第六章 燃烧过程及混合气形成.
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汽车发动机原理柴油机混合气形成与燃烧课件
柴油机与汽油机的比 较
燃料不同
汽油机使用汽油作为燃料，而柴油机使用柴油作 为燃料。
燃烧方式不同
汽油机采用点燃式燃烧方式，而柴油机采用压燃 式燃烧方式。
应用范围不同
汽油机主要用于小型车辆和家用轿车等领域，而 柴油机则主要用于大型车辆和重型机械等领域。
02
柴油机混合气形成原理
混合气的概念与形成过程
混合气的概念
混合气是指柴油机燃烧室内，空气与燃油进行均匀混合所形 成的可燃气体。
混合气的形成过程
在柴油机进气过程中，空气通过进气门进入气缸，同时喷油 器在压缩行程中将柴油喷入气缸，燃油在高温高压空气中蒸 发扩散，并与空气混合形成混合气。
燃油喷射过程与特点
燃油喷射过程
在柴油机压缩行程后期，喷油器 定时定量地将柴油喷入气缸，油 雾与空气混合形成可燃混合气。
表面处理优化
对燃烧室表面进行耐磨、耐腐蚀处理，如镀铬、喷涂耐高温材料等， 以提高燃烧室的使用寿命和稳定性。
温度控制优化
采用高效燃烧室温度控制技术，如冷却水套、热防护等，防止燃烧室 过热或局部高温，提高燃烧室的热效率和使用安全性。
提高燃油喷射与混合气形成效率的方法
多阶段燃油喷射 根据发动机的转速和负荷，采用多阶段燃油喷射技术，实 现燃油的分层喷射和分段燃烧，提高燃油利用率和动力输 出。
汽车发动机原理柴油 机混合气形成与燃烧 课件
01
汽车发动机概述
汽车发动机的类型与特点
汽油机
以汽油为燃料，通过点燃式方式进行 燃烧，具有轻便、低噪音、低油耗等 优点，但同时也存在排放污染较高的 问题。
柴油机
以柴油为燃料，通过压燃式方式进行 燃烧，具有高效率、低油耗、低排放 等优点，但同时也存在噪音较大、制 造成本较高等问题。
简述柴油机混合气的形成和燃烧过程的主要特点
简述柴油机混合气的形成和燃烧过程的主要特点
柴油机混合气的形成主要通过喷油器将柴油喷入气缸内，并与空气混合形成可燃的混合气。
在柴油机中，柴油的喷射是通过高压喷油系统实现的，喷油器会将柴油以高速喷入气缸内，形成小的液滴。
随着喷雾进一步扩散和混合，柴油蒸发成为气态，与周围的空气发生反应，形成高温、高压的混合气。
柴油机燃烧过程的主要特点有以下几点：
1. 自燃性：柴油机的燃烧过程是自燃的，即燃料不需要预先混合空气，在高温和高压的条件下，柴油会自发地点燃。
2. 气缸压力高：由于柴油机采用的是压燃式燃烧方式，混合气在气缸内的压力相对较高，通常达到较高的压缩比，从而增加了柴油机的热效率和功率。
3. 燃烧过程较长：相对于汽油机的燃烧过程来说，柴油机的燃烧速率较慢。
这是因为柴油燃料的自燃性会引起燃烧的延迟，混合气的蒸发和扩散时间相对较长。
4. 高温高压条件下生成大量烟雾：由于柴油燃烧过程中温度和压力较高，同时还有一部分未完全燃烧的碳氢化合物存在，因此柴油机的排放中常常会产生大量的烟雾和颗粒物。
综上所述，柴油机混合气的形成和燃烧过程具有高压、自燃、延迟燃烧和较高的烟雾排放等特点。
这些特点决定了柴油机在高负荷工况下有较高的热效率和牵引力，适用于重载和长途运输等场景。
发动机原理第六章柴油机混合气形成与燃烧
2．对柴油机燃烧室的要求：
① α小，但应燃烧完全及时； ② 适度的ΔP/ΔΦ和Pz值；以保证工作柔和，
平稳，可靠； ③ 排气品质好； ④ 变工况适应好；应在负荷、转速变化时，
柴油机性能稳定； ⑤ 冷起动性好； ⑥ 制造、维修方便。
3、直喷式燃烧室的空气涡流运动
空气涡流运动是加速混合气形成的 有效手段；也是保证完善燃烧的重 要条件。
3．影响喷注质量的主要因素：
喷注结构，喷油压力，气缸内空气的压力，柴油
的粘度等。
二、空气运动对混合气形成的影响
缸内空气的涡流运动能加速雾化的油滴与 周围空气的混合，促进燃烧过程的进行。
