影响汽油机换气和燃烧过程的因素

关键词：压缩比

（Cohpression ratio)，配气相位：（Vale —timing diagram)，最高燃烧压力（Max. effective combustion pressure ），点火提前角（Ignitiong advance angle ）

摘要：对于现代的汽车，人们对它的要求不仅仅只局限于其动力性的好坏，而是兼顾其经济性和排放性。一辆汽车的发动机性能如何让就直接关系到整车的性能好坏。在影响汽车性能的诸多因素中，发动机的换气及燃烧过程的地位尤为突出。本文将从汽油机的使用以及结构方面分析影响汽油机换气和燃烧过程。 一影响汽油机换气过程的因素

对充气效率的影响=η1/)1(-ε×(εp a /t a -p r /t r )

1.发动机在实际工作中的进气压力p a 主要受进气道的影响。设进气系统的阻力为p f 近期过程中的气体密度为ρ，进气管道内的气体流速为v 三者满足这样的关

系pf=vv λρ/2.所以发动机的进气阻力与气体的密度，气体速度，和进气管道内壁的摩擦系数关系密切。

①进气管道的阻力主要取决于进气管道的长度，横截面积以及其内表面的粗糙度。进气管道的长度越长气体的动能损失越多，到达到达气缸内的气体压力就会越小。进气管的横截面积越小气体流速越快，但是在管壁粗糙度一定的情况下气体与管壁之间的压力就越大，气体在管内的能量损失就越大（气体因摩擦而能量微乎其微可以忽略）从而导致进气压力下降。另外，进气管的形状也会对进气压力产生一定的影响。管路的弯路越少气体能量损失越少。

②大气中的气体进入进气道时要经过空气滤清器，这就使得进气阻力增加，使气体在进入进气道之前就先损失了部分动能。

③其次，汽车在海拔较高的地区行驶时。由于海拔的影响，气体本身的密度小，大气压较低。这就从气体的源头殇降低了进气压力。

④在使用化油器的汽车中，燃油是利用进气道空气流速高压力低的原理从化油器嘴中被吸出的。而现在大多数汽车的发动机是电喷式燃油供给，燃油以一定的压力喷到进气道中。从这一点来看化油器式发动机的进气压力相对较小。

2.从公式中可以看出，进气终了的混合气温度也会影响发动机的充气效率。进气终了的混合气温度越高，发动机的充气效率越低。因为当气缸的容积和废气残余量一定时进入气缸的混合气温度越高进入气缸的气体密度越小，这就意味着实际充其量越少。这就要求发动机的冷却系统要有足够的冷却强度来防止发动机过热。另外发动机采用进.排气管分置可以避免排气管对混合气的加热。

3.压缩比ε=V 燃/V 缸由压缩比的定义式可知，气缸容积一定时压缩比越高燃

烧室容积越小。因此残余废气量就会减少这就使得进气终了的温度相对较小。又由充气效率的公式=η1/)1(-ε×(εp a /t a -p r /t r )可知，ε增大，1/)1(-ε减小。但这个

影响是很小的，而且随着发动机压缩比的增加这个影响会越小。但压缩比也不可以过大，压缩比过大不仅会使气缸内终燃气体的压力和温度升高，发生爆震燃烧的几率就会增加。而且也会是曲轴连杆机构的压力过大，发动机的机械效率和曲轴连杆机构的寿命下降。

4.在发动机实际工作中，进气量和排气量的多少对发动机的充气效率有着至关重要的作用。而进排气又与发动机的配气相位密切相关。发动机的换气过程是指从排气门开始打开到排气门完全关闭的全过程。也就是说进气提前，迟后角和排气提前，迟后角对发动机近期是否充分，排气是否彻底有着重要影响。其中对充气效率影响最大的就是进气门的迟后关闭角河排气门的迟后关闭角。进气门迟后角过小，发动机不能充分利用气流惯性充分进气，这就导致发动机进气不足使充气效率下降。但进气门的迟后角过大会使进入气缸的混合器被压到缸外，使充气效率下降。排气门迟后角过小会使废气不能利用气流惯性充分被排到缸外，迟后角过大则会使已经排到缸外的废气被吸回缸内。而最佳进，排气迟后关闭角进排气流的惯性来确定，而气流惯性则是由发动机的转速来决定的。由此可见，合

