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1、第五章第五章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧 发动机的燃烧过程是将燃料的化学发动机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程。能转变为热能的过程。对燃烧过程的要求：对燃烧过程的要求：（1）完全：燃烧完全，才能充分利）完全：燃烧完全，才能充分利用燃油的热能；同时影响排出废气的成用燃油的热能；同时影响排出废气的成分。分。（2）刚好：在上止点旁边燃烧（即）刚好：在上止点旁边燃烧（即在上止点后在上止点后1215CA燃烧完毕），循燃烧完毕），循环功最多。环功最多。（3）正常：正常燃烧，才能保证发）正常：正常燃烧，才能保证发动机稳定、牢靠的工作。动机稳定、牢靠的工作。一般汽油机是在气缸的
2、进气管内，利用喷嘴使空气和燃油混合，进入气缸后，到压缩行程终了时已大致形成均质混合气，并以电火花点火燃烧。第一节汽油机的正常燃烧一、正常燃烧过程(一)正常燃烧过程进行状况通常测取燃烧过程的绽开示功图探讨燃烧过程。在燃烧压力线上，1点为火花塞跳火点，2点为出现火焰中心，3为最高压力点。将燃烧过程分为三个阶段：着火落后期、明显燃烧期和补燃期。（一）着火落后期从火花塞跳火到形成火焰中心时的时间或曲轴转角。特点：（1）火花放电时两极电压达1015kV，局部温度可达3000K，加快了混合气的氧化反应速度。（2）此阶段缸内压力无明显上升。着火落后期的要求：时间段稳定并尽可能短火落后期的长短与以下因素有关：
3、（1）混合气成分混合气过量空气at=0.80.9时，着火落后期最短。（2）起先点火时的缸内气体温度和压力起先点火时缸内气体温度和压力越高，着火落后期越短。（3）缸内气体流淌加强紊流运动，会加快混合气的氧化反应速度，着火落后期缩短。（4）火花能量加大火花能量，着火落后期缩短。（5）残余废气量残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使着火落后期变长，所以应尽量削减残余废气。点火提前角：是指从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角。可用其表示点火时刻。(二）明显燃烧期从形成火焰中心到最高压力出现。在均值混合气中，当火焰中心形成之后，火焰向四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前锋，从火焰中心起先层层向四周未燃混合
4、气传播，直到连绵不断的火焰前锋扫过整个燃烧室。火焰传播速度：火焰前锋相对于未燃混合气向前推动的速度。车用汽油机，燃烧室的火焰传播速度可达50-80m/s。常用平均压力上升率pkPa()表征压力变更的急剧程度。式中：p明显燃烧期始点和终点的气体压力差（kPa）;明显燃烧期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差（CA）。汽油机的p在200400kpa/()的范围内。明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期。明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好，但可能导致压力上升率值过高，工作粗暴，对排污亦不利。一般明显燃烧期约占2040曲轴转角，燃烧最高压力出现在上止点后1215曲轴转角，p=175250k
