汽车发动机原理第6章燃烧过程及混合气形成

1．着火落后期
由火花塞跳火的A点到气缸压力线脱离压缩线的B点 所界定的时期称为着火落后期，其长短用着火落后时间i 或着火落后角 i来表示。
电火花在上止点前ig角（点火提前角）跳火，可燃 混合气按高温单阶段方式着火后，经过一个阶段形成稳定 的火核。此时，压力和温度升高，缸内气体压力开始脱离 压缩压力线，这标志着火落后期结束。
1．着火落后期（滞燃期）
图6-3中由喷油始点A到气缸压力线与压缩线脱离点 B对应的时期称为着火落后期，或称滞燃期。
随压缩过程的进行，缸内空气压力和温度不断升高， 在上止点附近气体温度高达600℃以上，高于燃料在当时 压力下的自燃温度。在A点被喷入气缸的柴油，经历一系 列复杂的物理化学过程，这包括雾化、蒸发、扩散、与空 气混合等物理准备阶段，以及低温多阶段着火的化学准备 阶段，在空燃比、压力、温度以及流速等条件合适处，多 点同时着火，随着火区域的扩展，缸内压力和温度升高， 并脱离压缩线。
压力升高率dp/d在实际中往往有两种表示方式， 一种是最大压力升高率（dp/d）max；另一种是平均压 力升高率dp/d ，其定义为
dp/d =（pc-pb）/（ c - b）
（6-1）
压力升高率是表征内燃机燃烧等容度和粗暴度的指标。 压力升高率越高，则燃烧等容度越高，这对动力性和经 济性是有益的；但会使燃烧噪声及振动增加，同时也是 氮氧化物增高的重要原因（见后述）。一般汽油机的平
因此，应尽量缩短后燃期，减少后燃所占的百分比。 柴油机燃烧时，空气是过量的，只是混合不匀造成局部缺 氧。因此，加强缸内气体运动，可以加速后燃期的混合气 形成和燃烧速度，而且会使碳烟及不完全燃烧成分加速氧 化。
三．合理的燃烧放热规律
图6-3 上已示出实测的柴油机放热规律。汽油机放 热规律变化不大，对性能的影响也不如柴油机那样多样和 明显，所以一般文献资料中讨论柴油机放热规律居多。
2．明显燃烧期
由B点到C点的期间称为明显燃烧期，在此期间，火 焰由火焰中心传播至整个燃烧室，约90%的燃料被烧掉。 随燃烧的进行，缸内温度和压力很快升高，并达到最高燃
烧压力pmax，一般将pmax作为明显燃烧期的终点。pmax及 压力升高率dp/d是与发动机性能密切相关的两个燃烧特
性参数。
汽油机的最高燃烧压力pmax一般小于5.0MPa。pmax
压力及 dp/d都急剧升高，燃烧放热速率dQB/d 很快达到
最高值。
dp/d的大小对柴油机性能有至关重要的影响，一般 柴油机dp/d =0.2~0.6 MPa/（°） ，直喷式柴油机的较大， 约为dp/d =0.4~0.6 MPa/（°） 。从提高动力性和经济性 的角度，希望dp/d大一些为好，但dp/d过大会使柴油机
p/d ）max和pmax与滞燃期
的关系，两者均随滞燃期的 增长而线性增长。以后的章
节中我们将经常讨论dp/d 和pmax的控制问题。
由于在速燃期参与燃烧的主要是在着火落后期内形 成的可燃混合气，因此也称这一时期为“预混合燃烧”阶段。 值得指出的是，这种预混合气体是在极短时间内形成的， 实际是一种非均质预混合气，即第5章中所介绍的油滴群 的燃烧，与汽油机的均质预制混合气燃烧并不完全相同。
1．放热规律三要素
指的是燃烧放热始点（相位）、放热持续时期和放 热率曲线的形状三个要素。
放热规律始点决定了放热率曲线距压缩上止点的位 置，在持续期和放热率形状不变的前提下，也就决定了放 热率中心（指放热率曲线包围的面心）距上止点的位置。 如前所述，这一因素对循环热效率、压力升高率和燃烧最 大压力都有重大影响。
加大，称为真空提前。图6-6 表示了最佳θig在n及负荷变
化时的变化规律。这是因为，在节气门开度不变时，各个 转速的着火落后期均变化不大。但转速上升后，相同落后 期所占的转角将正比增加，于是高转速时的着火落后角显
著加大。为保证最大压力点相位大致不变，必定要加大θi
g角。在转速不变时，随着节气门的减小，进气管真空度
工作粗暴；噪声明显增加；运动零部件受到过大冲击载荷， 寿命缩短；过急的压力升高会导致温度明显升高，使氮氧化
物生成量明显增加。为兼顾柴油机运转平稳性，dp/d不宜 超过0.4 MPa/（°）；而为了抑制氮氧化物的生成， dp/d
与汽油机不同的是，柴
油机dp/d 的大小主要取决
于着火落后期内形成的可燃 混合气的多少，而可燃混合 气的生成量要受着火落后期 内喷射燃料量的多少、着火 落后期的长短、燃料的蒸发 混合速度、空气运动、燃烧 室形状和燃料物化特性等多 种因素的影响。图6-4是各种 非增压直喷高速柴油机的（d
一般柴油机的着火落后角θi=8 ° ~12°，着火落后 时间τi=0.7~3ms。与汽油机不同的是，柴油机着火落后
期长短会明显影响滞燃期内喷油量和预制混合气量的多 少，从而影响柴油机的燃烧特性、动力经济性、排改特 性以及噪声振动，必须精确控制。
2．速燃期
