第四章 汽油机混合气的形成与燃烧

工作过程（燃油喷射控制）

喷油正时、喷油量、目标空燃比、基本喷 油持续时间
喷油方式和喷油定时 1、同时喷射 2、分组喷射 3、顺序喷射（独立喷射）
工作过程（燃油喷射控制）
喷油时间控制(同步喷射) 1、起动喷油控制 2、起动后的喷油控制 基本喷油持续时间 起动后各工况下喷油量的 修正： a、起动后加浓 b、暖机加浓 c、进气温度修正 d、大负荷加浓 e、过渡工况空燃比控制 f、怠速稳定性修正
化油器式发动机的不足之处:

节流损失大 不可能在各种工况下均提供最佳混合比


对大气条件和环境适应性差
仅提供均质混合气 各缸混合气分配不均匀


二、汽油喷射式混合气形成
汽油喷射的基本概念

用喷油器将一定压力和数量的汽油喷入进气道 或气缸内，其目的是提高汽油雾化质量，改进 燃烧，改善汽油发动机的性能。
思考：

汽油机和柴油机在燃烧过程上会有什么不同？

汽油机的不正常燃烧如何产生？
二、汽油机的不正常燃烧

爆燃：火花塞跳火后，末端可燃混合气的自燃 现象。 表面点火：气缸内的混合气不是被火花塞点燃， 而是被气缸内的炽热表面点燃的现象。

（一） 爆震燃烧

产生的原因 — 终端混合 气自燃 正常燃烧—30 ~ 70 [ m/s ] 轻微爆燃 —100 ~ 300 [ m/s ] 强烈爆燃 — 800 ~ 1000 [ m/s ]
炽 热 表 面
1 后火（后燃） 在火花塞点燃混合气以后, 炽热表面才点 燃混合气的现象。 2 早火（早燃） 发生在火花塞点火以前。
表面点火示功图
表面点火的危害
早燃：


火焰传播速度高，压力升高率高；
压缩负功增加，功率下降； 零件过热，着火提前。
后燃： 发生在正常火焰传播中，影响不大。



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。
正常燃烧与爆震燃烧的比较
造成的危害
（1） 压力脉冲

噪声：其频率在5000 Hz 以上； 传热量增加，冷却系统过热，磨损，零件寿命。
1.楔形：
1）燃烧室较紧凑，火焰传播距离 较短。
2）挤气面积较大，对末端混合气 冷却作用较强，爆燃倾向减小， 可采用较高的压缩比。HC排放 量较多。
3）气门斜置（6-30），有利于增 大气门直径，气道转弯较少，使 进气阻力减小，提高了充气性能。 4）火花塞布置便于利用新气清除 火花塞附近的废气，保证低速低 负荷性能良好。但工作粗暴， NO，排出量较高。
3
4
补燃 排温，热 负荷,热效率，经济性。
意义：
360° TDC
420°

汽油机的燃烧过程
小结：
滞燃期： 尽量短， 可以通过 点火提前 角来控制 燃烧起点。
急燃期：长度 适当，压力升 高率适当。
p
补燃期：尽量 短，避免发动 机经济性下降。
Ⅲ
Ⅰ
Ⅱ
3
2 1 2’
4

300° 360° TDC 420°
爆燃
汽油机的不正常燃烧 ABNORMAL COMBUSTION IN SI ENGNE
表面点火
四冲程汽油机的p-φ图
一、正常燃烧 （一）燃烧过程
p
Ⅰ
Ⅱ
最高压力点
Ⅲ
燃烧完成
压力曲线分离 火焰核心形成 跳火
300°
3
2’2 1
4
θ
纯压缩线
360° TDC 420°
汽油机的燃烧过程
1、着火落后期（滞燃期、着火延迟期）
燃烧速度－影响因素
dm U T AT T dt

UT=f(vp,Φ a,T0)
火焰传播速度UT
• • • 气体的紊流运动 气体紊流运动弱 混合气浓度 混合气初始温度

火焰前锋面积AT 可燃混合气密度ρT
气体紊流运动强
(三)、 使用因素对燃烧过程的影响

点火提前角


混合气浓度
转速

负荷
二、常用典型燃烧室
2.浴盆型

l）、气门尺寸受限制。 2）挤气面积小，挤流 效果比较差。 3）燃烧室的面容比较 大，火焰传播距离相对 较长，不便于采用高的 压缩比。 4）制造工艺好，便于 维修。


