車輛與交通工程學(xué)院畢業(yè)論文1中文譯文火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程可以大致分為三個(gè)階段：（1）點(diǎn)火和火焰發(fā)展階段，(2)火焰?zhèn)鞑ルA段， （3）火焰終止階段。通常認(rèn)為火焰發(fā)展階段消耗了最初的 5%的燃料空氣混合器（某些情況消耗 10%） 。在火焰發(fā)展階段，點(diǎn)火發(fā)生，燃燒過(guò)程開始。但是卻只有很少的壓力升高和有用功產(chǎn)生。幾乎發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作循環(huán)所產(chǎn)生的有用功都是燃燒過(guò)程的火焰?zhèn)鞑r(shí)期產(chǎn)生的?；鹧?zhèn)鞑r(shí)期就是大部分空氣和燃料混合氣燃燒的過(guò)程（80%-90%,取決于怎樣定義） 。在這段時(shí)期，缸內(nèi)壓力大幅增加，在活塞膨脹行程中提供壓力從而產(chǎn)生有用功。最后剩下的 5%（某些情況下 10%)空氣燃料混合氣的燃燒就被定義為火焰終止期。在這段時(shí)間，缸內(nèi)壓力迅速下降，燃燒停止。在火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒過(guò)程包括一個(gè)亞音速火焰?zhèn)鞑シ艧徇^(guò)程，這個(gè)過(guò)程是通過(guò)活塞內(nèi)形成的局部均質(zhì)預(yù)混合好的空氣燃料混合氣來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于缸內(nèi)氣體的湍流，渦流，擠流，火焰?zhèn)鞑ニ俣缺淮蟠蟮脑黾印Ｈ剂系恼_燃燒以及合適的運(yùn)轉(zhuǎn)特性參數(shù)可以使爆震得以避免，或者幾乎能夠被避免。點(diǎn)火和火焰發(fā)展燃燒由火花塞內(nèi)的電極跳火而產(chǎn)生，發(fā)生在上止點(diǎn)以前 10°到 30°，具體要根據(jù)燃燒室的幾何形狀和發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況而定。高溫的帶電粒子立即點(diǎn)燃兩電極附近的空氣燃料混合氣，燃燒反應(yīng)由此對(duì)外進(jìn)行傳播。因?yàn)槔涞幕鸹ㄈ突旌蠚?，燃燒過(guò)程剛開始時(shí)速度很慢。典型火花塞電極間能量消散的相對(duì)時(shí)間如圖 7-2 所示。使用的電壓通常為 25000-40000福特，通過(guò)的最大電流為 200 安，持續(xù)時(shí)間為 10 納秒。因此產(chǎn)生了一個(gè)溫度為 60000k 的最高溫度點(diǎn)。幾乎所有的火花塞都會(huì)有一個(gè)時(shí)常為 0.001 秒，平均溫度為 6000k 的放電過(guò)程。通常需要化學(xué)計(jì)量為 0.2mJ 的碳?xì)淙剂系哪芰縼?lái)點(diǎn)火并且維持自身的的可持續(xù)燃燒，會(huì)消耗多達(dá) 0.3mg 的可燃混合氣?；鸹ㄈ鸱懦?30 至 50mJ 的能量，然而大部分卻通過(guò)傳熱散失掉了。車輛與交通工程學(xué)院畢業(yè)論文2能夠產(chǎn)生使火花塞電極間跳火的高電壓有好幾種方式，最為常見的就是電池-線圈組合。大部分的汽車都是使用的是 12 伏 的供電系統(tǒng)，包括 12 伏的電源。低電壓經(jīng)過(guò)線圈的多次放大成為了供給火花塞條獲得高電壓。有些系統(tǒng)利用電容器使火花塞電極在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間產(chǎn)生放電現(xiàn)象。大部分的小型或者中型發(fā)動(dòng)機(jī)用一個(gè)發(fā)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸產(chǎn)生所需要的火花塞跳火電壓。一些發(fā)動(dòng)對(duì)每一個(gè)火花塞都有一個(gè)單獨(dú)的高壓發(fā)電系統(tǒng)，然而其他的系統(tǒng)只有一個(gè)配電器，一缸分配完以后就轉(zhuǎn)向另外一缸?，F(xiàn)代火花塞兩電極間的距離大約為 0.7-1.7mm。如果混合氣過(guò)濃或者壓力過(guò)高那么稍微小一點(diǎn)距離也是可以接受的。 （例如：通過(guò)渦輪增壓以后高的進(jìn)氣壓力或者高的壓縮比） 。