但涡流过强，会使燃烧产物与邻近的喷注重叠； 涡流过强也使进气阻力加大，充量系数下降。
三、典型燃烧室结构分析
1．燃烧室分为两大类:直喷式和分开式。 直喷式燃烧室：燃油直接喷入由活塞顶和缸盖形成的
汽油机：提高火焰传播速度。 柴油机：保证及时形成较均匀的混合气。
第一节 混合气形成与燃烧过程
一、燃烧方式--油滴扩散燃烧
柴油机是在压缩过程中活塞接近上止点时,借助喷 油设备将燃油在高压下成雾状喷入燃烧室,以便 与空气形成可燃混合气。
油滴的着火要满足两个条件： （1）混合气的温度要高于着火临界温度。 （2）混合气的浓度要适当，即混合气的浓度要在
不变）
面容比大，经济性较差，启动性差（传热和流动损失大，装电热塞）
涡流室式燃烧室
1）预燃室式燃烧室
混合气形成：空间雾化混合为主。一般采用轴针 式喷油器。
主要特点：
喷雾质量要求不高（预燃室形成强的紊流和二次喷射的燃
烧涡流形成混合气）。
ΔP/ΔΦ较小，工作柔和。 空气利用率高，α值可较小。 变工况适应性好，对转速不敏感。 NOx排放低 启动性差，面容比较大，经济性差 低速噪声（惰转噪声）大(预燃室气体速度低，油束贯穿力大，
(完整版)汽车发动机原理课后习题答案
第二章发动机的性能指标1.研究理论循环的目的是什么？理论循环与实际循环相比，主要作了哪些简化？答:目的：1.用简单的公式来阐明内燃机工作过程中各基本热力参数间的关系，明确提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均有效压力为代表的动力性的基本途径2.确定循环热效率的理论极限，以判断实际内燃机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力3.有利于分析比较发动机不同循环方式的经济性和动力性简化：1.以空气为工质，并视为理想气体，在整个循环中工质的比热容等物理参数为常数，均不随压力、温度等状态参数而变化2.将燃烧过程简化为由外界无数个高温热源向工质进行的等容、等压或混合加热过程，将排气过程即工质的放热视为等容放热过程3.把压缩和膨胀过程简化成理想的绝热等熵过程，忽略工质与外界的热交换及其泄露等的影响4.换气过程简化为在上、下止点瞬间开和关，无节流损失，缸内压力不变的流入流出过程。
2.简述发动机的实际工作循环过程。
四冲程发动机的实际循环由进气、压缩、燃烧、膨胀、排气组成3.排气终了温度偏高的原因可能是什么？有流动阻力，排气压力>大气压力，克服阻力做功，阻力增大排气压力增大,废气温度升高。
负荷增大Tr增大；n升高Tr增大，∈+，膨胀比增大，Tr减小。
4.发动机的实际循环与理论循环相比存在哪些损失？试述各种损失形成的原因。
答：1.传热损失，实际循环中缸套内壁面、活塞顶面、气缸盖底面以及活塞环、气门、喷油器等与缸内工质直接接触的表面始终与工质发生着热交换2.换气损失，实际循环中，排气门在膨胀行程接近下止点前提前开启造成自由排气损失、强制排气的活塞推出功损失和自然吸气行程的吸气功损失3.燃烧损失，实际循环中着火燃烧总要持续一段时间，不存在理想等容燃烧，造成时间损失，同时由于供油不及时、混合气准备不充分、燃烧后期氧不足造成后燃损失以及不完全燃烧损失4.涡流和节流损失实际循环中活塞的高速运动使工质在气缸产生涡流造成压力损失。
柴油机混合气形成和燃烧
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11
三、柴油机的有害排放物和振动噪声
CO和HC的生成机理与汽油机相同，但a>1，缝隙激冷效应
小，故其排放小。 柴油机有害排放物：NOx, PM, 且二者矛盾。 CO2 1) NOx的生成机理:
根据燃料及其混合气形成方式分为： 热力NO(Themal NO)和快速NO（Prompt NO） ➢ 热力NO产生条件：高温、富氧、滞留时间汽油机
适应高效率低排放燃烧方式的要求
.
