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燃烧过程与燃烧分析
介绍
在气缸和燃烧室中发生的过程显然是内燃机性能的核心;实际上发动机的其余部分可能仅仅被视为管理这些过程并从中提取有用工作的设备。随着混合动力汽车的高速发展以及相应的内燃机研究，这些内燃机在替代混合动力配置下针对低排放性能进行了优化，燃烧分析已重新回到了发动机测试的前沿。对于许多测试工程师来说，燃烧分析的职责范围已经大大扩展，不仅包括正在“小型化”和高度提升的奥托循环SI和CI往复式发动机，还包括线性活塞发动机和运行均质充量压缩点火（HCCI）诸如激光引发点火等技术现在即将出现。虽然电子控制已经使得这种激进的发动机在我们试图开发更加高效的车辆的尝试中设计出现实的命题，但是在本章后面讨论的重大新问题已经出现，例如低速提前点火（LSPI或“超级爆震”）。
术语“燃烧分析”（CA）与“发动机指示”（EI）有些可以互换;后者和较老的术语涵盖了燃烧分析和许多与燃烧同时发生的其他发动机现象，例如喷油器针的运动。在本书中，术语“发动机指示”用于涵盖高速发动机数据分析的一般任务，术语“燃烧分析”用于其具体含义。
单缸研究和“光学”发动机
小型化，增压式发动机的改进以及激光成像技术的进步为单缸发动机研究设计者和用户带来了新的工作。单缸研究发动机已经制造了多年，并且使得缸头和阀门设计在实施到多缸发动机之前被精炼。较新的光学版本允许在加载和（通常）高达5000rpm下运行时在发动机中对燃烧现象进行可视化和测量。诸如完全适应性发动机的汽缸壁和活塞顶的各种部件由“玻璃”构造，并且使用光学诊断技术，可以观察并用高速电影摄影机拍摄许多重要现象，包括：
- 燃烧，火焰生长和火焰传播，不仅用于测试气缸盖设计，还用于比较不同燃料成分的火焰传播。
- 流速和粒径可以通过非侵入式相位多普勒风速仪（PDA）进行测量。
- 使用激光诱导荧光（LIF）可以测量喷雾中的浓度。
- 与缸内压力传感同步，可检测和显示不规则燃烧阶段（如LSPI期间）之前和期间的火焰信号。
由于单缸研究发动机的设计能够快速适应不同几何形状的燃烧空间，因此它们可以在全球大多数主要技术大学的测试单元中以集成发动机和直流测功机单元的形式找到。由于新研究发动机的费用和旧机型的机械耐用性，许多新仪器与旧机型整合在一起。
目前（2011）是最着名和广泛使用的车型之一，里卡多“Hydra”在以下主要子类型中制定，以解决汽车发动机研究的特定领域：
- 港口注入汽油
- 直喷汽油
- 间接喷射（IDI）柴油
- 直接注入（DI）柴油
- 双机械可变升程（TMVL）
- 受控自动点火（CAI，又名HCCI）
- 无凸轮液压阀门驱动（HVA）
在讨论测试新发动机设计引起的问题之前，应该简要考虑内燃过程的基本原理。
对燃烧的基本影响
在基本水平上，内燃机的性能很大程度上取决于发生在燃烧室和发动机气缸中的事件。这些转折受到很多因素的影响：
- 燃烧室和气缸盖的配置
- 进入气缸的进气的流动模式（涡流和湍流），进而由进气道设计和进气门大小，形状，位置，升程和时间决定
- 点火和喷油正时，火花塞位置和特性，喷油器和喷油泵的设计，喷油器的位置
- 压缩比
- 空燃比
- 燃料属性
- 混合物制备
- 废气再循环（EGR）
- 室壁，活塞和孔的冷却程度
- 以前循环中是否存在颗粒物
对于那些不熟悉火花点火（SI）或压燃（CI）发动机燃烧过程细节的读者，他们总结如下。
传统汽油机的燃烧
- 气体和蒸气的混合物形成，或者在诱导道中，其中燃料通过化油器或喷射器引入，或者通过气缸进入直接注射的情况。
- 通过电火花触发器在一个或多个位置开始燃烧。由发动机管理系统提供。
- 延迟后，其控制问题仍然存在问题，以可确定的速率通过可燃混合物搅拌，等等诸如燃料化学等因素，由气缸内的空气运动引起。
- 随着温度和压力的升高，热量逐渐释放。在此过程中，流体的整体性质发生变化因为它从空气和燃料的混合物转变为燃烧的大量燃料产品。不希望的影响，如提前点火，肯定会升高，晚燃和爆炸或“敲门”，可能会出现。
- 热量通过辐射和对流传递到周围环境。
- 通过燃烧产物的膨胀来进行机械功。
