第六章汽油机混合气的形成和燃烧

（ 1 ）湍流运动：湍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，火焰传播速度 加快，如图所示。提高混合气的湍流程度是改 善汽油机燃烧的有效手段。
湍流较弱
湍流强烈
（2）混合气成分: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Φa=0.850-0.95 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Φa=1.03-1.1 时，火 焰传播速度较大，氧气又 充足，燃烧完全，称为经 济混合比。
火焰传播下限：Φa＞ 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：Φa＜ 0.4-0.5时，混合气过浓，也 使火焰不能传播。
dm m T FT dt
式中 ρm—未燃混合气密度；
μT—火焰传播速度，
F T—火焰前锋面积。
控制燃烧速率就能控制明显燃烧期的 长短及其相对曲轴转角的位置。
影响燃烧速率的因素有：
1、火焰传播速度μT
火焰传播速度是决定明显燃烧期长短的主 要因素。现代汽油机的μT 可高达50-80m/s 。 影响μT 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。
(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2000℃-2500℃, 而活塞顶、 燃烧室壁及缸壁的温度仅为200℃-300℃，除了冷却水的作用外， (三 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。
三、汽油机的不正常燃烧
汽油机的不正常燃烧是指设计或控制不当，汽 油机偏离正常点火的时间及地点，由此引起燃烧 速率急剧上升，压力急剧增大等异常现象。汽油 机的不正常燃烧主要是爆燃和表面点火。
一、爆燃 是汽油机最主要的一种不正 常燃烧现象，常在压缩比比 较高时出现。 （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）。
产生循环变动的主要原因是： （ 1 ）火花塞附近混合气的成分波动：致使着火落后期的 长短、火花点火后形成的火焰中心的轨迹在各循环变动。 （ 2 ）气体运动状态波动：即湍流性质、程度在各循环均 有变动，致使火焰的初始生长速率、其后火焰的发展进程 在各循环变动。 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。
为了保证可靠的工作， 汽油机的Φa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FT 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。
着火延迟期在不同循环有变化，最大 值可达最小值的数倍。为了提高效率，希 望尽量缩短着火落后期，为了发动机运转 稳定，希望着火落后期稳定。
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。
(b ）明显燃烧期（ 2-3 段） （火焰传播阶段） 从形成火焰中心到火焰 烧遍整个燃烧室、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。
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0.4-0.7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）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50-80m/s，无压力波， 压力升高率在200-400 kpa/(º)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/s-300m/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。
（四）影响爆燃的因素
发动机工作是否有爆燃现象，一方面取决于所用 燃料，另一方面取决于发动机的运转条件和燃烧爆燃能力强。四乙铅添加剂能 有效地提高燃料的抗爆燃能力，但这会排出有毒的含 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加以限制。 可用醇类燃料作为添加剂提高汽油的辛烷值。
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。
p 常用平均压力升高率λp〔kPa／(º)〕表征压力变化 的急剧程度。
p p
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（CAº）。 汽油机的λp在200-400 kpa/(º)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，使燃烧噪声和振动增加，对排污亦 不利。
第六章
汽油机混合气的形成和燃烧
汽油机的燃烧过程
第一节
第二节
第三节
汽油机的燃烧室
汽油机电控汽油喷射系统
发动机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为 热能的过程,是影响发动机经济性、动力性和排气 污染的主要过程，对噪声、振动、起动性能和使 用寿命也有很大影响。 对汽油机燃烧过程的要求： （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 12°-15°CA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。
（ 二） 各缸之间的燃烧差异（各缸工作不均匀）
各缸之间的燃烧差异主要是由于各缸进气充量不均、混合 气成分不均匀造成的。 影响混合气分配不均匀、成分不均匀的因素很多，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。 各缸工作不均匀的存在，使得难以找到对各缸都是最佳的 点火提前角和过量空气系数，动力性、经济性、排放性等整机 指标难以优化，振动及噪声也会增加。
为了保证汽油机工作柔和、动力性良好，一 般使明显燃烧期起点 2 在上止点前 12º-15º 曲轴转 角，燃烧最高压力 3 点出现在上止点后 12º-15º 曲 轴转角，λp=175-250kpa/(º) 为宜。整个燃烧持 续期约占曲轴转角40º-60º。
（二）燃烧速率 燃烧速率是指单位时间燃烧的混合气量， 可以表达为
（c）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。
在补燃期参加燃烧的燃料主要有： （1）火焰前锋后未完全燃烧掉的燃料再燃烧。 （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，这样在熄火区存在大量 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，为保证循环热效率和循 环功，应尽量减少补燃期时间。
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φa=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。
汽油喷射的燃烧系统在汽车上的应用有30多年的历史，以前 由于成本高，未得到推广。近年来，由于电子技术的发展，其成 本已大为降低，加上汽油喷射的燃烧系统便于电子控制，性能优 越，在汽油机混合气的形成方式上汽油喷射已经取代化油器。汽 油喷射又有进气管喷射(包括气门口的多点喷射和进气总管中的 单点喷射)和缸内直接喷射之分。缸内直喷系统兼有汽油机均质 混合气和柴油机非均质混合气形成的双重特点 。目前的汽油喷 射大都是电子控制，机械喷射用得很少。
第一节
汽油机的燃烧过程
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:(a)着火落后期、 (b) 明显燃烧期和(c)补燃期。