5汽油机的混合气形成与燃烧(新)

二、热面点火（表面点火）
定义：在汽油机中，凡是不靠电火花点火 而由燃烧室炽热表面(如过热的火花塞绝缘 体和电极、排气门、炽热的积炭等)点燃混 合气而引起的不正常燃烧现象，称为表面 点火。
分类：根据被炽热表面点火的火焰是否始 终以正常速度进行传播 非爆燃性表面点火（早火和后火） 爆燃性表面点火。
第五章 汽油机混合气 形成和燃烧
目录
第一节 汽油机混合气的形成 第二节 汽油机正常燃烧过程 第三节 汽油机的不正常燃烧 第四节 影响燃烧过程的因素 第五节 汽油机的燃烧室 第六节 汽油机电控汽油喷射系统概述
第一节 汽油机混合气的形成
一、化油器式汽油机混合气形成
1.理想化油器特性
起动φat=0.2 ～0.6
爆燃
正常燃烧
爆燃
4．减少爆燃的措施
(1)使用抗爆性高的燃料
选用高辛烷值的汽油
(2)降低末端混合气温度和压力
加强冷却液、降低进气温度，推迟点火，降低 压缩比，及时清除燃烧室积炭，合理设计燃烧室， 缩短火焰传播距离等。
(3)降低负荷、提高转速
降低负荷，上一循环的残余废气量相应增多， 废气对混合气的自燃有阻碍作用。提高转速，混 合气的扰流强度提高，火焰传播速度加快，不易 产生爆燃。
•2、燃烧速度
•燃烧速度是指单位时间内燃烧的混合气的 量。
dm dt
TUTAT
式中：AT 火焰前锋面积；
T 未燃混合气的密度；
UT 火焰传播速度。
由上式可见，影响燃烧速度的因素如下：
1. 火焰速度
火焰速度是决定明显燃烧期长短的主要因 素。现代汽油机的UT可高达50-80m/s。影响 火焰速度的主要因素有：燃烧室中气体的 紊流运动、混合气成分和混合气初始温度。
2．爆燃性表面点火(激爆)
激爆是一种表面点火现象，它是由燃 烧室沉积物引起的爆燃性表面点火，是一 种危害最大的表面点火现象。
发动机低速低负荷(水平路上，汽车行驶速度 低于20km／h)运转时，燃烧室表面极易形成 热性很差的沉积物。它使高压缩比汽油机的 表面温度更高。此外，沉积物颗粒被高温火 焰包围，使其急剧氧化而白炽化，将混合气 点燃。在发动机加速时，气流吹起已着火的 碳粒，使混合气产生多火点燃的着火现象， 致使混合气剧烈燃烧，压力升高率和最高燃 烧压力急剧增加。
危害：存在大量未燃烧的烃，排气中HC 增加。
解决措施：尽量减小熄火厚度及燃烧室的 面容比 F/V，以降低汽油机的 HC排出量。
三、燃烧室壁面的熄火作用
影响因素 ：
① 当过量空气系数=1左右，熄火厚度最小， 混合气加浓或减稀，此厚度均增加；
② 负荷减小时，熄火厚度显著增加； ③ 燃烧室温度、压力提高，气缸紊流加强，
②提高压缩比，则气缸内压力、温度升高， 爆燃易发生；
③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。
2.影响因素
3）火焰前锋传播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
减少火焰前锋传播到末端混合气的时间
这有利于避免爆燃
经济性差，HC增加，工作不稳定
三、点火提前角
点火提前角大小对汽油机性能
有很大影响。当汽油机保持节气门
开度、转速及混合气浓度一定时，
汽油机功率和耗油率随点火提前角
改变而变化的关系称为点火提前角
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。
3. 可燃混合气的密度
增大未燃混合气的密度，可以提高燃烧 速度。因此，增大压缩比和进气压力等， 均可加大燃烧速度。
二、汽油机不规则燃烧
定义：是指在正常运转情况下，内燃机 各循环之间的燃烧差异和各缸之间的燃 烧差异。 1．各循环之间的燃烧差异 2．各缸间的燃烧差异
p p3 p2
3 2
最高压力点3出现的时刻，对发动机功率、 燃油消耗有很大影响。过早，混合气点火 早，使压缩功增加，热效率下降；过迟， 燃烧产物的膨胀比减小，燃烧在较大容积 下进行，散热损失增加，热效率也下降。 实践证明，最高压力出现在上止点后 12°～15°曲轴转角时，示功图面积最大， 循环功最多。此时对应的点火提取前角为 最佳点火提前角。因而，可以通过调整点 火提前角，使最高燃烧压力出现在适宜的 位置。