燃烧室，进气道和排气道的发展，以及一个新发动机的燃料供应系统涉及大量的实验工作，一些在模拟发动机几何形状的流动钻机上，大部分在测试床。
传统柴油机的燃烧
- 空气被吸入气缸内，无需节流，确定充电。压缩比范围从约14：1到22：1，具体取决于对增压的程度，造成压缩的压力范围40-60巴，温度700-900℃
- 燃油是在近些年来增加的压力下喷射的，导致共轨柴油机，现在装有压电喷油器，有燃油压力超过1800巴。充气温度远高于自动充气温度，燃料的燃点。燃油滴蒸发，形成可燃物混合物在延迟之后点燃，这是充气压力的函数和温度，液滴尺寸和燃料点火质量（十六烷值）。
注意：这个简单的描述是单注射事件;然而，现在大多数汽车柴油机都是针对多次喷油事件进行校准的燃烧循环（参见“燃油轨道压力和#39;喷射量#39;这个章节稍后会介绍）。
- 随后注入的燃料立即被点燃，并且燃烧的进展和压力上升在一定程度上受注射速度的控制。 燃烧室内的空气运动被组织起来未燃烧的空气持续进入燃油喷射的路径。
- 热量通过辐射和对流传递到周围环境。
- 机械功是通过燃烧产物的膨胀来完成的。
燃烧“轮廓”的选择涉及许多妥协。 高的最大压力对燃料消耗具有有利影响，但会增加NO x排放，而由延迟燃烧过程引起的最大压力降低导致微粒排放增加。 与火花点火发动机不同，柴油机必须运行大量过量空气以限制烟雾和烟尘的产生。 预燃室发动机可以在最大功率下以大约1.2的拉姆比运行，而直接喷射（DI）发动机需要大约50％的最小过量空气系数，大致与火花点火的最大值相同 发动机会运转。正是这种特性导致了压力充气的广泛使用，通过增加充气质量达到合理的特定输出。
大型工业或船用发动机总是使用直接喷射; 在汽车发动机的情况下，间接喷射或预燃室发动机由于DI发动机的更好的燃料消耗和冷启动性能而被放弃而直接喷射。 结构紧凑，压力很高的压电喷油器和喷射过程的电子控制使这些发展成为可能。
空燃比对燃烧过程的影响
几个定义很重要：
- 混合物强度。 通常用空气/燃料比标识的一个松散术语，称为“弱”（过量空气）或“富”（多余燃料）。
- 空燃比。 大量的空气负责燃料的质量。
- 化学计量空燃比（有时称为“正确”空燃比）。 燃料完全燃烧所需氧气的比例。 大多数汽油在14：1至15：1的范围内，并且可以使用14.51：1的比例作为经验法则。 其中含有氧的醇在7：1至9：1范围内具有低得多的值。
- 过量空气因子或“lambda”（lambda;）比率。 实际与化学计量空气/燃料比的比率。范围从大约0.6（富）到1.5（弱）。 lambda;比率对功率，燃料消耗和排放有很大影响。
- 当量比phi;是拉姆达比的倒数，是一些作者的首选。
图15.1汽油机的钩子曲线。
标准测试是在发动机能够运行的整个范围内改变空气/燃料比，保持节气门开启和速度恒定。 结果通常以“钩形曲线”（图15.1）的形式呈现，其显示了在全部混合物强度范围内比耗油量与b.m.e.p之间的关系。
如果在光学发动机上进行这样的测试，则观察到以下变化：
- 在对应于最大功率和超过一系列较弱混合气的混合气强度下，燃烧过程平稳而迅速地进行，蓝色火焰在膨胀冲程中相当早的时候熄灭。
- 随着进一步减弱，燃烧变得不均匀并在整个膨胀行程中持续存在。 可能发生“回弹”到 进气歧管中。
- 随着我们继续朝着更富有的混合物燃烧，燃烧呈黄色，由白炽碳颗粒产生，并可持续到排气阀打开。 这可能会导致排气系统爆炸。
图15.1的以下特性需要评论：
- 点a对应于发动机运行时最弱的混合气。功率大大降低，特定的燃料消耗量可能是最高效率的两倍。
- 点b对应于发动机的最佳性能（最大热效率）。 功率输出约相当于最大功率的95％。
- 点c对应于化学计量比。
- 点d提供最大功率，但特定功耗比最佳效率大约10％。 显而易见的是，发动机管理系统的主要要求必须是在b点运行，除非需要最大功率。
- 点e是发动机运转时的最大混合强度。
可以为整个节气门位置和速度范围生成类似的曲线，从而得出最佳空气和燃料流量的完整图，作为发动机管理系统发展的基础之一，无论它是传统的化油器 或电脑控制的注射系统。
如果在产生钩形曲线的同时测量空气流量，则可以将相同的信息表示为功率输出曲线和相对于空燃比或lambda;的比耗（参见图15.2），其对应于图15.1。