适的配气相位对发动机充气效率的影响是很大的。

影响残余废气的因素

1.进气终了的压力和温度

随进气终了压力提高，和温度降低实际充气量增多，残余废气量相对减少，使充气效率提高。

2.排气终了的压力和温度

随排气终了的压力提高河温度降低，残余废气量增多，残余废气系数增大，使充气效率下降。

3.压缩比

随压缩比的增大，当气缸总容积一定时，燃烧室容积相对减小，残余废气量相对减少，残余废气系数减小，发动机充气效率提高。

4.配气相位

合适的配气相位有利于减小废气参与量使残余废气系数减小，提高发动机充气效率。

发动机的换气过程对发动机的动力性，经济性以及排放性有着至关重要的影响。在影响发动机换气过程的诸多因素中，配气相位河压缩比的地位尤为突出。一台发动机的配气相位是否合理直接关系到这台发动机进气是否充分，排气是否彻底以及进气涡流和排气紊流的形成。进而影响到这台发动机的充气效率。发动机的压缩比影响着进入气缸内混合气在着火延迟器的温度，压力等以及各种燃烧前的化学准备，影响最高燃油压力最高点出现的时间和大小在点火提前角不变的情况下这就直接影响到发动机对外输出功率的大小。此外，当某台发动机的气缸容积一定时，压缩比的大小直接反映了燃烧室容积的大小。压缩比大，燃烧室的容积就小，进而和发动机的配气相位一起影响着气缸内残余废气量，影响到发动机的充气效率。

二．影响汽油机燃烧过程的因素

1.燃油性质的影响

在燃油的各种性质中，汽油的抗爆性对燃烧过程的影响最大。汽油的抗爆性好，发动机就可以采用较高的压缩比，有利于提高发动机的热效率和输出功率。此外，抗爆性好的汽油还可以降低爆燃的几率。

汽油的蒸发性越好就越容易气化，这样就使得混合气形成的更容易而且质量也好，是燃烧速度加快而且容易燃烧，从而提高发动机的经济性。但在炎热或高原地区使用蒸发性好的汽油时容易在油泵之后的油路中形成气阻，使汽车启动困难。特别是长时间停车后启动困难。

2.点火提前角的影响。

对一般发动机来讲，在压缩行程上止点点火是不合理的。因为燃烧不是瞬时完成的。火花塞跳火以后，混合气要经过着火延迟期，急燃期，火焰前锋呈球状以每秒30—80m/s的速率向前推进。如果在火花塞到达上止点时点火，混合气在火花塞迅速下行的过程中燃烧膨胀，整个过程接近等压变化，燃烧热效率低。混合气最高燃烧压力点出现在上止点后大于15度的曲轴转角而且最高燃烧压力低。混合气燃烧膨胀放出的热量大部分以热能的形式传递给缸体，这就会造成发动机缸体过热，油耗增加，对活塞做的功将大大减少。如果点火提前角过大，会使压缩行程后期燃烧掉的油量增加，压力升高率增加，压缩行程所消耗的负功（压缩行程中混合气燃烧释放的能量对活塞做负功，活塞是利用飞轮的惯性向上止点移动，而飞轮的惯性能量来自气体燃烧膨胀形成混合气对活塞做的功）增加，同

时也会使终燃气体的压力和温度增加，增加爆燃的几率。此外，点火太早会使最高燃烧压力点出现过早而且压力很高，加重了活塞环以及曲柄连杆机构的机械负荷，加剧了零部件的磨损。

因此，对某台运行状况一定的发动机，总可以选择一个到一个最佳点火提前角，使最高燃烧压力出现在上止点之后12—15度的曲轴转角之间。此时，混合气燃烧膨胀对活塞所做的功最大，以热量散失的最少，发动机的输出功率最大而且运行稳定。最佳点火提前角并非固定不变，发动机在不同的转速，不同的节气门开度下，最佳点或提前角也不相同。因此，必须根据发动机不同的工况来选择不同的点火提前角，使其接近最佳值。