兩電極間燃燒的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度為 650℃到 750℃。若高于 950℃則有可能發(fā)生了表面點(diǎn)火的現(xiàn)象，若溫度低于 350℃則與可能發(fā)生后燃現(xiàn)象。裝有磨損的活塞環(huán)的冷的發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)消耗更多的潤(rùn)滑油，因此推薦使用熱的火花塞來(lái)避免污垢的產(chǎn)生?；鸹ㄈ臏囟扔扇觾?nèi)制造的熱損失路徑所控制，熱的塞子比冷的塞子具有更大的熱阻?，F(xiàn)在的火花塞都是由比較好的材料制造而成，比幾十年前制造的那些具有更長(zhǎng)的使用壽命。一些高質(zhì)量的火花塞安裝有鉑尖電極，能夠持續(xù) 16000km 或者更久，究其原因是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)零部件替換的困難性，以及火花塞很難被替換?，F(xiàn)代轎車在某些極端條件下，需要發(fā)動(dòng)機(jī)部分移除來(lái)改變火花塞的電壓，電流，電極材料，如果火花塞要長(zhǎng)時(shí)間使用的話就必須要有一個(gè)合適的極間距離（例如：過(guò)高的電流將會(huì)使電極破損） 。然后火花塞開始跳火，產(chǎn)生的電火花點(diǎn)燃電極附近以及電極間的可燃混合氣。這將行成一個(gè)球形的火焰前端并且向外傳播充滿整個(gè)燃燒室。剛開始時(shí)，由于火焰體積較小，傳播速度不快。因?yàn)樗荒墚a(chǎn)生足夠的能量來(lái)快速加熱周邊混合氣所以傳播速度才會(huì)非常緩慢。反過(guò)來(lái)說(shuō)，缸內(nèi)壓力沒有快速升高，因此也就很少產(chǎn)生壓縮加熱。只有當(dāng)最初的 5%-10%的空氣燃料混合氣著火以后，才會(huì)造成火焰前端速度到達(dá)比較高的數(shù)值，同時(shí)壓力也會(huì)快速上升。開始點(diǎn)火的時(shí)候火花塞附近有一個(gè)比較濃的混合氣是比較好的。預(yù)制混合氣越濃燃燒的速度就越快，對(duì)整個(gè)的燃燒過(guò)程來(lái)說(shuō)就有了一個(gè)良好的開始?；鸹ㄈ贾迷? 進(jìn)氣門附近以保證較濃的可燃混合氣，特別是當(dāng)啟動(dòng)冷機(jī)的時(shí)候?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一個(gè)火花塞有幾個(gè)電極和兩個(gè)或者兩個(gè)以上的跳火點(diǎn)。這將會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的著火過(guò)程以及火焰的快速傳播。一款處于試驗(yàn)階段的系統(tǒng)能夠在最初的放電以后能夠保持一個(gè)持續(xù)的電弧。由于這個(gè)額外的電火花加速了 燃燒過(guò)程的進(jìn)行，當(dāng)缸內(nèi)的混合氣被形成渦流以后使得燃燒能夠進(jìn)行完全。這個(gè)系統(tǒng)與一百年前嘗試的方法非常類似。為了得到不同的極間間距的火花塞，已經(jīng)投入了大量的工作，這將會(huì)使在不同工況下點(diǎn)火具有可調(diào)性。至少現(xiàn)在有一家汽車制造商正在嘗試一款發(fā)動(dòng)機(jī)，這款發(fā)動(dòng)機(jī)將活塞的頂部作為火花塞的一個(gè)電極。使用這套系統(tǒng)火花點(diǎn)火電極的間距將會(huì)變?yōu)?1.5-8mm，同時(shí)能夠降低燃油消耗和排放。車輛與交通工程學(xué)院畢業(yè)論文3火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的火焰?zhèn)鞑プ畛醯?5%-10%的空氣燃料混合氣燃燒的時(shí)候，燃燒過(guò)程被很好的建立起來(lái)，火焰前端快速前進(jìn)充滿整個(gè)燃燒室。由于不斷加強(qiáng)的渦流，紊流，擠流運(yùn)動(dòng)，火焰前端的傳播速度是在穩(wěn)定不動(dòng)的可燃混合氣沿直線傳播的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?10 倍。除此之外，在靜止的混合氣中從火花塞處開始以球形向外擴(kuò)張的火焰前端被劇烈的擾動(dòng)，也因這些運(yùn)動(dòng)而被傳播。隨著混合氣的不斷燃燒，溫度，伴隨著壓力 到達(dá)一個(gè)較高的值火焰前端后面燃燒過(guò)的氣體，要比前端的氣體溫度要高，但是所有氣體的壓力卻是相同的。