5、pa/()为宜。（三）补燃期从最高压力点起先到燃料基本燃烧为止称为补燃期。在此阶段参与燃烧的燃料主要有（1）火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧。（2）贴附在缸壁未燃混合气层的部分燃烧。壁面温度低，对火焰具有熄火作用，这样在熄火存在大量未燃烃，在随后的膨胀中部分未燃烃接着燃烧。（3）高温分解的燃烧产物（H2、O2、CO等）重新氧化。燃烧产物CO2、H2O中，有少部分在高温的作用下，分解成H2、O2、CO等产物，在膨胀过程中，因工质温度下降，热分解产物又接着燃烧、放热。这种燃烧已远离上止点，应尽量削减。二、燃烧速度燃烧速度是指单位时间燃烧的混合气量，可以表达为式中t未燃混合气密度；t火焰传播速度，At
6、火焰前锋面积。限制燃烧速度就能限制明显燃烧期的长短及其相对曲轴转角的位置。影响燃烧速度的因素有：1.火焰传播速度t火焰传播速度是确定明显燃烧期长短的主要因素。现代汽油机的t可高达5080m/s。影响t的主要因素是：燃烧室中气体的紊流运动、混合气成分和混合气初始温度。（1）紊流运动：紊流运动是由一定运动方向的涡流和无规则的气体脉动所组成。涡流运动可使火焰前锋表面扭曲，甚至分隔成许多火焰中心，使火焰前锋燃烧区加厚，如图所示，火焰传播速度加快。紊流强烈紊流较弱 （2）混合气成分不同，火焰传播速度也明显不同，如图所示为实验所得火焰传播速度与过量空气系数的关系。当 at=0.850-95时，火焰传播速度
7、最大，燃烧速度最快，功率也最大，称为功率混合比。当at=1.03 1-1时，火焰传播速度较大，氧气又足够，燃烧完全，称为经济混合比。火焰传播下限：at1.3-1.4时，火焰传播速度降低，甚至不能传播。火焰传播上限：at0.4-0.5时，混合气过浓，也使火焰不能传播。为了保证可靠的工作，汽油机的at在0.6-1.2范围，即空燃比A/F=9-18。（3）混合气初始温度：混合气初始温度高，火焰传播速度增加。2火焰前锋面积At 利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合，可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积，以调整燃烧速度。它直接影响到明显燃烧期相当曲轴转角的位置及燃烧速度变化的情况，与压力上升密切相关。
8、3.可燃混合气密度t增大未燃混合气密度，可以提高燃烧速度，因此增大压缩比和进气压力等，均可加大燃烧速度。（三）、汽油机的不规则燃烧汽油机的不规则燃烧是指在稳定正常运转状况下，各循环之间的燃烧差异和各缸之间的燃烧差异。前者称为循环波动，后者称为各缸工作不匀整。（一）、各循环之间的燃烧差异各循环之间的燃烧差异主要是燃烧的不稳定性，表现为循环的压力波动。如图示出不同循环的气缸压力变更状况。从中可以看到变更较大，低负荷时状况更严峻。这种循环间的燃烧变动使汽油机空燃比和点火提前角调整对每一循环都不行能处于最佳状态，因而油耗上升，功率下降，不正常燃烧倾向增加，使汽油机性能下降。产生这种现象的主要缘由是：火
9、花塞旁边混合气的混合比和气体紊流性质、程度在各循环均有变动，致使火焰中心形成所用的时间不同，即由有效着火时间变动而引起的。对各循环之间的燃烧变动的现象的机理至今还不特别清晰，但可以确定（1）at=0.8-0.9时循环燃烧变动最小，混合气加浓或减稀变动均增加。因此，为了削减排气中的CO而运用稀混合气时，即使在较高负荷也简洁发生循环变动，成为用稀混合气的障碍。（2）在中等负荷以上变动较小，低负荷时，残余废气量相对增多，变动更为明显。（3）加强紊流有助于削减变动，因此转速增加，一般变动减小。（4）加大点火能量，接受多点点火，状况有所改善。（5）点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感。（二）二）各缸之间的
