第 5 章：内燃机的形成和燃烧、、 涡流1、进气涡流：绕气缸轴线有组织的气流运动可分为刚体流和势流，进气涡流主要用于增加火焰传播速率，实现快速燃烧活塞接近上止点时，刚体流动增强，势流运 动明显减弱.2、进气涡流的大小由进气道形状和发动机转速决定3、进气涡流的产生方法：A、 采用带导气屏的进气门（气门不能旋转）B、切向气道C、螺旋气道4、气道的评定方法：气道的质量指标：流动阻力和涡流强度一般采用叶片风速仪模拟测量气缸内涡流的转速或用角动量矩直接测量出涡流的角动量，气体流量用流量计测测量方法一般用定压差法，在不同的气门升程下测量气门的转速和气体流量用无量纲流量系数评价不同气门升程下气道的阻力特性或流动能力用无量纲涡流数评价不同气门升程下气道形成涡流的能力 挤流在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小来决定在压缩过程中形成的有组织的旋转空气运动称压缩涡流 滚流在进气过程中形成的，绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流，称为滚流或横轴涡流滚流较适宜于 4 气门汽油机上使用，滚流在压缩过程中动量衰减较少，活塞接近上止点时，大尺度的滚流将破碎成小尺度的涡，使湍流强度和湍流动能增加，大大提高火焰传播速率，改善发动机性能、、 湍流在气缸形成无规则的气流运动成为湍流。
湍流在汽油机上主要用于提高火焰传播速度，在柴油机上组织适当的湍流可以改善燃油与空气的混合 点燃式内燃机的燃烧、、 点火过程与着火落后期1、 火花点火过程：A. 击穿阶段：击穿电压：10—15KV ，电极间的气体温度 60000K，产生一个强烈的激波向四周传播，等离子的通道体积迅速膨胀，压力、温度迅速下降，火花塞间隙的峰值电流达 200A，整个 击穿间的和时间很短，约 10NSB. 电弧阶段：电弧放电的电压较低（50 ~ 100V），电流很高在电弧阶段火焰传播开始发生C. 辉光放电阶段：辉光放电阶段的特征是电流低于 200MA，在阴极上有大的电压降， （300—500V），温度较高，离子化程度很低， （低于 0.01％），大部分的点火能量在此时放出，能量损失比电弧阶段大，气体的平均温度下降到 3000K.静止的化学计量比的混合气点火能量 0.2MJ，较稀或较浓的混合气及电极处混合气有较高流速时，需要点火能量 3MJ，使发动机在各种工况下都能可靠点火，常规系统供给的能量 20—50MJ2、 滞燃期A. 从火花点火到气缸压力明显脱离压缩线时的时间或曲轴转角B. 火花点火开始后观察气缸内的火焰传播至某一定的小半径时所需的时间。
C. 从火花点火开始直到气缸内 1％的燃料烧完了的时间或曲轴转角（又名火焰发展角）、、 点燃式内燃机中的正常燃烧预混燃烧与扩散燃烧:在燃烧过程中，混合过程比燃烧反应要快得多，或者在火焰到达之前燃料与空气已充分混合，这种可燃混合气的燃烧称为预混燃烧柴油机的大部分燃料是在着火后喷入气缸的，它处于一边与空气混合、一边燃烧的情况下，由于混合过程比反应速率慢，燃烧速率取决于混合速率，混合过程控制了燃烧速率，这就是扩散燃烧扩散燃烧的特征：燃烧速率取决于燃料和氧化剂达到适宜进行化学反应所需要的速率点燃式发动机的燃烧过程：1、着火阶段：从火花跳火到形成火焰中心的阶段2、急燃期：火焰由火焰中心到烧遍整个燃烧室的阶段，也成火焰传播阶段3、后燃期：急燃期终点到燃料燃料基本上完全燃烧点为止为了保证汽油机工作柔和、动力性良好，一般使着火点在上止点前 12--15C，最高燃烧压力在上止点后 12--15C燃烧过程按已燃质量划分1、火焰发展期：从火花点火到燃料化学能释放 10％之间的曲轴转角间隔期2、快速燃烧期：大量工质燃烧所需的曲轴转角间隔，指火焰扩展阶段（已燃质量百分数达到 10％）到火焰转播过程终点（通常指已燃质量百分数达90％）曲轴转角间隔。