二、常用典型燃烧室

3.半球形 1）结构紧凑，与前两种相比， 面容比最小，火焰传播距离最短。
第四章 汽油机混合气的 形成和燃烧
本章内容：

汽油机混合气的形成； 汽油机的燃烧过程；
重点


汽油机的燃烧室。
第一节
混合气的形成
本节内容：

两种混合气形成方式的原理
两种方式的对比

汽油机混合气形成的两种方式

化油器式混合气形成 汽油喷射式混合气形成
一、化油器混合气形成过程
1、较小的油粒随空气的流 动很快蒸发混合； 2、较大的油粒在进气和压 缩过程中慢慢吸热蒸发混 合； 3、大油粒则沉积在进气管 壁上，形成油膜，随着发动 机的抖动慢慢流向气缸，在 气缸内吸热蒸发。
富氧，NOx排放最大。
Φa <0.8或>1.2时，火焰速度缓慢，不完全燃烧，HC排放增加，且工
作不稳定。
Φa值的范围

0.2～0.6 — 冷起动混合气； 0.85～0.95 — 功率混合气； 1.05～1.15 — 经济混合气。
3. 转速
(1) n 紊流、散热 、易 吹散已形成的火焰中心。 (2)n 紊流强度 火焰传 播速度 爆燃趋势。 (3) n 每循环所用时间, 以曲轴转角记的着火落后期 点火提前角调节装置 使 。
分类:
1 进气管内喷射 （1） 单点喷射 大喷咀位于节气门之前的化油器位置, 安装空气计 量装置和电子控制喷油装置。 （2） 多点喷射 小喷咀安装于各个进气歧管之中。
分类:
2 缸内喷射 喷咀开启压力3～5 [ Mpa ] 进气过程上止之后30～50 — 开始喷油。 压缩冲程上止点 — 停止喷油。
（2） 高温分解

局部温度, 出现高温分解, 生成CO,H2,O2, NO等， 严重时析出游离炭粒 。
（3）促进表面点火发生
影响因素:

辛烷值高， 抗爆能力强。
燃料性质 末端混合气的压力和温度
火焰前锋传播到末端混合气的时间


（二） 表面点火

在火花点火式发动 机中, 凡是不依靠电火 花点火, 而是由于炽热 表面 （ 如过热的绝缘 体电极、排气阀, 尤其 是燃烧室表面炽热的沉 积物 ） 点燃混合气的 不正常燃烧现象。
汽油机的燃烧过程
思考：
如何控制燃烧 过程的长短？
决定因素： 燃烧速度
（二）燃烧速度

定义：单位时间燃烧的混合气量，表示为：
dm U T T AT dt
式中 U T —火焰传播速度，定义；
T —未燃混合气密度；
AT —火焰前锋面积。
意义：影响明显燃烧期长短及最高压力点 相对曲轴转角的位置。
4. 负荷
(1)负荷 节气门开 度 进入气缸的 混合气 废气的比例相对 混合气稀释，燃 烧恶化 传热损失 (2)负荷 缸内p， T 爆燃趋势。
（四）汽油机的不规则燃烧

汽油机的不规则燃烧是指在稳定正常运转情况下， 各循环之间的循环变动和各缸之间的燃烧差异。

第二节 汽油机的燃烧过程
本节内容：

重点 难点



汽油机正常燃烧过程（3个阶段） 燃烧速度（3个影响因素） 使用因素对汽油机燃烧过程的影响 （4个因素） 汽油机的不正常燃烧（2种类型）
汽油机的正常燃烧 COMBUSTION IN SI ENGINE
汽油机的不正常燃烧 ABNORMAL COMBUSTION IN SI ENGNE
爆燃和表面点火的比较：


爆燃时火焰以冲击的速 度传播，有尖锐的敲缸 声，表面点火时火焰传 播速度正常，敲缸声比 较沉闷。 爆燃促使以后循环的炽 热表面易点火，而表面 点火亦促使循环的爆燃 倾向增加。
第三节 燃烧室

决定汽油机性能的重要因素。

要求：经济性、动力性好； 工作平稳、噪声小； 结构简单、制造方便。
Ⅱ
3
影响因素：
燃烧速度
2 1 2’
火花塞位置
燃烧室形状
300°
360°
420°
TDC
汽油机的燃烧过程
3、补燃期（后燃期）
在3点过后的燃烧主要为：
（1） 在明显燃烧期火焰前 锋面漏掉的燃料继续燃烧。
Ⅰ
p
Ⅱ
Ⅲ
（2） 粘附在缸壁上的混合 气层继续燃烧。 （3） 高温分解产物重新燃 烧。
2 1 2’
汽油机产生紊流的方法：

