发动机原理：(六)汽油机混合气形成与燃烧1
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★ 燃烧粗暴、热裂解发生，甚至冒黑烟 ★燃气压力剧烈波动使pmax和dp/dφ ↑↑，使机械负荷↑。
爆燃的危害
正常燃烧火花塞
爆燃---火花塞绝缘体烧毁
区别 汽油机爆震 柴油机粗暴燃烧
4、防止爆燃的对策
记: t1——由火核形成至火焰前锋面传播到末端混合气所需时间 t2——由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间
2、明显燃烧期（φB～φC ）
燃烧特性参数2：压力升高率
压升率 = dp/dφ
最高压升率（dp/dφ ）max (MPa/CA)
平均压升率 dp/dφ的影响
dp pc pb
d c b
dp/dφ ↑,η i↑，但NOx↑，机械损失及 Biblioteka Baidu负荷↑,噪声 振动↑
一般汽油机
循环波动——不同循环之间的燃烧变动
各缸不均匀——各缸之间的燃烧差异
爆燃的机理与对策
1、爆燃现象（Knocking）
正常燃烧
轻微爆燃
强烈爆燃
尖锐的金属敲击声，声频为3～7KHz 机身有明显振动 功率下降、转速不稳，甚至冒黑烟 示功图出现不同程度的“锯齿波” 冷却水、机油和气缸盖等温度升高
dp/dφ ＝0.2～0.4（MPa/CA）
（dp/dφ）max
3、后燃期（φC～φD )
现象: 燃烧剩余约10％燃料，主要存在于火焰前锋面
扫过后尚未完全燃烧区域、壁面附近未燃混合气
要求： 燃期要短—后燃期↑， ηi ↓ ， 排温↑，甚至“放
炮” 燃烧完全—否则，HC↑，CO ↑
8.1.2 汽油机 Vs 柴油机燃烧特性
火焰前锋面速度<100m/s，压力波和 热辐射分别为音速和光速
3、爆燃的危害
★ 燃室壁面的层流边界层和油膜被破坏，散热↑↑， 热负荷↑，严重时活塞顶烧熔;
★由于油膜层被破坏，引起活塞组异常磨损，拉缸 甚至活塞环断
★ 轻微爆燃有可能略改善油耗和功率，但严重爆燃时 ηt ↓，热损失↑，导致be↑，Pe ↓
2、爆燃机理
末端混合气（End gas）受压缩和热辐射， 以低温多阶段方式产生自燃（Selfignition）
多点大面积自燃，形成局部温度压力陡升 （瞬时压力18MPa），压力波在传播过程种 形成“激波”。
激波冲击燃烧室壁面产生高频振音（也有 说共振），并在示功图上可观察到这种压力 波动。
注意：
燃烧特性参数1： 最高爆发压力pmax pmax ↑，ηi ↑，W i ↑，
但NOx ↑，机械负荷及热负荷↑； pmax位置，φc＝10～15 CA（ ATDC）
Pmax的控制优化
Pmax出现的位置可用点火提前角θig 来控制；
MBT：Minimum advance for Best Torque，对于最大转矩的最佳点火提前
EQ491汽油机，排量2.5升； 大负荷燃烧持续期略有增加，是因为防止爆震而 推迟点火时刻造成的。
汽油机 Vs 柴油机
?为什么汽油机燃烧放热呈“单峰”， ?而柴油机燃烧放热呈“双峰”？
汽油机：预混合燃烧 柴油机：预混 + 扩散≈扩散燃烧
汽油机 Vs 柴油机
对比项 目
汽油机
柴油机
着火
点燃， 高温单阶段着火，单点着火
发动机原理
汽油机的混合气形成及燃烧过程 （1）
第6章 汽油机的混合气形成及燃烧过程
汽油机燃烧过程及分析
火花点汽火油机着火和燃烧的高速摄影
火核形成
火焰特点： 均质透明 火焰前锋面皱褶
柴油机燃烧过程及其特性分析
燃烧过程的高速摄影实例：
0º(TDC)
4º
8º
火焰特点：
多点大面积着火—粗暴 “有焰”12º燃烧—产生碳烟 16º
示功图（P-φ）：
柴油机
压缩压力
燃烧压力Pmax
压升率（dP/dφ）： 各自的合理范围 dP/dφ低，NOx和噪声低
放热速率dQb/dφ: 初期放热率，柴◣，汽▲ 形状，汽单峰，柴双峰
汽油机
8.1. 2 汽油机 Vs 柴油机燃烧特性