這降低了已然氣體的密度同時(shí)使他們能夠充分膨脹充滿整個(gè)燃燒室。圖表 7-3 顯示，當(dāng)僅僅 30%的燃料燃燒，這些已然氣體就已經(jīng)充滿了燃燒室 60%的容積，將剩下 70%的未燃燒的混合氣壓縮在 40%的氣缸容積中。未燃混合氣的的壓縮通過(guò)壓縮加熱提高了自身溫度。除此之外，火焰前端3000k 的溫度，通過(guò)輻射傳遞的熱量又進(jìn)一步提高了壓力。通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流傳遞熱量相比熱輻射傳遞的熱量是很少的，原因就是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)的時(shí)間非常短。隨著火焰通過(guò)整個(gè)燃燒室，它將經(jīng)歷溫度和壓力明顯增加的過(guò)程。這將造成化學(xué)反應(yīng)時(shí)間縮短，和火焰前端速度增加，這正是我們所需要的結(jié)果。因?yàn)檩椛鋫鳠?，火焰前端后邊的未燃混合氣溫度持續(xù)增加，在燃燒過(guò)程的終點(diǎn)溫度達(dá)到最大值。燃燒室內(nèi)已燃?xì)怏w的溫度并不是均勻的，靠近火花塞附近的火焰剛開始燃燒的地方溫度較高。因?yàn)槟莻€(gè)地方的混合氣接收到了大量的后續(xù)燃燒反應(yīng)的輻射能。較低的壓力升高率也就帶來(lái)了較低的熱效率，和較低的爆震幾率。 （例如；壓力的緩慢升高也就意味著燃燒的緩慢進(jìn)行，和較低的爆震風(fēng)險(xiǎn)） 。因此發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程就是追求較高打熱效率和發(fā)動(dòng)機(jī)能夠有較少熱損失并且平穩(wěn)運(yùn)行的一個(gè)折衷方案。除了渦流，紊流，擠流的效果火焰的傳播速度也取決于燃料的類型和空燃比。稀薄的混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷鐖D表 7-4 所示。稍微濃一點(diǎn)的混合氣就會(huì)有最快的火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)于大部分燃料而言，這種情況發(fā)生在空燃比為 1.2 附近。殘余廢氣和再循環(huán)的廢氣降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣取０l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加帶來(lái)的渦流合擠流的強(qiáng)度增加，從而使得火焰?zhèn)鞑ニ俣纫矔?huì)增加?；鹧娼K止在上止點(diǎn)前 15°到 20°，90%— 95%的空氣燃料混合氣被燃燒掉了，火焰前端也到達(dá)了燃燒室的每一個(gè)極限角落。圖表 7-3 顯示，至少有 5%-10%混合氣被火焰前端后面的已然氣體壓縮在了燃燒室的一部分體積里。這時(shí)，盡管活塞早已經(jīng)遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，燃燒室的容積也車輛與交通工程學(xué)院畢業(yè)論文4僅僅從余隙容積增加了 10-20%。這也就意味著最后一點(diǎn)空氣將會(huì)在燃燒室很小的角落體積內(nèi)或者貼著汽缸壁與燃料發(fā)生反應(yīng)。因?yàn)榫o貼這汽缸壁，最后一點(diǎn)剩余氣體以一個(gè)逐漸減少的速率進(jìn)行反應(yīng)。貼近壁面，渦流和混合氣的運(yùn)動(dòng)都被阻礙了，產(chǎn)生了一個(gè)停滯的邊界層。大的缸體質(zhì)量作為一個(gè)傳熱介質(zhì)帶走了火焰反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的很多熱量。這些機(jī)械結(jié)構(gòu)都降低了反應(yīng)速率，和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，然后火焰開始漸漸熄滅。盡管火焰終止期有少部分由活塞上方緩慢的反應(yīng)產(chǎn)生額外工功，但仍然也是我們想要的。因?yàn)闅飧變?nèi)的壓力升高阻礙了火焰?zhèn)鞑ゾ徛兊搅愕乃俾?，傳遞到活塞頂部的力也被減緩了變小的速率，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠平穩(wěn)的運(yùn)行。