3、总燃烧期：整个燃烧过程的持续期，是火焰发展期与快速燃烧期之和燃烧循环变动：发动机在某一工况稳定运行时，这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化，具体表现在压力曲线、火焰传播情况、发动机功率输出均不相同表征燃烧循环变动的参数分成三大类：1、与气缸压力有关的参数：最高气缸压力及最高压力的曲轴转角、最大压力升高比及最大压力升高比曲轴转角2、与燃烧速率有关的参数：最大燃烧速率、火焰发展角、快速燃烧角3、与火焰前锋位置相应的参数：火焰半径、火焰前锋面积、已燃和未燃的容积随时间的变化曲线、火焰到达某一位置所需要的时间平均压力变动系数是燃烧稳定性和评价车辆驱动的主要参数此值不应超过 10％产生燃烧循环变动的原因：1、燃烧过程中气缸内气体运动状况的循环变动2、每循环气缸内的混合气成分（特别是在点火瞬间火花塞附近），由于空气、燃料、EGR、和残余废气之间混合情况的变动而造成燃烧的变动降低燃烧循环变动的措施：1、多点点火有利于减少压力的循环变动2、组织进气涡流能增加燃烧速率，达到减少循环变动的目的3、提高发动机转速，在气缸内形成更强烈的湍流也能减少循环变动4、采用化学计量空燃比，由于火焰温度和传播速度比较高，压力变动量比较小5、采用燃油电控喷射技术（特别是多点燃油喷射）可改善循环之间的混合气浓度不均匀性，到达循环变动的目的。
6、采用快燃、速燃燃烧技术，提高火焰的传播速率有助于减小燃烧循环变动7、加大点火能量、优化放电方式、采用大的火花塞间隙，有助于减小循环变动、、 点燃式内燃机的不正常燃烧爆燃：汽油机爆燃时一般表现为以下外部特征：1、 发出金属敲振音（敲缸）2、 轻微爆燃时， 发动 机功率略有增加， 强烈爆燃时，发动机功率下降，工作变得不稳定，转速下降，发动机有较大振动3、 冷却系统过热（冷却水、润滑油温度均上升）4、 气缸盖温度上升（排气管中有黑烟，有火星出现）汽油机的爆燃现象就是终燃混合气的自燃现象，气缸内有压力波冲击现象柴油机的工作粗暴发生在急燃期始点，压力升高比较大，气缸内压力还是均匀的爆燃的发生与以下条件有关：1、 取决于终燃混合气的温度－压力－时间历程2、 终燃混合气的温度达到自然温度以上，也不能自燃，若火焰传播速度快，或火焰传播距离短，即使是着火温度低的燃料也来不及自燃3、 在终燃混合气中，从压缩行程就产生缓慢的化学反应，由此产生热量，焰前反应的多少和程度对自燃产生影响，这一点主要与燃料的化学成份和组成有关爆燃最容易在燃烧室中离正常燃烧最远的地方及具有高温的地方（如排气门和积碳处）发生发动机总冲量中只要有大于 5％的部分进行自然时，就引起剧烈爆燃强烈的爆燃对发动机产生以下不利影响在：1、 输出功率、热效率均降低：爆燃 时化学反应速率大于气体膨胀速率，压力波冲击与破坏气缸壁面的层流边界层，向气缸壁面的传热量大大增加，冷却损失增加，输出功率降低。
燃烧室内部高温引起燃烧产物加速离解成CO、H2 等，严重时析出碳粒，热效率降低2、 气缸过热：发生爆燃时，破坏附面层，气缸盖、活塞顶面的温度上升，排气温度下降导致气缸盖、活塞发生局部金属变软、熔化或烧损3、 零件的应力增加：爆燃时，压力增长率和最高压力增加，有关零件的作用力增加，使连杆大头的轴承合金产生裂纹4、 爆燃促使积碳形成，容易破坏活塞、气 门和火花塞的正常工作，压力波冲击缸壁表面，使之不容易形成油膜，导致机件加速磨损燃料抗爆性评定：燃料对发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料的抗暴性能研究法辛烷值和马达法辛烷值是评定汽油抗暴性能的两种方法燃料的灵敏度＝研究法辛烷值－马达法辛烷值抗暴指数＝（研究法辛烷值＋马达法辛烷值）/2抗暴添加剂：1、 在汽油中加四乙铅2、 在汽油中掺混一定量的甲醇、乙醇燃料，辛烷值高的醇类燃料可提高燃料的辛烷值3、 在汽油中掺混一定比例的甲基叔丁基醚（MTBE）或乙基叔基醚（ETBE ）,增加燃料的辛烷值发动机主要结构因素与运转因素对爆燃的影响火焰中心形成到正常火焰传播终燃混合气为止所需要的时间<火焰中心到终燃混合气自燃所需要的时间,就不会发生爆燃，否则就会发生爆燃1、 运转因素的影响A、 点火提前角的影响：点火提前角的增加，爆燃倾向性加大B、 转速的影响：转速增加，爆燃倾向性减小C、 负荷的影响：负荷减小，爆燃倾向性减小D、 燃烧室沉积物的影响：沉积物的存在，使爆燃倾向性加大2、 结构因素的影响A、 气缸直径：气缸直径增大，爆燃倾向性增大B、 火花塞的位置：火花塞靠近排气门最不容易引起爆燃C、 气缸盖与活塞的材料：用轻合金导热好，应用轻合金，可提高压缩比D、 燃烧室结构：火焰传播距离短、湍流强度高、火焰传播速度高的燃烧室结构，有助于减小爆燃倾向。
防止爆燃的方法1、 推迟点火2、 缩短火焰传播距离，利用火花塞恰当布置及燃烧室合理形状等方法使火焰传播距离最小3、 终燃混合气的冷却，使离火花塞最远处的可燃混合气冷却得较好，减小终燃混合气的余隙高度4、 增加流动，使火焰传播速度增加， 终燃混合气的散热也好5、 燃烧室的扫气（加大进、排气重叠期）的冷却作用可减轻爆燃、、 表面点火：在点燃式发动机中，不依靠电火花点火，而是由于炽热表面点燃混合气而引起的不正常燃烧现象称表面点火或炽热点火1、 正常性表面点火：A. 后火：在炽热点的温度较低时，电火花点燃混合气后，在火焰传播的过程中，炽热点点燃其余混合气，但这时形成的火焰前锋仍以正常的速度传播，为后火后火对发动机影响不大B. 早火：在炽热点温度较高时，在电火花正常点燃前，炽热点就点燃混合气多缸汽油机的早火在压缩行程末期的高温、高压会引起发生早火的气缸的活塞连杆损坏及气门、活塞、火花塞等零件的过热非爆燃性的正常表面点火大体是发动机长时间高速、高负荷运行后，火花塞绝缘体、电极或排气门引起的2、 爆燃性表面点火（激爆）：激爆是由燃烧室沉积物引起的爆燃性炽热点火激爆压力升高比为正常燃烧的 5 倍最高燃烧压力为正常燃烧的 1.5 倍。
3、 影响表面点火的因素和措施：燃料形成沉积物的能力、混合气本身抵抗点燃的能力防止表面点火的主要措施：1、 选用沸点低的汽油和成焦性小的润滑油2、 降低压缩比3、 避免长时间的低负荷运行和汽车频繁加速和减速行驶4、 应用磷化物为燃油添加剂，使沉积物中的铅化合物形成磷酸铅，使碳的着火温度提高到 560C，且氧化缓慢，放出 热量小，减少激爆的发生点燃式内燃机的燃烧模型：点燃式发动机燃烧模型的目标建立：1、 对点燃式发动机各个工况下的动力性能和经济性能指标进行预测2、 对点燃式发动机的排放性能指标（NO X、HC、CO）进行预测3、 敲缸模型：零维模型（热力学模型）、准维模型（转吸模型）、多维模型（1 维、2维、3 维）零维模型：给出以某一特定函数表示的质量燃烧率曲线准维模型：建立内燃机的设计参数和运转参数与燃烧过程之间的关系零维模型和准维模型很容易纳入内燃机工作过程和模拟程序之中，多用于发动机设计参数和运行参数变化对发动机动力性能、经济性能和排放性能的影响燃烧室设计要点：压缩比：1、 缩短火焰传播距离，除设计紧凑的燃烧室外，也与火花塞位置有关2、 利用适当强度的湍流，加快火焰传播的速度3、 在离火花塞较远的区域设计适当的冷却面积，降低边缘区域可燃混合气温度4、 燃烧室内没有易受高温影响而产生的热点和表面沉积物。
对燃烧室的设计要求：经济性高、对大气的污染少、使汽油机有较高的功率、不出现爆震与表面点火等不正常燃烧、工作柔和，燃烧噪声小、允许燃烧较稀的混合气、起动性好燃烧室面容比：表示燃烧室的紧凑性，与燃烧室型式和汽油机的主要结构参数有关，顶置气门燃烧室的面容比比侧置气门要小， ，面容比越大，火焰传播距离越长，容易爆燃，HC 排放高，相 对散热面积大，热损失大火花塞位置及性能：火花塞的位置直接影响火焰传播距离的长短，影响抗爆性、火焰面积扩展速率和燃烧速率火花塞布置需考虑：1、 火花塞应靠近排气门处，使炽热表面加热的。