气缸直径大时，火焰传播距离增加，爆燃 倾向增大，故没有很大缸径的汽油机。
3、危害
1. 轻微敲缸时，发动机功率上升；
2. 严重时，可产生冷却水过热，功率下降， 耗油率上升。
严重时破坏缸壁表面的附面气膜和油 膜，使传热增加，气缸盖和活塞顶温 度升高，冷却系过热，功率减少，耗 油率增加；
可造成活塞、气门烧坏，轴瓦破裂， 火花塞绝缘体破裂，润滑油氧化成胶 质，活塞环粘在槽内。
1．爆燃
特征： 气缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦
称之敲缸。压力冲击波反复撞击缸壁。 原因（本质）：
末端混合气受到压缩和辐射热的作用，加 速了先期反应产生了自燃。
2、影响因素
1）燃料性质
辛烷值高的燃料，抗爆燃能力强。
2）末端混合气的压力、温度和压缩比
①末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾 向增大。
二、汽油喷射系统混合器形成
成分决定条件
吸入的空气量和喷油器喷射的燃料量
电子控制的汽油喷射系统，以发动机转 速和空气量为依据，由ECU接受来自各个 传感器的信号，经处理后，将控制信号 送到喷油器，通过控制喷油器启闭时间 长短，变供油量，使达到最佳空燃比， 以适应发动机运行工况的要求。
第二节 汽油机正常燃烧过程
着火延迟期的长短，与燃料本身的分子结 构和物理化学性质、过量空气系数
（ =0．8～0．9时最短)、开始点火时
气缸内温度和压力(取决于压缩比)、残余 废气量、气缸内混合气的运动、火花能量 大小等因素有关。汽油机燃烧过程中，着 火延迟期的影响不如柴油机大。
Ⅱ．明显燃烧期（急燃期） ．
从火焰中心形成到气缸内出现最高压力 为止这段时间，称为明显燃烧期，见图5— 7中第Ⅱ阶段。
当火焰中心形成后，火焰前锋以20～30m／ s的速度，从火焰中心开始逐层向四周的未 燃混合气传播，直到连续不断扫过整个燃 烧室。混合气的绝大部分(约80％以上)在 此期间内燃烧完毕，压力、温度迅速升高， 出现最高压力点3。下图为正常燃烧时，火 焰前锋的瞬时位置。
压力升高率：表征缸内压力变化的急剧程 度，一般为200-400kPa/(°)。
爆燃时火焰以冲击波的速度传播，有尖锐的敲击 声；热面点火时敲缸声比较沉闷。
严重的爆燃增加向缸壁的传热，促使燃烧室内炽 பைடு நூலகம்点的形成，导致表面点火；早燃会使压力升高 率和最高压力增加，热幅射增大，又促使爆燃的 发生。
第四节 影响燃烧过程的因素
一、燃料的影响——使用性能 汽油的蒸发性 ① 蒸发性强——容易气化，混合，燃 烧速度快，燃烧完全。 ② 蒸发性过强—— 会使汽油在炎热的 夏季、高原山区使用时，出现供油 系气阻，甚至发生断油现象。
怠速φat=0.6 ～0.8
在满足最佳性能要求 的前提下，混合气成 分随负荷(或混合气 量)的变化关系。汽 油机是利用节气门实 现混合气量的调节。
小负荷φat=0.7 ～ 0.9 中等负荷φat=1.05 ～1.15 大负荷φat=0.8 ～0.9
2．理想化油器特性的实现
主供油装置 大负荷加浓与怠速加浓 怠速加浓装置 加速装置 起动装置
2．各缸间的燃烧差异
原因：可燃混合气对各缸分配不均 危害：
各缸混合气成分不同，不能使各缸处 于理想的混合浓度工作。 使发动机功率下降 油耗上升，排放污染加大 个别缸出现过热、火花塞烧损现象
2．各缸间的燃烧差异
主要影响因素： 化油器
化油器的安装位置要适当，使其至各缸气道 的路径相同，保证进气管到各缸的通道(管长、 直径、对称性等)相等。
3．防止表面点火的措施
① 选用低沸点的汽油和含胶质较 少的润滑油。
② 降低压缩比。 ③ 避免长时间低负荷运行和频繁
加速减速行驶。 ④ 在燃料中加入抑制热面点火的
添加剂等。
爆燃和表面点火的区别与联系：
