加快。因而，随转速增加，压缩过程所用时间缩短，散热及漏气损失减少，压缩终了工质的温度和压力较高，使以曲轴转角计的着火落后期增长。为此，汽油机装有离心提前调节装置，使得在转速增加时，自动增大点火提前角，以保证燃烧过程在上止点附近完成。

随转速增加，爆燃倾向减小。主要是转速的增加加快了火焰传播，使燃烧过程占用的时间缩短，未燃混合气受巳燃部分压缩和热辐射作用减弱，不容易形成自燃点；转速增加，循环充量系数（循环充量是指发动机在每一个循环的进气过程中，实际进入气缸的新鲜气体（空气或可燃混合气）的质量。）下降，残余废气相对增多，终燃混合气温度较低，对未燃部分的自燃起阻碍作用，因此，使用中若低速时发生爆燃，待转速提高后爆燃倾向可自行消失。

五、发动机负荷

转速一定时，随负荷减小，进入气缸的新鲜混合气量减少，而残余废气量基本不变，使残余废气所占比例相对增加，残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使燃烧速度减慢。为保证燃烧过程在上止点附近完成，需增大点火提前角，它靠真空提前点火装置来调节。图5-12为发动机不同节气门开度时的示功图。

低负荷时，爆燃倾向减小，主要是负荷低时，进气量少，残余废气相对较多，燃烧最高温度和压力下降，阻止自燃产生。

综上所述，发动机在高转速、低负荷时，应增大点火提前角，据统计，如果点火提前角偏离最佳值5°，热效率将下降l%，偏离最佳值10°，热效率将下降5%，偏离最佳值20°，热效率下降16%。传统的真空和离心提前调节装置只能随负荷和转速两个影响因素的变化对点火提前角作近似控制，不能实现点火提前角随多参数的变化（如压力、温度、湿度、空燃比、燃料辛烷值，残余废气量等）的精确控制。近年来发展了微处理机控制的点火系统，如无分电器点火系统。该系统中，点火提前角的设置和随工况变化的自动调整，初级线圈的通断，都是由微处理机控制的。它可根据点火提前角随工况变化的规律（已事先存人机内）确定每一工况下的最佳点火时刻，实现精确控制。

发动机低转速大负荷时易爆燃。在进行发动机点火提前角调整时可采用下述步骤，发动机怠速运转状态下，突然将油门开至最大，发动机自由加速，若能听到轻微的爆燃声，则点火提前角调整合适。随着电子技术的发展，出现了微处理机控制的防爆控制系统。它可以根据爆燃信号自动调整点火提前角，使爆燃限制

在很轻微的限度之内。使用不同牌号汽油时省去调整点火系、供油系的麻烦，汽油机的压缩比可适当提高，同时使热效率提高。经验表明，采用爆燃控制系统，除提高汽油机压缩比外，可使节油率达6%以上。

六、冷却水温度

发动机冷却水温度应控制在80°～90°范围内。水温过高、过低均影响混合气的燃烧和发动机的正常使用，冷却水温不同时的示功图如图5-13所示。

冷却水温度过高时，会使燃烧室壁过热，爆燃及表面点火倾向增加。同时，进入气缸的混合气因温度升高，密度下降，充量减少，使发动机机动性、经济性下降。所以，在使用维护中，应注意及时清除水道内的水垢，使水流通畅；注意利用百叶窗调整发动机冷却水温度；经常检查水温表、节温器等装置，使其工作正常。

冷却水温度过低时,传给冷却水热量增多，发动机热效率降低，功率下降，耗油率增加；润滑油粘度增大，流动性差，润滑效果变差，摩擦损失及机件磨损加剧；容易使燃烧中的酸根和水蒸气结合成酸类物质，使气缸腐蚀磨损增加；燃烧不良易形成积炭；不完全燃烧现象严重，使排放污染增大。因此，使用中应注意控制好冷却水温，水温不能太低。

