車輛與交通工程學(xué)院畢業(yè)論文1中文譯文火花點火發(fā)動機的燃燒火花點火發(fā)動機的燃燒過程可以大致分為三個階段：（1）點火和火焰發(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，點火發(fā)生，燃燒過程開始。但是卻只有很少的壓力升高和有用功產(chǎn)生。幾乎發(fā)動機一個工作循環(huán)所產(chǎn)生的有用功都是燃燒過程的火焰?zhèn)鞑r期產(chǎn)生的。火焰?zhèn)鞑r期就是大部分空氣和燃料混合氣燃燒的過程（80%-90%,取決于怎樣定義） 。在這段時期，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。在這段時間，缸內(nèi)壓力迅速下降，燃燒停止。在火花點火發(fā)動機中，燃燒過程包括一個亞音速火焰?zhèn)鞑シ艧徇^程，這個過程是通過活塞內(nèi)形成的局部均質(zhì)預(yù)混合好的空氣燃料混合氣來實現(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?。燃料的正確燃燒以及合適的運轉(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)生在上止點以前 10°到 30°，具體要根據(jù)燃燒室的幾何形狀和發(fā)動機的運行狀況而定。高溫的帶電粒子立即點燃兩電極附近的空氣燃料混合氣，燃燒反應(yīng)由此對外進(jìn)行傳播。因為冷的火花塞和混合氣 ，燃燒過程剛開始時速度很慢。典型火花塞電極間能量消散的相對時間如圖 7-2 所示。使用的電壓通常為 25000-40000福特，通過的最大電流為 200 安，持續(xù)時間為 10 納秒。因此產(chǎn)生了一個溫度為 60000k 的最高溫度點。幾乎所有的火花塞都會有一個時常為 0.001 秒，平均溫度為 6000k 的放電過程。通常需要化學(xué)計量為 0.2mJ 的碳?xì)淙剂系哪芰縼睃c火并且維持自身的的可持續(xù)燃燒，會消耗多達(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間產(chǎn)生放電現(xiàn)象。大部分的小型或者中型發(fā)動機用一個發(fā)電機來驅(qū)動發(fā)動機的曲軸產(chǎn)生所需要的火花塞跳火電壓。一些發(fā)動對每一個火花塞都有一個單獨的高壓發(fā)電系統(tǒng)，然而其他的系統(tǒng)只有一個配電器，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。如果混合氣過濃或者壓力過高那么稍微小一點距離也是可以接受的。 （例如：通過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)動機將會消耗更多的潤滑油，因此推薦使用熱的火花塞來避免污垢的產(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，究其原因是因為發(fā)動機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)動機部分移除來改變火花塞的電壓，電流，電極材料，如果火花塞要長時間使用的話就必須要有一個合適的極間距離（例如：過高的電流將會使電極破損） 。然后火花塞開始跳火，產(chǎn)生的電火花點燃電極附近以及電極間的可燃混合氣。這將行成一個球形的火焰前端并且向外傳播充滿整個燃燒室。剛開始時，由于火焰體積較小，傳播速度不快。因為它不能產(chǎn)生足夠的能量來快速加熱周邊混合氣所以傳播速度才會非常緩慢。反過來說，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，才會造成火焰前端速度到達(dá)比較高的數(shù)值，同時壓力也會快速上升。開始點火的時候火花塞附近有一個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，對整個的燃燒過程來說就有了一個良好的開始?；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)啟動冷機的時候。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一個火花塞有幾個電極和兩個或者兩個以上的跳火點。這將會產(chǎn)生穩(wěn)定的著火過程以及火焰的快速傳播。一款處于試驗階段的系統(tǒng)能夠在最初的放電以后能夠保持一個持續(xù)的電弧。由于這個額外的電火花加速了 燃燒過程的進(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，這將會使在不同工況下點火具有可調(diào)性。至少現(xiàn)在有一家汽車制造商正在嘗試一款發(fā)動機，這款發(fā)動機將活塞的頂部作為火花塞的一個電極。使用這套系統(tǒng)火花點火電極的間距將會變?yōu)?1.5-8mm，同時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火花點火發(fā)動機的火焰?zhèn)鞑プ畛醯?5%-10%的空氣燃料混合氣燃燒的時候，燃燒過程被很好的建立起來，火焰前端快速前進(jìn)充滿整個燃燒室。由于不斷加強的渦流，紊流，擠流運動，火焰前端的傳播速度是在穩(wěn)定不動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張的火焰前端被劇烈的擾動，也因這些運動而被傳播。隨著混合氣的不斷燃燒，溫度，伴隨著壓力 到達(dá)一個較高的值火焰前端后面燃燒過的氣體，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使他們能夠充分膨脹充滿整個燃燒室。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，通過輻射傳遞的熱量又進(jìn)一步提高了壓力。通過熱傳導(dǎo)和熱對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)動機實際循環(huán)的時間非常短。隨著火焰通過整個燃燒室，它將經(jīng)歷溫度和壓力明顯增加的過程。這將造成化學(xué)反應(yīng)時間縮短，和火焰前端速度增加，這正是我們所需要的結(jié)果。因為輻射傳熱，火焰前端后邊的未燃混合氣溫度持續(xù)增加，在燃燒過程的終點溫度達(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。因為那個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） 。因此發(fā)動機的燃燒過程就是追求較高打熱效率和發(fā)動機能夠有較少熱損失并且平穩(wěn)運行的一個折衷方案。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?，如圖表 7-4 所示。稍微濃一點的混合氣就會有最快的火焰?zhèn)鞑ニ俣葘τ诖蟛糠秩剂隙?，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?。發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加帶來的渦流合擠流的強度增加，從而使得火焰?zhèn)鞑ニ俣纫矔黾??；鹧娼K止在上止點前 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，盡管活塞早已經(jīng)遠(yuǎn)離上止點，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空氣將會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)。因為緊貼這汽缸壁，最后一點剩余氣體以一個逐漸減少的速率進(jìn)行反應(yīng)。貼近壁面，渦流和混合氣的運動都被阻礙了，產(chǎn)生了一個停滯的邊界層。大的缸體質(zhì)量作為一個傳熱介質(zhì)帶走了火焰反應(yīng)過程中產(chǎn)生的很多熱量。這些機械結(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。因為氣缸內(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)動機能夠平穩(wěn)的運行。