图15.2功率输出和具体燃料消耗随空气/燃料比的变化。
发动机指示（EI）测量
为研究燃烧过程开发了许多特殊技术。 最古老的是直接观察火焰传播过程，通过石英窗口进行高速摄影。 最近的发展包括使用火焰离子化检测器（FID）来监测火焰的通过和燃烧的燃料的比例; 也使用激光多普勒血流计。
用于研究燃烧过程的标准工具是气缸压力指示器，其不同的属性将在本章稍后介绍。 除了气缸压力外，还必须使用适当的传感器测量各种数量，或者在时间轴上或与曲轴位置同步。 它们可能包括：
- 燃油管路压力和针阀升程
- 汽缸压力
- 电离信号
- 曲柄角度
- 时间
- 点火系统事件
- 进气和排气压力
- 各种（准静态）温度
每个信号都要求个人处理和适当的记录方法。近年来数据采集速率有所提高，并且系统在16个通道上采样率可达1 MHz。这相当于以16,000转/ mm的速度以0.1°的间隔取得的气缸压力。
燃烧分析旨在了解过程的所有特征，特别是放热曲线。有关发动机开发的测试工程师应该熟悉所涉及的原理以及对结果解释的相当大的问题。关于燃烧分析理论的综合论述将远远超出本书的范围，但是对基本特征的描述如下。
燃烧分析的目的是产生一个关于燃烧质量分数（在火花点火发动机的情况下）或累积放热量（在柴油发动机的情况下）与时间或曲柄角关系的曲线。感兴趣的衍生量包括每度曲柄角的燃烧或放热速率以及基于热力学第一定律的热流分析。
Stone和Green-Armytage [1]描述了使用Rassweiler和Withrow [2]的经典方法从指示图推导燃烧速率曲线的简化技术。 这以考虑定量炸弹量热仪中的燃烧过程为出发点。 图15.3显示了压力和时间变化率的曲线。 然后假设在过程的任何阶段燃烧的质量分数和累计放热量与压力升高成正比。
假定发动机中的燃烧遵循相似的过程，区别在于该过程不以恒定的体积发生。 有三种不同的影响需要考虑：
- 由于燃烧造成的压力变化
- 由于体积变化造成的压力变化
- 由于热量传入或传出容器表面而产生的压力变化
图15.4显示了一个压力 - 曲柄角度图，并显示了程序。 起点是虚线显示的“motored”或“no burn”曲线。 该曲线通过中断单次循环的点火或喷射并记录相应的压力图而获得; 某些发动机指标能够做到这一点。 随着驾驶测功机更常见的可用性，可以通过驱动未发动的发动机来获得曲线。 另一种不太精确的方法是在燃烧开始之前将多变压缩线拟合到压缩曲线上，并假设表达式pv^ nc =常数 中的多变指数nc在整个剩余压缩过程中保持不变。
图15.3定容量弹式量热计中的燃烧。
图15.4显示燃烧质量分数推导的压力 - 曲柄角图
如果A和B是体积和（绝对）压力分别为v 1，v 2和p 1，p 2的压缩线上的两个点，则压缩指数由下式给出：
压缩期间的指数n c的值可能在1.3的范围内，与空气的绝热压缩的值1.4相比较。较低的值是汽缸壁热损失的结果，并且在火花点火式发动机的情况下，由于燃料汽化而吸收的热量。燃烧的开始由两条曲线开始发散的点C合理地确定。
现在有必要确定图15.4中可以认为燃烧完成的点D.可以使用各种方法，但也许最实际的方法是用于确定燃烧开始的上述方法的变化。在行程足够晚的地方选择膨胀管线上的两点，因为假定燃烧完成但在排气阀打开之前合理：上止点（TDC）后90°和135°可能是一个合理的选择。多变量指数膨胀（无燃烧时）由方程（15.1）计算。这也可能在1.3左右，除非特殊情况下燃烧继续直至排气阀开启，如在燃烧弱混合物的火花点火发动机中。
下一步是计算从燃烧开始后的连续间隔（通常为一度曲柄角）的压缩/膨胀多变指数。再次使用公式（15.1），将压力和体积插入燃烧开始和结束时每个间隔。随着燃烧持续，n的值变化很大，但是在过程结束时它收敛于上面确定的值n e。
两个指数变得相等的点D通常是不明确的，因为连续间隔的值可能会有相当大的分散，但幸运的是，燃烧速率曲线的形状对选择的位置不是很敏感点D.
放热曲线或燃烧累积质量分数如下所示。图15.5a图示了TDC之前但燃烧开始之后的指示
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