汽油机不同负荷时，随负荷的增加， 燃烧持续期缩短； 柴油机，随负荷增加，燃烧持续期变 长； 由于汽油机在中小负荷时的燃烧持续 期拖长，加之上述放热率形状的不同， 其燃烧放热等容度会低于柴油机，即汽 油机最常用的中小负荷不是“等容放热”
噪声振动小，基本不产生碳烟排放， 热效率较低
热效率高，噪声振动大，易产生碳烟排放
汽油机的不正常燃烧
汽油机正常燃烧的特征（点燃式发动机）： 由火花点火引燃（也可有其它强制点火方式） 以火核为中心的火焰有序传播
汽油机不正常燃烧： 爆燃（爆震、敲缸） 表面点火 激爆
汽油机的不规则燃烧：
20º
24º
28º
32º
40º
汽油机燃烧过程及其特点
汽油机燃烧三阶段： （1）着火落后期（ φA~φB ） （2）明显燃烧期（ φB~φC ） （3）后燃期（ φC~φD ）
1、 着火落后期（φA～φB ）
现象： 在φ A点开始火花点火， 高温单阶段 着火； 在φ B点产生稳定的火核，开始火焰 传播； φ B点也可用CA05表示， 即累计放热 5%的相位。
压燃， 低温多阶段着火，多点同时着火
燃烧
火焰在均质预混合气中有序传播，燃 两阶段燃烧，即无序的非均质预混合燃烧和扩散
烧柔和
燃烧，燃烧较粗暴
后燃 混合均匀，因而后燃期较短
混合不均匀，因而后燃期较长
放热 规律
性能
燃烧放热先缓后急， “等腰三角形 燃烧放热先急后缓，“双峰”放热曲线，持续期
”放热曲线，
较长（）
则： 不爆燃的条件 t1 < t2
要求：逐项深入理解上述对策，要搞清为什么？
汽油机爆燃示例
P (bar)
70 60 50 40 30 20 10
0 180
点火提前角 θig =24oCA θig = 19oCA
发动机：EQ491 压缩比：9.0 汽油：90(RON)
燃烧特性参数：着火落后期φ i 10°CA左右 注意区别点火提前角θ ig φ i 相对稳定（相对柴油机），因此θ ig对pmax相位有重要影响
2、 明显燃烧期（φB～φC ）
现象： 火焰充满燃烧室，燃烧压力达到最高， 即pmax ； 其间80～90％燃料被燃烧。
也称为速燃期
放热速率特征值CA50：累计放热50%的相位， 5~10 CA （ATDC）
爆燃的危害
正常燃烧火花塞
爆燃---火花塞绝缘体烧毁
区别 汽油机爆震 柴油机粗暴燃烧
4、防止爆燃的对策
记: t1——由火核形成至火焰前锋面传播到末端混合气所需时间 t2——由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间
2、明显燃烧期（φB～φC ）
燃烧特性参数2：压力升高率
压升率 = dp/dφ
最高压升率（dp/dφ ）max (MPa/CA)
平均压升率 dp/dφ的影响
dp pc pb
d c b
dp/dφ ↑,η i↑，但NOx↑，机械损失及 Biblioteka Baidu负荷↑,噪声 振动↑
一般汽油机
循环波动——不同循环之间的燃烧变动
各缸不均匀——各缸之间的燃烧差异
爆燃的机理与对策
1、爆燃现象（Knocking）
正常燃烧
轻微爆燃
强烈爆燃
尖锐的金属敲击声，声频为3～7KHz 机身有明显振动 功率下降、转速不稳，甚至冒黑烟 示功图出现不同程度的“锯齿波” 冷却水、机油和气缸盖等温度升高
dp/dφ ＝0.2～0.4（MPa/CA）
（dp/dφ）max
3、后燃期（φC～φD )
现象: 燃烧剩余约10％燃料，主要存在于火焰前锋面
扫过后尚未完全燃烧区域、壁面附近未燃混合气
要求： 燃期要短—后燃期↑， ηi ↓ ， 排温↑，甚至“放
炮” 燃烧完全—否则，HC↑，CO ↑
8.1.2 汽油机 Vs 柴油机燃烧特性
火焰前锋面速度<100m/s，压力波和 热辐射分别为音速和光速
3、爆燃的危害
★ 燃室壁面的层流边界层和油膜被破坏，散热↑↑， 热负荷↑，严重时活塞顶烧熔;
★由于油膜层被破坏，引起活塞组异常磨损，拉缸 甚至活塞环断
★ 轻微爆燃有可能略改善油耗和功率，但严重爆燃时 ηt ↓，热损失↑，导致be↑，Pe ↓
2、爆燃机理