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二、喷射雾化和油束特性
➢ 喷雾(油束)特性取决于喷油器的结构、喷射压力和背压， 是影响混合气形成的主要因素
➢ 油束特性：用几何形状和雾化质量评价
几何形状：贯穿距离L ；贯穿率和喷雾锥角或B
贯穿率：油束射程与喷 孔出口沿喷孔轴线到达 燃烧室壁面的距离的比
核心部分液滴 密集，速度高
.
粒径分布
粒子直径/nm
15
高温：在预混合火焰温度2000~2400K范围内出现峰值； 在
扩散火焰区缺氧
实验结果
未氧化PM。
由 HC
向碳烟
的转换
T>2400K时：PM
率
计算结果
C原子不易凝聚；
已形成的碳烟氧化。
急速加热到1700K以上 时，聚乙炔及碳蒸汽成 为中间产物而生成碳烟
➢危害：致癌物；大气可见度
喷射压力与供油压力有关; 但非线性关系，不可控。
.
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直列泵
VE型分配泵： 一个柱塞，与固定
在一起的端面凸轮 盘一同旋转
调速手柄
调速套筒 飞锤 燃油入口
停车 调速弹簧 手柄
流回油箱
溢流节流孔
张力杠杆 断油阀
供油量控制：通过驾驶 调 压 阀 员/调速器调节油量控制
燃烧学-第六章
二、雾化方式和喷嘴
• 按照油的雾化机理，工程上油的雾化方式分为：压力式、旋 转式和气动式等。前两种又称为机械式雾化。如下图所示。
压力式雾化喷嘴
压力式雾化喷嘴又称为离心式机械雾化器。它可以用在航空喷气发动机、 燃气轮机、柴油机以及锅炉和工业窑炉上。 燃油在高压下通过雾化片的特殊机械结构将燃油雾化，通过喷油嘴喷出。 按该原理工作的雾化器有：直流式、离心式和转杯式
中间直径法（d50）
是一个假定液滴的直径，即液雾中大于或小于这一直径的两部分 液滴的总质量相等。
索太尔平均直径法（dSMD）
设在特定的液滴群中的滴数为N0 ，且所有液滴的直径都等于
dSMD，而这些液滴的总体积与总面积之比正好等于实际液滴群的总
体积与总面积之比。
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（2）雾化角
出口雾化角
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（3）燃料的流量密度分布 单位时间内通过与燃料喷射方向相垂直的单位截面上燃 油质量沿半径的分布规律。
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（4）喷雾射程 喷嘴水平喷射时，油雾液滴丧失水平方向动能的行程。 不同直径油粒的射程也不同。射程取决于轴向速度和颗 粒度。射程的大小影响火焰长度。
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（5）雾化均匀度 积分表示法 将大于某一直径d的所有液滴的质量占全部液滴质量的 百分数表示成液滴直径的函数。 微分表示法 将直径在d和d＋Δ d之间的所有液滴的质量占全部液 滴总质量的百分数表示成液滴直径的函数。
7
四、雾化燃烧－－重点
1.过程：
破碎 雾化器 液体 小液滴 悬浮 边蒸发边燃烧
燃料的蒸发表面积增加 上千倍
燃烧速度加快
2.关键问题：－－雾化 （1）雾化方式：据液体燃料的蒸发性定 不易蒸发的液体－－喷嘴雾化 （2）易蒸发的液体－－汽化器
发动机燃烧着火过程
4．后燃期 从缓燃期终点D到燃料基本燃烧完毕（累计放热率 X>95%）的E点称为后燃期。由于柴油机混合气形成时间 短，油气混合极不均匀，总有一些燃料不能及时燃烧，拖 到膨胀期间继续燃烧，特别是在高负荷时，过量空气少， 后燃现象比较严重。后燃期内的燃烧放热，由于远离上止 点进行，热量不能有效利用，并增加了散热损失，使柴油 机经济性下降。此外，后燃还增加了活塞组的热负荷以及 使排气温度升高。 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。
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。 对着火落后期的要求主要是要稳定并尽可能短。稳定 是指每循环中的 ϕi长短不要离散过大，这就使B点的位置 相对稳定，由此使最高燃烧压力pmax所对应的角度相对稳 定，发动机循环波动率（见后述）不致于过大。所谓 ϕi尽 可能短是因为，过长会使ϕ i 的大小不稳定。考虑到pmax 出 现在上止点稍后为最佳时刻，一般使B点出现在上止点前 12-15 °较为合适。
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θig角。 在转速不变时，随着节气门的减小，进气管真空度上升， 残余废气系数φr将加大，使得燃烧速度下降。这样，着火 落后期和燃烧持续期都加大，就要求点火提前以保证加热 中心接近上止点位置。 化油器式汽油机设有机械的转速和真空提前装置来保 证上述要求。电控汽油喷射机型则直接靠点火提前角的 MAP图来加以精确控制。
简述柴油机混合气的形成和燃烧过程的主要特点
简述柴油机混合气的形成和燃烧过程的主要特点
柴油机混合气的形成和燃烧过程的主要特点如下：
1. 混合气形成：柴油机燃烧采用的是直接喷射燃油的方式，燃油通过喷油嘴喷入到气缸内，然后与空气混合形成混合气。
相比汽油机的预混合气形式，柴油机的混合气是在气缸内形成的。
2. 混合气浓度高：柴油机的混合气浓度通常较为高，可达到14：1到25：1。