可以利用温度传感器实现对温度的数据采集，然后把温度信号转变为电压模拟信号,信号通过运算放大器、保持器和A/D转换器将模拟量变为数字量送入单片机进行处理，处理完成后根据情况采用反馈电路对温度进行调节！其硬件电路如图：

图1 硬件框图

七、燃烧室积炭

发动机工作过程中，由于燃烧不完全的燃油和窜入燃烧室的机油及外部其它杂质在氧气和高温作用下，凝聚在燃烧室壁面及活塞顶部，形成积炭，其厚度可达几毫米。积炭不宜传热，温度较高，在进气、压缩过程中不断加热混合气，使温度升高很快；积炭本身有体积，减小了燃烧室的容积，因而提高了压缩比，相对增加了激冷面积，增加了碳氢化合物的排放量。这种现象在发动机冷启动、怠速和暖机时对于碳氢化合物的排放量影响较大。同时压缩比的升高，使得最高燃烧温度增加，氮氧化物的排放量增加。这些都促使爆燃倾向增加。积炭表面温度很高，形成炽热表面或炽热点，易引起表面点火！积炭的物质类型如图：

积炭中各种元素的质量百分比

从图中的数据可以发现：金属元素中钙铁的含量较高，其中铁元素主要来自于机械磨损的铁屑和润滑油氧化产生的酸性产物以及硫酸等无机酸对于缸体的腐蚀；而钙元素主要来自于润滑油添加剂。另外，通过对积炭进行红外光谱分析发现：积炭中存在双官能团以及大量的极性集团，因此积炭为极性化合物。正因为如此，当汽车发动机中形成积炭之后，积炭的形成速度与未形成积炭时相比会增加许多。

目前比较常见的积炭的清除方式分为三种：药水清除积炭、燃油添加剂及解体清除。其中最为普遍且对发动机损伤较小的即为药水清除方法。

八、压缩比

提高压缩比，可提高压缩行程终了时工质的温度、压力，加快火焰传播速度。选择合适的点火提前角，可使燃烧在更小的容积下进行，使燃烧终了的温度、压力提高。且燃气膨胀充分，热转变为功最多，热效率提高，发动机功率、扭矩大，有效耗油率降低。

但是,提高压缩比，会增加未燃混合气自燃的倾向，容易产生爆燃。为此，要求改善燃烧室的设计，并提高汽油的辛烷值。随着燃烧室设计的改善和汽油辛烷值的提高，国内载货汽车压缩比约为6.5～7.5;轿车为7.5～8.5。国外载货汽车压

缩比约为7～9;轿车为5～10左右。如果压缩比超过10以上，热效率提高程度减慢，机件的机械负荷过大，排放污染严重。因此，应注意选用合适的压缩比。

九、气缸直轻

气缸直径增大，火焰传播距离长，从火焰中心形成到火焰传播至末端混合气的时间增长；直径加大，面容比减小，传给冷却水的热量减小，从火焰中心形成到未端混合气自行发火的准备时间缩短。因而随气缸直径加大，爆燃倾向增加，所以无大缸径的汽油机，通常汽油机直径在100毫米以下。此外，适当布置火花塞位置或采用多火花塞，可以缩短火焰传播距离，减少爆燃倾向。

十、气缸盖和活塞材料

铝合金比铸铁导热性好，气缸盖、活塞采用铝合金材料，可使燃烧窒表面温度降低，热负荷明显减少，减小爆燃倾向；因此，宜于采用高压缩比来提高发动机动力性、经济性。

十一、汽油机燃烧方式的发展

近年来，为降低油耗，减小排放污染，汽油机采用了快燃、稀燃及分层燃烧技术。

（一）汽油机快燃技术

快燃的目是加快气缸内均匀混合气的燃烧速率，缩短燃烧时间，减少爆燃倾向，使发动机可以选用高的压缩比，提高发动机热效率。

（二）汽油机稀燃技术

稀燃指燃烧很稀的混合气，其空燃比一般在20比1以上，采用稀燃技术，由于氧气充足，燃油易于完全燃烧。可以降低油耗、减少排放污染。同时燃烧压力、温度较低，可采用较高的压缩比。但燃用稀混合气会降低火焰传播速度，必须配合快燃技术。

