汽油机混合气形成及燃烧

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1、第五章 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能转 变为热能的过程。对燃烧过程的要求：（1）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分。（2）及时：在上止点附近燃烧（即在上 止点后1215CA燃烧完毕），循环功最多 。（3）正常：正常燃烧，才能保证发动机 稳定、可靠的工作。一般汽油机是在气缸的进气管内，利 用喷嘴或化油器使空气和燃油混合，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)正常燃烧过程进行情况通常测取燃烧过程的展开示功图研究燃烧过程。 在燃烧压力线上，1点为火花塞跳火点，

2、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 压力无明显升高。着火延迟期的长短与以下因素有关：（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）开始点火时的缸内气体温度和压力 开始点 火时缸内气体温度和压力越高，着火落后期越短。（3）缸内气体流动 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

3、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，所以应尽量减少残余废 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 火焰中心开始层层 向四周未燃混合气 传播，直到连续不 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 混合气向前推进的速度。车用汽油机，燃 烧室的火焰传播速度可达50-80m/s。常用平均压力升高率pkPa() 表征压力变化的急剧程度。 式

4、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200400 kpa/()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 致压力升高率值过高，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=175250kpa/()为 宜。（三）补燃期从最高压力点开始到燃料基本燃烧为止称为补燃期。 在此阶段参加燃烧的燃料主要有 （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

5、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 烃继续燃烧。 （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 继续燃烧、放热。 这种燃烧已远离上止点，应尽量减少。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火焰前锋面积。控制燃烧速度就能控制明显燃烧期的 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火焰传播速度是决定明显燃烧期长短的主 要

6、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 又充足，燃烧完全，称为

7、经济混合比。火焰传播下限：at 1.3-1.4时，火焰传播 速度降低，甚至不能传播 。火焰传播上限：at 0.4-0.5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。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

8、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 正常运转情况下，各循环之间的燃烧 差异和各缸之间的燃烧差异。 （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 循环的气缸压力变化情 况。从中可以看到变化 较大，低负荷时情况更 严重。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可能 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原因是：火花塞 附近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

9、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 今还不十分清楚，但可以肯定（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，为了减少排气中的CO而运 用稀混合气时，即使在较高负荷也容易发生循 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 助于减少变动，因此转速增加，一般变动减小 。（4）加大点火能量，采用多点点火，情况 有所改善。（5）点火时刻和点火位置对燃烧 变动很敏感。 （ 二） 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

10、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。第二节 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）爆燃的外部特征气缸内发出特别尖锐的金 属敲击声，亦称为敲缸。轻微 敲缸时，发动机功率上升，油 耗下降，但严重时会产生冷却 水过热，功率下降，油耗上升 ，发动机磨损加剧，排放污染 增加（主要是排气冒黑烟）。（二）爆燃产生的原因 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

11、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200400 kpa/()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机件过载强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、

12、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原因，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 。而强烈爆燃时的冲击波会破坏这一附面层， 使机件直接与高温燃气接触。而严重爆燃时， 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。3性能指标下降严重爆燃时的局部高温及强烈的 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。实验表明，严 重爆燃时磨损比

13、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 重，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 重。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 ，使发动机可靠性下降。 6轻微爆燃有利接近等容燃烧，热效率提高，汽 车上坡时驾驶员感觉轻松。（四）影响爆燃的因素 1燃料的性质辛烷值高的燃料抗爆燃能力强。 四乙铅添加剂能有效地提高燃料的 抗爆燃能力，但这会排除有毒的含 铅颗粒，污染大气并影响催化剂的 使用，因此近年来各国都对含铅汽 油的使用

14、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、 温度升高，爆燃易发生；又如，气缸盖、活塞 的材料使用轻金属，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， 都会减少火焰前锋传到末端混合气的时间，有 利于避免爆燃。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、表面点火在汽油机中，凡是不靠 电火花点火而由燃烧室内炽 热表面（如排气门头部、火 花塞绝缘体或零件表面炽热 的沉积物等）点燃混合气的 现象

15、，统称表面点火。它的 点火时刻是不可控制的，多 发生在=9以上的强化汽油 机上。 炽 热 表 面1后火表面点火出现在火花塞跳火后， 并且形成的火焰前锋仍以正常的火 焰传播速度向未燃气体推进，称为 后火。出现这种现象时，可在发动 机断火后发现，发动机仍像有电火 花一样，继续运转，直到炽热点温 度下降到不能点燃混合气为止，发 动机才停转。2早燃是指在火花塞点火之前，炽热表面就点燃 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，爆燃又会让更多的炽 热表面温度升高，促使更剧烈的表面点火， 两者互相促进，危害可能更大。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。影响热面点火的因素凡是能降低燃烧室温度和压力升 高率、减少积炭等炽热点形成的因素 都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 要使用性能。（一）汽油的蒸发性汽油的蒸发