挤流：在接近压缩终 点时，利用活塞顶部 和缸盖底面之间的狭 小间隙，将混合气挤 入主要燃烧室内，形 成涡流。
火球形燃烧室：
一、燃烧室设计原则

4、燃烧室形状合理分布 决定燃烧放热率、火焰 传播距离。 1）满足速燃；90％燃 料燃烧 2）考虑燃烧速度的变化 率



二、常用典型燃烧室


补燃 膨胀不充分，热负荷，油耗 。 爆燃趋势。
3、 合适：示功图面积最大，有用功最多。
源自文库
2. 混合气浓度 （ 过量空气系数Φa值 ）
Φa对火焰传播速度的影响 Φa ＝0.85~0.95：燃烧温度高，火焰速度最大，最高燃烧压力、温
度达到最大值。
Φa ＝1.05~1.15：火焰速度减小，燃烧完全，油耗最低，此时高温
一、燃烧室设计原则
1、结构紧凑： 面容比（F/V）：燃烧室表面积与容积之比。

结构紧凑： 相对散热面积小，热损失少； 火焰传播距离短，不易爆燃； 熄火面积小，HC排放少。
一、燃烧室设计原则


2、火花塞位置安排适当及火花塞性质：影响火焰传 播距离、燃烧速度变化率。 火花塞性质：点火能量，火花塞间隙（>1.1mm， 宽间隙火花塞；一般，0.5~0.8mm。） 考虑：1）能利用新鲜充量扫除火花塞周围废气； 2）尽量布置在使末端混合气受热少的位置； 3）火焰传播距离尽可能短; 4）使传播的火焰面变化分配合理。
1 各循环间的循环变动
产生原因：燃烧过程、气流状态、气流速度、 混合气浓度变动。
2 各缸间的燃烧差异
产生原因：进入各缸的混合气的浓度和数量不同。
不规则燃烧：
后果：油耗上升，功率下降，不正常燃烧倾向增加。 采取措施： 1）加大点火能量，采用多点点火； 2）组织进气涡流，加强进气运动； 3）采用理论空燃比或较浓混合气。
1. 点火提前角：从发出电火花 到上止点间的曲轴转角。
点火提前角的影响：
1、

较大： 点火提前较多。
压缩负功 损失 热效率 初期放热 最高燃烧压力变化率 零件机械负荷。 压力升高率 热效率 Pmax、Tmax Pe 膨胀功损失
2、 较小：点火提前少。
p
滞燃期太长
Ⅰ
着火太迟，不便 于控制燃烧起点
2 2’ 1
滞燃期短，可通过调整点 火提前角来控制燃烧起点 300°
θ
360°

420°
TDC
汽油机的燃烧过程
残余废气系数=
气缸中残余废气的质量 气缸中新鲜充量的质量
燃料本身的物化性质
残余废气量
点火时刻缸内混合气压力、 温度水平
混合气的浓度
过量空气系数=



一、燃烧室设计原则
3、燃烧室内的气体运动 1）增大火焰速度； 2）扩大着火界限； 3）减少循环间的燃烧变动； 4）冷却末端混合气区； 5）减小熄火厚度，降低HC排量。
汽油机产生紊流的方法：
涡流：利用进气口和进 气道的形状在进气过 程中造成气流绕气缸 中心线的旋转运动， 由于进气涡流加快了 火焰传播速度，提高 了燃烧速率，使热效 率提高。
起动基本喷油时间
进气温度修正
电压修正 实喷时间 喷油信号持续时间
两种混合气形成方式的比较

汽油喷射系统提高了油量计量与控制精度； 燃油雾化质量好，燃烧改善；


可实现瞬态响应，实施反馈控制；
各缸分配均匀性改善； 提高了充量系数。


思考

两种混合气形成方式控制混合气浓度的原理有 何异同？ 汽油机的理想混合气特性应该是怎么样的？
影 响 滞 燃 期 的 因 素
缸内混合气运动
火花点火能量
燃烧1kg燃料实际供给的空气量 燃烧1kg燃料理论所需的空气量
2、明显燃烧期（ 急燃期、火焰传播期）

p
：压力升高率，代表工作粗暴的程度。
p 0.2 ~ 0.4 Mpa / deg CA
Ⅰ
p
3点的到来时刻： 太早, 则压缩负功热效率。 太迟, 则热量利用热效率。

2）进、排气门均斜置，允许较 大气门直径，进气道转弯最小， 充气效率最高。 缺点：压力升高率过大，工作粗 暴，紊流相对较弱，低速低负荷 稳定性差，气门双行排列，使配 气机构结构复杂。没有挤气面， 被压缩的混合气涡流较弱，易在 低速大负荷时发生爆燃。