末端混合气（End gas）受压缩和热辐射， 以低温多阶段方式产生自燃（Selfignition）
多点大面积自燃，形成局部温度压力陡升 （瞬时压力18MPa），压力波在传播过程种 形成“激波”。
激波冲击燃烧室壁面产生高频振音（也有 说共振），并在示功图上可观察到这种压力 波动。
注意：
燃烧特性参数1： 最高爆发压力pmax pmax ↑，ηi ↑，W i ↑，
但NOx ↑，机械负荷及热负荷↑； pmax位置，φc＝10～15 CA（ ATDC）
Pmax的控制优化
Pmax出现的位置可用点火提前角θig 来控制；
MBT：Minimum advance for Best Torque，对于最大转矩的最佳点火提前
EQ491汽油机，排量2.5升； 大负荷燃烧持续期略有增加，是因为防止爆震而 推迟点火时刻造成的。
汽油机 Vs 柴油机
?为什么汽油机燃烧放热呈“单峰”， ?而柴油机燃烧放热呈“双峰”？
汽油机：预混合燃烧 柴油机：预混 + 扩散≈扩散燃烧
汽油机 Vs 柴油机
对比项 目
汽油机
柴油机
着火
点燃， 高温单阶段着火，单点着火
发动机原理
汽油机的混合气形成及燃烧过程 （1）
第6章 汽油机的混合气形成及燃烧过程
汽油机燃烧过程及分析
火花点汽火油机着火和燃烧的高速摄影
火核形成
火焰特点： 均质透明 火焰前锋面皱褶
柴油机燃烧过程及其特性分析
燃烧过程的高速摄影实例：
0º(TDC)
4º
8º
火焰特点：
多点大面积着火—粗暴 “有焰”12º燃烧—产生碳烟 16º
示功图（P-φ）：
柴油机
压缩压力
燃烧压力Pmax
压升率（dP/dφ）： 各自的合理范围 dP/dφ低，NOx和噪声低
放热速率dQb/dφ: 初期放热率，柴◣，汽▲ 形状，汽单峰，柴双峰
汽油机
8.1. 2 汽油机 Vs 柴油机燃烧特性
汽油机不同负荷时，随负荷的增加， 燃烧持续期缩短； 柴油机，随负荷增加，燃烧持续期变 长； 由于汽油机在中小负荷时的燃烧持续 期拖长，加之上述放热率形状的不同， 其燃烧放热等容度会低于柴油机，即汽 油机最常用的中小负荷不是“等容放热”
噪声振动小，基本不产生碳烟排放， 热效率较低
热效率高，噪声振动大，易产生碳烟排放
汽油机的不正常燃烧
汽油机正常燃烧的特征（点燃式发动机）： 由火花点火引燃（也可有其它强制点火方式） 以火核为中心的火焰有序传播
汽油机不正常燃烧： 爆燃（爆震、敲缸） 表面点火 激爆
汽油机的不规则燃烧：
20º
24º
28º
32º
40º
汽油机燃烧过程及其特点
汽油机燃烧三阶段： （1）着火落后期（ φA~φB ） （2）明显燃烧期（ φB~φC ） （3）后燃期（ φC~φD ）
1、 着火落后期（φA～φB ）
现象： 在φ A点开始火花点火， 高温单阶段 着火； 在φ B点产生稳定的火核，开始火焰 传播； φ B点也可用CA05表示， 即累计放热 5%的相位。
压燃， 低温多阶段着火，多点同时着火
燃烧
火焰在均质预混合气中有序传播，燃 两阶段燃烧，即无序的非均质预混合燃烧和扩散
烧柔和
燃烧，燃烧较粗暴
后燃 混合均匀，因而后燃期较短
混合不均匀，因而后燃期较长
放热 规律
性能
燃烧放热先缓后急， “等腰三角形 燃烧放热先急后缓，“双峰”放热曲线，持续期
”放热曲线，
较长（）
则： 不爆燃的条件 t1 < t2
要求：逐项深入理解上述对策，要搞清为什么？
汽油机爆燃示例
P (bar)
70 60 50 40 30 20 10
0 180
点火提前角 θig =24oCA θig = 19oCA
发动机：EQ491 压缩比：9.0 汽油：90(RON)
燃烧特性参数：着火落后期φ i 10°CA左右 注意区别点火提前角θ ig φ i 相对稳定（相对柴油机），因此θ ig对pmax相位有重要影响
2、 明显燃烧期（φB～φC ）
现象： 火焰充满燃烧室，燃烧压力达到最高， 即pmax ； 其间80～90％燃料被燃烧。
也称为速燃期
放热速率特征值CA50：累计放热50%的相位， 5~10 CA （ATDC）