这是因为柴油机所使用的燃油具有较高的能
量密度，可以同时实现更高的压缩比和更高的燃烧温度。
3. 自燃点高：柴油机的混合气具有较高的自燃点。
由于混合气浓度高和燃油的特性，混合气需要达到一定的温度才能自发燃烧。
这有助于控制燃烧过程，防止发动机产生异常燃烧。
4. 点火方式不同：柴油机的燃烧是通过压燃来实现的，而非火花点火。
燃油喷入气缸后由于高压和高温的作用，使得燃油迅速氧化分解，产生大量的热量和高压气体。
然后，由于压燃的作用，燃料自燃并瞬间燃烧。
5. 燃烧时间长：相比于汽油机的快速燃烧，柴油机的燃烧过程时间较长。
这是因为在柴油机燃料的压燃条件下，燃烧速度较慢，需要一定时间来完成。
6. 黑烟排放：由于柴油机燃烧的特性，其排放中容易产生黑烟。
黑烟是不完全燃烧的产物，主要由碳颗粒组成。
为了减少黑烟排放，需要控制燃烧过程，提高燃烧效率。
总体而言，柴油机混合气的形成和燃烧过程具有混合气浓度高、自燃点高、点火方式不同、燃烧时间长和黑烟排放等特点。
这些特点决定了柴油机在燃烧效率、功率输出和排放控制等方面与汽油机有着不同的特性。
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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。
2.理想的燃烧放热规律及其控制
(1) 放热始点的要求及控制
无论汽油机还是柴油机，都希 望放热始点的位置能保证最大燃烧 压力 pmax 出现在上止点后 10°~15 ° 。为此汽油机通过点火提前角 θig ，柴油机通过喷油提前角 θinj 的 变化以及着火落后期长短来加以调 控。由于各工况的着火落后期不相 同，所以每个工况都有其最佳的θig 角或θinj角。
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。
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、 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。
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。 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。
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。
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θig角。 在转速不变时，随着节气门的减小，进气管真空度上升， 残余废气系数φr将加大，使得燃烧速度下降。这样，着火 落后期和燃烧持续期都加大，就要求点火提前以保火的 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。 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。
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℃。 一般要求缓燃期不要过长，否则会使等容度下降，后 膨比上升，循环热效率下降。即缓燃期不要缓燃，而应越 快越好。加快缓燃期燃烧速度的关键是加快混合气形成速 率。
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。 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。
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。
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（dp/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。
4．后燃期 从缓燃期终点 D 到燃料基本燃烧完毕（累计放热率 X>95%）的E点称为后燃期。由于柴油机混合气形成时间 短，油气混合极不均匀，总有一些燃料不能及时燃烧，拖 到膨胀期间继续燃烧，特别是在高负荷时，过量空气少， 后燃现象比较严重。后燃期内的燃烧放热，由于远离上止 点进行，热量不能有效利用，并增加了散热损失，使柴油 机经济性下降。此外，后燃还增加了活塞组的热负荷以及 使排气温度升高。 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。
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。 放热规律的形状决定了前后放热量的比例，对噪声 （dp/d ）、振动和排放量都有很大的影响。在放热始点 和循环喷油量不变条件下，形状的变化，既影响放热曲线 面心的位置，也影响放热持续期的长短，间接对循环热效 率等性能指标产生影响。
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 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。
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还应更低。