10、燃烧差异各缸之间的燃烧差异各缸之间的燃烧差异主要是由于燃料分配不均使空燃比不一致造成的。影响混合气分配不均匀的因素很多，总的来说，与进气系统所有零件的设计和安装位置都有关系，任何不对称和流动阻力不同的情况都会破坏均匀分配，其中影响最大的是进气管的设计。其次节汽油机的不正常燃烧汽油机的不正常燃烧主要是爆燃和表面点火。一、爆燃一、爆燃 （一一）爆爆燃燃的的外外部部特特征征 气气缸缸内内发发出出特特殊殊尖尖锐锐的的金金属属敲敲击击声声，亦亦称称为为敲敲缸缸。稍稍微微敲敲缸缸时时，发发动动机机功功率率上上升升，油油耗耗下下降降，但但严严峻峻时时会会产产生生冷冷却却水水过过热热，功功率率下下降降，油油耗
11、耗上上升升，发发动动机机磨磨损损加加剧剧，排排放放污污染染增增加加（主要是排气冒黑烟）。（主要是排气冒黑烟）。（二）爆燃产生的缘由（二）爆燃产生的缘由 正常燃烧：有明显的火焰前锋，且逐层向外传播，直至燃烧完毕。爆燃：火焰前锋未到，未燃混合气的温度达到其自燃温度而着火燃烧，形成新的火焰中心，产生新的火焰传播。正常燃烧与爆燃的不同正常燃烧的火焰传播速度为5080m/s，无压力波，压力升高率在200400kpa/()的范围内。爆燃的火焰传播速度：轻微爆燃时，火焰传播速度约 为 100m/s300m/s，强 烈 爆 燃 时 可 高 达800m/s1000m/s。使未燃混合气瞬时燃烧完毕，局部压力、温度
12、很高，形成强烈的压力冲击波。冲击波反复撞击燃烧室壁，发出尖锐的敲缸声。(三(三)爆燃的危害1机件过载猛烈爆燃时的冲击波能使缸壁、缸盖、活塞、连杆、曲轴等机件的机械负荷增加，使机件变形甚至损坏。2机件烧损汽 油 机 燃 烧 终 了 时 的 温 度 可 达 到20002500,而活塞顶、燃烧室壁及缸壁的温度仅为200300，除了冷却水的作用外，能够维持如此低温度的缘由，还包括在这些壁面上形成了气体的附面层，它起到隔热的作用。而猛烈爆燃时的冲击波会破坏这一附面层，使机件干脆与高温燃气接触。而严峻爆燃时，局部燃气温度可高达4000以上，这样会使活塞头部和气门等机件烧损。同时热量传给冷却水引起发动机过热
13、。3性能指标下降严峻爆燃时的局部高温及猛烈的压力冲击波，破坏了附面层，气体向缸壁的传热量大大增加，使热效率下降，功率降低，耗油率增加。4发动机磨损加剧由于传热损失增加，使冷却水和润滑油温度增加，使润滑油润滑效果变差，零件磨损加剧。试验表明，严峻爆燃时磨损比正常燃烧时大27倍。5排气冒黑烟，补燃增加，排气温度增加爆燃时局部高温引起热分解现象严峻，使燃烧产物分解为CH、H2、O2、NO及游离碳的现象增多，排气冒烟严峻。CH、H2、O2等在膨胀过程中重新燃烧又使补燃增加，排气温度增高。爆燃产生的炭粒形成积炭，破坏活塞环、火花塞、气门等零件的正常工作，使发动机牢靠性下降。6稍微爆燃有利稍微爆燃有利 接
14、接近近等等容容燃燃烧烧，热热效效率率提提高高，汽汽车上坡时驾驶员感觉轻松。车上坡时驾驶员感觉轻松。（四）影响爆燃的因素（四）影响爆燃的因素 1燃料的性质燃料的性质 辛辛烷烷值值高高的的燃燃料料抗抗爆爆燃燃实实力力强强。四四乙乙铅铅添添加加剂剂能能有有效效地地提提高高燃燃料料的的抗抗爆爆燃燃实实力力，但但这这会会解解除除有有毒毒的的含含铅铅颗颗粒粒，污污染染大大气气并并影影响响催催化化剂剂的的运运用用，因因此此近近年年来来各各国国都都对对含含铅铅汽汽油油的运用的运用 2末端混合气的压力和温度末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾向增大。例如，提高压缩比，则气缸内压力、温度上升，爆燃易发生；又如，气
