全负荷条件下火花点火式发动机的指示线图和燃烧特性分析

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：全负荷运行图3-10所示为全负荷条件下火花点火式发动机的p-V线图和p-θ线图。在图3-10b所示的p-θ线图中，xy的斜率表示了燃烧速度。图中的下半部分为把上半部分p-V线图中进气、排气行程放大显示的图。假设在指示线图中把4个冲程用4个面积进行解释。图3-11 全负荷与部分负荷p-V线图比较指示线图不仅表示了燃烧特性，还表示了气门正时和流动面积设计得是否合理。图3-12 正常燃烧和异常燃烧时的压力上升率-时间线图

（1）全负荷运行图3-10所示为全负荷（WOT：节气门全开）条件下火花点火式发动机的p-V线图和p-θ线图。在图中ab为进气行程，bc′为压缩行程，c′yd为膨胀（或做功）行程，da为排气行程。在进气行程ab中，因气体在进气系统中流动时有摩擦损失，因此进气压力显示低于大气压力。点火是少量混合气在放电火花作用下发生，点火时刻由压缩行程上止点（TDC）前的点x来决定。为了获得最大输出功率，必须测出最佳的点火时刻，这要通过试验测出。点火时刻如果比最佳点火时刻早，称为点火提前，如果比最佳点火时期迟，称为点火延迟。排气门在膨胀行程c′yd中下止点（BDC）前的z位置开启。从此时开始，废气减压排放直到其压力达到大气压力。当发动机转速增加时，点火时刻也随之提前，此时混合气的湍流（或燃烧速度）与发动机速度一起增加，因此指示线图与发动机速度无关，如图3-10所示。

点火时刻的点x越接近（延迟）上止点c，压缩行程所需的功越小。相反，燃烧最大压力的点y越接近上止点（TDC），膨胀行程（膨胀功）越大。在图3-10b所示的p-θ线图中，xy的斜率表示了燃烧速度。如果xy为垂直线，说明不管燃烧状态如何，是在一定的容积条件下瞬间发生的。为了避免异常燃烧的发生，xy的最大斜率在2000～3000r/min时限制在250kPa/d（°）。每一循环中，即使在相同的条件下，因燃料-空气混合气的局部不均导致燃烧状态不同，因此p-θ线图通常采用300～500循环的平均值。

图3-10 全负荷条件下SI发动机的指示线图

（2）部分负荷运行在汽油机上，为了部分负荷条件下的运行需要节气门。在部分负荷运行条件下的指示线图与全负荷条件下的指示线图有很大不同。如图3-11所示，图a为全负荷条件，图b为部分负荷条件。图中的下半部分为把上半部分p-V线图中进气、排气行程放大显示的图。在全负荷条件下，进气行程cd的压力为大气压，但在部分负荷条件下，从图中可以看出，因节气门和进气门的节流损失，进气行程的压力低于大气压力。假设在指示线图中把4个冲程用4个面积进行解释。首先，因膨胀行程（膨胀功）为面积meabn，压缩行程（压缩功）为面积medn，因此净功（W_net）为面积A+C，此面积为每一循环所做的功。其次，因排气行程（排出功）为面积mcbn，进气行程（进气功）为面积mcdn，因此发动机在进气和排气时所做的泵气功为面积B+C。有效功为A+C，泵气功为B+C，面积C部分要抵消。在很多情况下定义为，面积A为有效功，面积B为泵气功（进气、排气损失功）。因此，发动机的输出功率与面积A减去面积B的值成正比。这与式（3.6）的说明一致。

图3-11 全负荷与部分负荷p-V线图比较

指示线图不仅表示了燃烧特性，还表示了气门正时和流动面积设计得是否合理。如果排气门过早开启，气体的膨胀力减小，如果过晚开启，会因排气行程中过高的压力使泵气功增大。另外，如果进气门过早开启，废气会逆流到进气系统中；如果过晚开启，泵气功会增大。

（3）爆燃和p-t线图现在分析一下汽油机的正常燃烧和异常燃烧（爆燃）时的p-t线图。图3-12a所示为正常燃烧，图3-12b所示为弱爆燃（异常燃烧）发生的状态。在p-t线图的各点（时间）测量的曲线斜率（压力上升率）表示在p-t线图的下边。把这线图称为压力上升率-时间线图（dp/dt-t）。在压力上升率-时间线图中，最大斜率出现在燃烧最大压力出现之前，在最大压力位置斜率为0。

当发动机发生弱爆燃时，从图b的p-t线图中可以看出，燃烧室内的压力波形显示少量的振动。但是，如dp/dt-t线图中所示，大斜率正值以大负值持续变化，较乱地放大显示。由此，利用压力上升率-时间线图可以很容易判断爆燃发生与否。

图3-12 正常燃烧和异常燃烧时的压力上升率-时间线图

全负荷条件下火花点火式发动机的指示线图和燃烧特性分析

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