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。
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。 对着火落后期的要求主要是要稳定并尽可能短。稳定 是指每循环中的 i长短不要离散过大，这就使B点的位置 相对稳定，由此使最高燃烧压力pmax所对应的角度相对稳 定，发动机循环波动率（见后述）不致于过大。所谓i尽 可能短是因为，过长会使 i 的大小不稳定。考虑到 pmax 出 现在上止点稍后为最佳时刻，一般使B点出现在上止点前 12-15 °较为合适。
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。
2.理想的燃烧放热规律及其控制
(1) 放热始点的要求及控制
无论汽油机还是柴油机，都希 望放热始点的位置能保证最大燃烧 压力 pmax 出现在上止点后 10°~15 ° 。为此汽油机通过点火提前角 θig ，柴油机通过喷油提前角 θinj 的 变化以及着火落后期长短来加以调 控。由于各工况的着火落后期不相 同，所以每个工况都有其最佳的θig 角或θinj角。
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。
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、 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。
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。 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。
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。
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θig角。 在转速不变时，随着节气门的减小，进气管真空度上升， 残余废气系数φr将加大，使得燃烧速度下降。这样，着火 落后期和燃烧持续期都加大，就要求点火提前以保火的 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。 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。
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℃。 一般要求缓燃期不要过长，否则会使等容度下降，后 膨比上升，循环热效率下降。即缓燃期不要缓燃，而应越 快越好。加快缓燃期燃烧速度的关键是加快混合气形成速 率。
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。 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。
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。
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（dp/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。
4．后燃期 从缓燃期终点 D 到燃料基本燃烧完毕（累计放热率 X>95%）的E点称为后燃期。由于柴油机混合气形成时间 短，油气混合极不均匀，总有一些燃料不能及时燃烧，拖 到膨胀期间继续燃烧，特别是在高负荷时，过量空气少， 后燃现象比较严重。后燃期内的燃烧放热，由于远离上止 点进行，热量不能有效利用，并增加了散热损失，使柴油 机经济性下降。此外，后燃还增加了活塞组的热负荷以及 使排气温度升高。 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。
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。 放热规律的形状决定了前后放热量的比例，对噪声 （dp/d ）、振动和排放量都有很大的影响。在放热始点 和循环喷油量不变条件下，形状的变化，既影响放热曲线 面心的位置，也影响放热持续期的长短，间接对循环热效 率等性能指标产生影响。
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 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。
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还应更低。
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。
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。 对着火落后期的要求主要是要稳定并尽可能短。稳定 是指每循环中的 i长短不要离散过大，这就使B点的位置 相对稳定，由此使最高燃烧压力pmax所对应的角度相对稳 定，发动机循环波动率（见后述）不致于过大。所谓i尽 可能短是因为，过长会使 i 的大小不稳定。考虑到 pmax 出 现在上止点稍后为最佳时刻，一般使B点出现在上止点前 12-15 °较为合适。