15、缸盖、活塞的材料运用轻金属，由于其导热性好，末端混合气压力、温度低，爆燃倾向小，可提高压缩比0.40.7单位。3火焰前锋传到末端混合气的时间提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会削减火焰前锋传到末端混合气的时间，有利于避开爆燃。例如，气缸直径大时，火焰传播距离增加，爆燃倾向增大，所以没有很大缸径的汽油机。二、表面点火二、表面点火 在在汽汽油油机机中中，凡凡是是不不靠靠电电火火花花点点火火而而由由燃燃烧烧室室内内炙炙热热表表面面（如如排排气气门门头头部部、火火花花塞塞绝绝缘缘体体或或零零件件表表面面炙炙热热的的沉沉积积物物等等）点点燃燃混混合合气气的的现现象象，统统称称表表面面点点火火。它它的
16、的点点火火时时刻刻是是不不行行限限制制的的，多多发发生生在在=9以以上的强化汽油机上。上的强化汽油机上。炽热表面 1后火后火 表表面面点点火火出出现现在在火火花花塞塞跳跳火火后后，并并且且形形成成的的火火焰焰前前锋锋仍仍以以正正常常的的火火焰焰传传播播速速度度向向未未燃燃气气体体推推动动，称称为为后后火火。出出现现这这种种现现象象时时，可可在在发发动动机机断断火火后后发发觉觉，发发动动机机仍仍像像有有电电火火花花一一样样，接接着着运运转转，直直到到炙炙热热点点温温度度下下降降到到不不能能点点燃燃混混合合气气为为止止，发发动机才停转。动机才停转。2早燃早燃 是是指指在在火火花花塞塞点点火火之之前
17、前，炙炙热热表表面面就就点燃混合气的现象。点燃混合气的现象。由于早燃提前点火而且热点表面比火花大，使燃烧速率快，气缸压力、温度增高，发动机工作粗暴，并且由于压缩功增大，向缸壁传热增加，致使功率下降，火花塞、活塞等零件过热。早燃会诱发爆燃，爆燃又会让更多的炙热表面温度上升，促使更猛烈的表面点火，两者相互促进，危害可能更大。与爆燃的不同点：与爆燃的不同点：1爆燃是火花塞跳火后末端混合气的自燃现象；表面点火一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致。2爆燃时有强烈的压力冲击波，有尖锐的金属敲击声；表面点火没有压力冲击波，敲缸声比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成。
18、影响热面点火的因素影响热面点火的因素 凡凡是是能能降降低低燃燃烧烧室室温温度度和和压压力力上上升升率率、削削减减积积炭炭等等炙炙热热点点形形成成的的因因素素都都有助于防止热面点火。有助于防止热面点火。第三节影响燃烧过程的因素一、汽油的品质汽油的蒸发性与抗爆性是影响汽油机燃烧过程的主要运用性能。（一）汽油的蒸发性汽油的蒸发性用馏程和蒸气压评定。汽油的蒸发性愈强，愈简洁汽化，与空气混合愈匀整，易于完全燃烧。因而汽油要有良好的蒸发性，但蒸发性过强，在燥热的夏季、高原山区运用时，易形成供油系“气阻”，甚至发生供油中断现象。（二）汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧时反抗爆燃的实力，用辛烷
19、值评定。汽油的辛烷值愈高，其抗爆性愈好。汽油的牌号以辛烷值划分。二、混合气成分二、混合气成分在at=0.80.9时，由于燃烧温度最高，火焰传播速度最大，因此pz、Tz、p/、Pe均达最高值，且爆燃倾向最大。在at=1.031.1时，由于燃烧完全，be最低，但此时缸内温度最高且空气富裕，Nox排放量大。使用at1的浓混合气工作，由于必然产生不完全燃烧，所以CO排放量明显上升。当at0.8及at1.2时，火焰传播速度缓慢，部分燃料可能来不及完全燃烧，因而经济性差，HO排放量增多且工作不稳定。二、点火提前角 点火提前角是从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角。其数值应视燃料性质、转速、负荷、过量空气系数等