爆燃是火花塞跳火后，末端混合气的自燃现象；
表面点火是火花塞跳火以前或之后，由炽热表面 或沉积物点燃混合气所致。
1）紊流运动是指无数小气团的一种无规则 运动，每一气团的大小不一，其流动速度 也不一致，但其宏观流动方向是一致的。
紊流运动使火焰燃烧区厚度增加，火焰 传播速度加快，紊流强度与火焰速度比成 正比关系。
2）混合气成分不同，火焰传播速度明显不 同，
3）混合气初始温度高，火焰传播速度增加。
2. 火焰前锋面积
Ⅲ．补燃期(后燃期)
从最高压力点开始到燃料基本燃烧完 为止，称为补燃期。这一阶段主要是明显 燃烧期内火焰前锋扫过的区域，部分未燃 尽的燃料继续燃烧；吸附于缸壁上的混合 气层继续燃烧；部分高温分解产物等，因 在膨胀过程中温度下降又重新燃烧、放热。
由于活塞下行，压力降低，使补燃期内燃 烧放出的热量不能有效地转变为功。同时， 排气温度增加，热效率下降，影响发动机 动力性和经济性。因此，应尽量减少补燃。 正常燃烧时，汽油机补燃较柴油机轻得多。
汽油的辛烷值高，就不容易发生爆燃燃烧。
二、混合气浓度
过量空气系数
0.8-0.9时，最高温度、最高压力、压力 升高比、功率均达最高值，且爆燃倾向加 大。
l.03-1.1时，燃烧完全，燃油消耗率最低。 温度最高、空气富裕，使NOx增加
<1时，燃烧不完全,CO增加 <0.8或>1.2时，燃烧不完全 ，温度降低，
一、正常燃烧进行情况
火花塞跳火 形成火焰中心 连续地传播 在此期间，火焰传播速
度及火焰前锋的形状均 没有急剧变化，这种状 况称为正常燃烧。
正常燃烧过程
1 燃烧过程
燃烧过程按其压力变化的特征，可分为I、 Ⅱ、Ⅲ三个阶段。
I．着火延迟期（滞燃期）
从火花塞跳火开始到形成火焰中心为止 这段时间，称为着火延迟期，见图5—7中 阶段I所示。从火花塞跳火开始到上止点的 曲轴转角，称为点火提前角，用θ。表示。
熄火厚度均减小。
第三节 汽油机的不正常燃烧
一、爆震燃烧
1．定义：
汽油机燃烧过程中，火焰前锋以正常的传播速 度向前推进，当火焰前方未燃的混合气(末端混合 气)受到已燃混合气强烈的压缩和热幅射作用，其 本身的温度不断升高，以致于在正常的火焰到达之 前，末端混合气内部最适宜着火的部位，已出现一 个或多个火源，形成火焰中心，这种现象称为爆燃。
早燃（早火）
定义：指在火花塞点火之前，炽热表面就 点燃混合气的现象。
危害: 由于它提前点火而且热点表面比火花
大，使燃烧速率快，气缸压力、温度增高， 发动机工作粗暴，并且由于压缩功增大， 向缸壁传热增加，致使功率下降，火花塞、 活塞等零件过热。
后火
火花塞跳火点燃混合气后，在火焰传播过 程中，由于炽热表面使火焰前锋未扫过区 域的混合气被点燃，但形成的火焰前锋仍 以正常的火焰传播速度向未燃气区推进， 称为后火。这种现象可在发动机断火后， 发现发动机仍像有电火花点火一样，继续 运转，直到炽热点温度下降到不能点燃混 合气为止，发动机才停转。
火花塞跳火后，并不能立刻形成火焰 中心，因为混合气氧化反应需要一定时间。 当火花能量使局部混合气温度迅速升高， 以及火花放电时，两极电压在15000V以上 时，混合气局部温度可达2000℃，加快了 混合气的氧化反应速度。这种反应达到一 定的程度(所需要时间约占整个燃烧时间的 15％左右时)，出现发光区，形成火焰中心。 此阶段压力无明显升高。
进气管
进气管内表面光滑，弯道少。
汽油喷射技术
可以改善雾化质量，使各缸间混合气的分配 均匀。如多点喷射的汽油机，使各缸供油量基本 保持一致，发动机性能得到改善。
三、燃烧室壁面的熄火作用
现象：在火焰传播过程中，紧靠壁面附近 的火焰不能传播。
原因：由链反应中断和冷缸壁使接近缸壁 的一层气体冷却所造成。
1．各循环之间的燃烧差异
原因：燃烧的不稳定性 表现：循环的压力波动 影响循环波动的因素：
混合气浓度、发动机负荷、转速、点火 时刻、燃烧室形状，火花塞位置、压缩 比、配气定时等
为提高发动机功率，减少油耗，降低排放 污染和噪声，应使燃烧差异降到最小限度
1．各循环之间的燃烧变动
工况一定各个循环的示功不同