（三）汽油机的分层燃烧

分层燃烧的实质是采用稀薄的不均匀混合气，由外源点燃的燃烧方式。特点是在点火时，燃烧室内各部位混合气的空燃比明显不同。火花塞周围局部具有良好着火条件的较浓的可燃混合气，其空燃比在12～13.4左右，而在燃烧室的大部分地区具有较稀的混合气，在二者之间，为有利于火焰传播，混合气浓度从火

花塞开始由浓到稀逐渐过渡，但气缸内混合气的总空燃比，却相当于过稀混合气，所以分层充气汽油机也可以称为稀燃汽油机。

（四）汽油喷射系统的优点

汽油喷射分汽油直接喷入燃烧室的直接喷射和由进气管喷入气道的低压进气喷射。与化油器式混合气形成方式比，汽油喷射系统可实现准确供应燃油，容易解决各缸燃料均匀分配问题，减少各缸燃烧差异，有利于压缩比的提高，节省燃油，改善燃料雾化质量，有利于低温起动。

在汽油机运行时，各工况对混合比的要求是不同的。例如:汽油机在各种转速下全负荷运行时，节气门全开，化油器应提供适当加浓的功率混合气。空燃比α=12～14；当汽油机按中等负荷运行即节气门部分开度时，应有最好的经济性，空燃比α=17左右；当汽油机怠速运转时，节气门接近全关，为保证稳定运转，需供给更浓的混合气，空燃比α =10～12.4。理想化油器应是能全面满足上述各工况混合比特性要求的化油器。

理想化油器特性

理想化油器特性在满足最佳性能要求的前提下，混合气成分随负荷（或充气流量）的变化关系如图5-14所示。

由图可知，随负荷增加，混合气逐渐变稀，小负荷范围内变化较陡，中等负荷范围内曲线变化较平缓，当接近满负荷时，混合气变浓。

汽油机的燃油电子喷射相比于过去采用的化油器，燃油电子喷射系统可以使得燃油计量精确度有较大幅度的提高。因此，采用电子控制燃油喷射的汽油机，其经济性和动力性有很大的提高，使对混合气浓度要求的三效催化转化器降低排放成为可能。

电子控制燃油喷射从单点式发展到多点式。这使汽油机不仅在动力性上仍旧能保持其密度的特点，而且其燃油性几乎可以和柴油机相媲美。有人甚至称汽油直接喷射是汽油机的一次革命。汽油直接喷射技术已经在日本三菱、丰田和日产的一些发动机上应用。欧洲的一些汽车公司如德国大众、法国雷诺等也在发展之中。

点火方式：现在的发动机一般都是电火花点火，而俄罗斯专家最近开发出一种激光点火技术，试验证明这种技术能够使燃料在低温条件下实现爆震燃烧，从而使普通发动机的增强推力成为可能。

国内外高性能燃烧分析仪器

1.奥地利AVL公司系列产品，如AVL640、650、660、670系列以及AVL617、

AVL620等。

2.日本小野公司系列产品，如CB366、466、467、566以及DS-9100等。

3.瑞士Kistler公司生产的DEWE系列。

4.德国FEV公司生产的FEVIS系列。

5.美国PEI公司生产的DAB系列。

国内的一些机构如：浙江大学利用单板微计算机开发的

内燃机示功图测量处理系统、大连海运学院的DMC12柴油机测量分析系统、

上海内燃机研究所的EAS800内燃机燃烧分析系统、华中理工大学的HG1208 发动机分析仪、山东理工大学的DCA-1内燃机燃烧分析仪以及长沙科学仪器研究所的DFY系列多通道发动机分析仪等，还有其它一些单位，如上海铁道学院也先后研制开发了内燃机燃烧分析仪。