由B点开始的压力急剧上升的BC段，称为速燃期，C 点是燃烧放热率变缓的突变点。由于在着火落后期内作好燃 前准备的非均质预混合气多点大面积同时着火，而且是在活 塞靠近上止点时气缸容积较小的情况下发生，因此气体温度、
图6-5是任一工况的θig或θinj角对
动力、经济性指标Pe、be的影响曲 线。最佳角度条件下，能获得最大 Pe和最小be值。此曲线叫做点火提 前角或喷油提前角的调节特性线。
1） 汽油机的点火提前规律
对于汽油机，最佳θig角将随转速的上升而加大，称
为转速提前；而又随进气管真空度的上升（负荷下降）而
一般i约为10°-20°。形成火核的时间往往在B点之 前，但在实际中难以测定，因此一般都以B点作为确定着 火落后期的标志。也有的资料中以燃烧放热量的1%-10% 内的某一数值着火落后期的标 准，可见它是一个工程概 念。
若能保证汽油机正常工作，着火落后期的长短对汽 油机性能影响不大，这一点与柴油机不同，因为汽油机性 能主要取决于何时着火而不是何时点火。
高，一般会使循环热效率和循环功增加，但机械负荷及热
负荷也会随之增加。pmax出现的时间也非常重要，一般希 望pmax出现在上止点后10 ° ~15 °。 出现过早，则混合气
着火必然过早，引起压缩过程负功增加；过晚则预膨比上 升，等容度下降，循环热效率下降，同时散热损失也上升，
如图6-2所示。如前所述，pmax出现的位置可用点火提前 角θ 来控制。
第六章 燃烧过程及混合气形成
6.1 实际发动机的燃烧过程及放热规律
燃烧过程对发动机动力性、经济性和排放特 性等主要特性有重大影响。
本节基于示功图和燃烧放热规律，对汽油机 和柴油机的燃烧过程进行介绍和分析，并对两者 的燃烧过程特征进行对比。
一．汽油机燃烧过程
一般将汽油机燃烧过程分为三个阶段：着火落后期、 明显燃烧期、后燃期。
均压力升高率为dp/d =0.2~0.4MPa/（°），也有资料 上推荐最佳范围为dp/d =0.17~0.25MPa/ （°） ，这
时综合性能比较好。
3．后燃期
由C点到D点的期间称为后燃期。在C点时，火焰前 锋面已传播到燃烧室壁面，整个燃烧室被火焰充满。由于 90%左右的燃烧放热已完成，因而继续燃烧的是火焰前锋 面扫过后未完全燃烧的燃料以及壁面及其附近的未燃混合 气；另外，高温裂解产生的CO，HO等成分，在膨胀过程 中随温度下降又部分化合而放出热量。由于燃烧放热速率 下降，加之气体膨胀作功，使缸内压力很快下降。
柴油机的最高燃烧压力pmax一般为5-9MPa，增压 柴油机有可能大于10MPa。同汽油机一样，一般希望pmax
出现在上止点后10°~15 ° ，这样可以获得较好的动力性 和经济性。但与汽油机不同的是，C点的位置不仅取决于
喷油提前角θfj，也取决于着火落后期和速燃期的长短。
缓燃期结束时，累积放热率可达80%左右，燃气温 度可达1700-2000℃。
为保证高的循环热效率和循环功，应使后燃期尽可 能短。一般要求整个燃烧持续期在40-60ºCA。
二．柴油机燃烧
过程
柴油机的燃烧 过程要比汽油机复杂 的多，往往要同时借 助于实测的示功图和 燃烧放热率曲线进行 分析。
如图6-3所示， 柴油机的燃烧过程可 分为4个时期，即着 火落后期（滞燃期）、 速燃期、缓燃期和后 燃期（分别对应图中 1、2、3、4阶段）。
与汽油机相同，实际着火点应该在B点之前，用燃 烧放热速率曲线或高速摄影等方法可以更精确地判定着 火点。如图6-3所示，由于柴油汽化吸热，造成在着火 前dQB/d曲线出现负值，一旦开始燃烧放热，dQB/d 很快由负变正。因此可以取dQB/d明显上升前第1个极 小值点，或dQB/d=0点作为着火点，这在曲线上比示功 图的B点容易判定。
随着大量在着火落后期内生成的可燃混合气燃烧殆 尽，燃烧放热速率暂时降至较低水平，出现图6-3中曲线 上的谷点C，以此作为速燃期和预混合燃烧阶段的结束点 要比示功图上的C点容易判断。速燃期中，累积放热率可 达20-30%。
3．缓燃期
由C点到出现最高燃烧压力的D点，称为缓燃期。在 此期间，参与燃烧的是速燃期内未燃烧的燃料和缓燃期内 喷入的燃料。特别是后续喷入燃料，边蒸发混合，边以高 温单阶段方式着火参与燃烧。由于汽缸内温度的急剧升高， 蒸发混合速度明显加快，加之后续喷油速率的上升，使放 热速率dQB/d 再次加速，出现柴油机燃烧特有的“双峰” 现象。这一阶段燃烧放热速率的大小取决于油气相互扩散 混合速度，因此也称为扩散燃烧阶段或可控燃烧阶段。可 以说，dQB/d 曲线的双峰，第1个峰对应预混合燃烧阶 段，而第2个峰则对应扩散燃烧阶段。但小负荷时由于喷 油量少并在着火落后期内就停止，往往并不出现“双峰”现 象。
Байду номын сангаас
放热持续时期的长短，一定程度上是理论循环等压
放热预膨胀比ρ值大小的反映。显然这是决定循环热效率
的一个极为关键的因素。对有害排放量也有较大的影响。