20、很多因素而定。点火提前角过小，则燃烧延长到膨胀过程，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排气温度上升，功率下降，耗油量增多。点火提前角过大，则大部分混合气在压缩过程中燃烧，活塞上行所消耗的压缩功增加，发动机容易过热，有效功率下降，工作粗爆程度增加。同时由于混合气的压力过高，末端混合气燃烧前的温度较高，爆燃倾向加大。点火提前角为最佳值时，压力生高率不是过高，最高压力出现在上止点后合适的角度内，示功图面积最大，完成的循环功最多，发动机的动力性、经济性最好。一、发动机转速 转速增加时，气缸中紊流增加，火焰传播速度加快，因而以秒计的燃烧过程缩短，由于循环时间也缩短，一般燃烧过程相当的曲轴转角增加，应
21、当相应加大点火提前角。为此汽油机装有离心提前调整装置，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旁边完成。转速增加时，火焰传播速度加快，爆燃倾向减小。三、发动机负荷 转速确定，负荷减小时，进入气缸的簇新混合气量减小，而残余废气量基本不变，故残余废气所占比例相对增加。因为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旁边完成，需增大点火提前角，靠真空提前点火装置来调整。低负荷时，爆燃倾向较小。主要是负荷低时，进气量少，残余废气相对较多，使燃烧最高压力和温度下降，阻挡自燃产生。四、冷却水温度四、冷却水温度 冷却水温度应限制在冷却水温度应限制在80908090
22、（进口车（进口车9010090100）范围内。水温过高、过低均影响混合气）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运用，的燃烧和发动机的正常运用，冷却水温过高时，会使燃烧室壁及缸壁过热爆燃及表面点火倾向增加。同时进入气缸的混合气温度上升，密度下降，充量减小，使发动机动力性、经济性下降。冷却水温过低时，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，流淌性差，润滑效果变差，摩擦损失及机件磨损加剧；简洁使燃气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；不完全燃烧现象严峻，使排污增多。五、燃烧室积炭五、燃烧室积炭 积积炭炭不不易易
23、传传热热，温温度度较较高高，在在进进气气、压压缩缩过过程程中中不不断断加加热热混混合合气气，使使温温度度上上升升很很快快；积积炭炭本本身身占占有有体体积积，减减小小了了燃燃烧烧室室体体积积，因因而而提提高高了了压压缩缩比比，这这些些都都促促使使爆爆燃燃倾倾向向增增加加。积积炭炭表表面面温温度度很很高高，形形成成炙炙热热表表面面或或炙炙热热点点，易引起表面点火。易引起表面点火。六、压缩比六、压缩比 提提高高压压缩缩比比，可可提提高高压压缩缩行行程程终终了了混混合合气气的的温温度度和和压压力力，加加快快火火焰焰传传播播速速度度，选选择择合合适适的的点点火火提提前前角角，可可使使燃燃烧烧在在更更小小
24、的的容容积积下下进进行行，使使燃燃烧烧终终了了的的温温度度、压压力力高高。且且燃燃气气膨膨胀胀充充分分，热热效效率率提提高高，发发动动机机功功率率、扭扭矩矩大，有效油率降低。大，有效油率降低。提提高高压压缩缩比比，会会增增加加未未燃燃混混合合气气自自燃燃的的倾倾向，简洁产生爆燃。向，简洁产生爆燃。七、气缸直径七、气缸直径 气气缸缸直直径径增增大大，火火焰焰传传播播距距离离增增加加，爆爆燃燃倾倾向向增增大大，所所以以没没有有很很大大缸缸径径的汽油机。的汽油机。八、气缸盖和活塞材料八、气缸盖和活塞材料 铝铝合合金金比比铸铸铁铁导导热热性性好好，气气缸缸盖盖和和活活塞塞接接受受铝铝合合金金材材料料，可可使使燃燃烧烧室室表表面面温温度度降降低低，热热负负荷荷明明显显减减小小，减减小小了了爆爆燃倾向。燃倾向。