3.混合气浓度的影响。

混合气的浓度常用过量空气系数或空燃比来表示，混合气的浓度对火焰传播能否进行以及火焰传播速率的大小还有爆燃倾向，排气成分都有很大影响。

试验表明，当过量空气系数在0.85—0.95（功率混合气）时火焰传播速率最高，因而燃烧速率最大燃烧最高温度和压力均提高。此时，循环指示功率最大使用过量空气系数小于1的混合气还有另外两方面的影响。一方面是由于燃油蒸发量增多使进气温度下降，因而充气系数增大。另一方面是燃烧后气体的分子变化系数增大，分子数增多，有利于提高进气压力。这些都有利于燃烧最高压力与温度及指示功率的提高。过量空气系数小于1的不利影响，由于实际供给的空气质量小于燃油燃烧所需要的空气质量会使燃烧不完全，燃油消耗率增加。使用功率混合气时，发生爆震燃烧的倾向增加，此种混合气的火焰传播速率最高，火焰传播时间短。但是此种混合气的着火延迟期短，而且由于汽缸内的压力升高率，燃烧产物的压力温度都有较高的数值，使终燃气体的自然准备时间短。过浓过稀的混合气均有助于消除爆燃。

可燃混合气的浓度只有在一定范围内才能保证火焰进行传播，这就是火焰传播界限。为保证混合气正常燃烧，混合气浓度必须在火焰传播界限之内。汽油机的火焰传播界限是0.5—1.4.混合气浓度在这一范围内，可以保证发动机正常运转。但是火焰传播速率并不是一成不变的常数。它随引起燃烧的条件变化而略有增减。

4.转速的影响

①对着火延迟期的影响

转速增高时，按秒记的着火延迟期基本不变,按曲轴转角计的着火延迟期随之增大。因为当转速增高时，一方面由于紊流加强使混合气的形成更加均匀，加之压缩中了时气体温度升高，使着火延迟期缩短。但另一方面，残余废气系数增加，气流吹走电火花的趋势增加，又使着火延迟期增长。两者综合比较，按秒计的着火延迟期基本不变（发动机的转速很快，一般大于500r/min），按曲轴转角计的着火延迟期增大。因此，汽油机中设有离心点火提前角装置，在转速增加时，自动增大点火提前角。

②对火焰传播速率和爆燃的影响

当转速增高时，进气与挤气紊流均增强，火焰传播速率大体上与转速成正比例增加，因而最高燃烧压力及压力升高率的值随转速变化不大。由于转速提高，火焰传播速率提高火焰传播时间缩短，爆燃倾向减小。

5.负荷的影响

汽油机的负荷变化时，是靠节气门的开度调节进入气缸的混合气数量来达到不同的负荷要求。这种调节方法被称作叫做量调节。

①对着火延迟期的影响

负荷减小时，节气门开度减小，进入气缸的混合气数量减少，而气缸内残余废气量基本不变，残余废气系数增大，对混合气的稀释作用增大。同时因每个循环燃烧的燃油量减少，缸内气体温度下降。因此，必须相应的加大点火提前角。用真空点火提前装置来自动调节。

②对火焰传播速率的影响

负荷减小时，由于残余废气的稀释作用，燃烧温度下降，火焰传播速率下降，同时散热损失增加，油耗加大。

③对爆燃的影响

负荷减小时，由于废弃的稀释作用，气缸内的温度压力下降，使终燃气体的自燃准备时间增长，故爆燃倾向减小。

6.压缩比的影响

压缩比增大时，压缩行程终了时缸内气体温度和压力都会提高，从而加快火焰传播速率，使燃烧终了的温度压力较高，有利于提高发动机热效率。在压缩比较低的区间（汽油机压缩比为8—12），效果尤为明显，但压缩比提高到一定程度（10以上），热效率提高的幅度将明显减慢（前文已提及）。

提高汽油机压缩比的最大障碍就是爆震燃烧。此外，随压缩比的提高，机件的机械负荷（尤其是曲轴连杆机构）会随之增加，机械损失就会增大。而且随着压缩比的提高，混合气燃烧过程所受的压力就会增加，废气中氮氧化合物含量也会增加。因此，汽油机不能追求过高的压缩比。一般原则是：在保证不发生爆燃的前提下，尽量提高压缩比。

小结：一辆汽车的换气以及燃烧过程会直接影响到发动机的热效率，指示效率以及充气效率。汽油机的使用以及自身的结构因素会直接影响到汽车的效率。因此，了解影响汽油机换气和燃烧过程的因素对于提高发动机效率和更好地满足人们的使用是非常重要的。在满足对发动机各方面要求的同时利用最低的成本来提高发动机的动力性，经济性以及排放性。

参考文献

1.陈燕。汽车发动机原理与汽车理论。人民交通出版社。

2.陈家瑞。汽车构造。人民交通出版社。

3.刘玉梅。汽车节能技术与原理。机械工业出版设。

4.王锦愈，闵思鹏。英汉汽车技术词典。机械工业出版社。