第四章内燃机的燃烧

（2）在压缩早、中期增强滚流运动；
（3）在压缩末期滚流破裂成微涡旋。
3、进气涡流与滚流的比较

进气涡流
滚流
相同处
在进气过程中由进气机构和气缸壁导流共 同作用形成 旋转轴与气缸或燃 烧室轴线平行甚至 重合 旋转轴与气缸轴线 垂直
不同处
四、湍流


三、燃烧所需空气量

1、汽油的平均组成为C＝0.856kg，H＝0.144kg，可 用C8H18近似表示，完全燃烧所需的理论空气量为： 14.80kg(空气)/kg(汽油)
11.45m3(空气)/kg(汽油) 2、柴油的平均组成为C＝0.875kg，H＝0.125kg，可 用C16H34近似表示，完全燃烧所需的理论空气量为：
（3）冷却系统过热； （4）气缸盖温度上升。

注意： （1）当发生轻微爆燃时，一般听不到金属敲击声， 其热效率还有所提高；
（2）从循环热效率考虑，最佳点火提前角是不发出 敲击声的轻微爆燃位置，但在实际工作中难于掌握和 控制。
1、爆燃及其危害


早燃与爆燃两种不正常燃烧现象的比较：
a、早燃是燃烧室内的炽热点或炽热表面引燃混合气 所致，一般发生于火花点火之前，且无压力波产生； b、爆燃是在电火花点火以后末端混合气的自然现象， 且有压力波产生。

激爆： 早燃与爆燃相互促进，就形成了激爆，发出很强 的尖锐敲击声，造成比爆燃更大的危害。

1）气缸直径
2）火花塞位置 3）气缸盖与活塞材料 4）燃烧室结构
（2）运转条件的影响

1）点火提前角影响 综合结果是，转速增加，爆燃倾向减小。 3）负荷的影响 负荷减小，爆燃倾向较小。 4）混合气浓度的影响
4.2内燃机缸内的空气运动

内燃机缸内的空气运动包括：
一、涡流
二、挤流
三、滚流
四、湍流
一、涡流

进气涡流－在进气过程中形成的绕气缸轴线旋转 的气流运动。 压缩涡流－压缩过程中形 成的有组织的旋转气流运动。 注意：
进气涡流持续时间较长；
压缩涡流持续时间较短暂。
（二）早燃

如果气缸内的混合气在火花塞点火前，已被燃烧 室内其他的炽热表面点燃，则称为早燃或表面点火。
1、早燃现象

汽油机早燃特征：
早燃的外部表现与爆燃相似，不仅有强烈的敲缸 声（较沉闷），而且压力升高率较大，使压缩行程末 期的负功很大并增加了发动机机件的负荷，从而引起 活塞、连杆的损坏以及气门、火花塞、活塞的过热。
空气质量 燃料量 αL'0 A/ F ＝ ＝αL'0 燃料质量 燃料量
四、燃烧热与绝热火焰温度

反应热－在一定条件下，化学反应伴有的放热或 吸热现象。 燃料的燃烧热或热值－单位数量的燃料完全燃烧 时的反应热。
内燃机中，按燃料的低热值计算热效率。
把可燃混合气经过绝热过程最终达到的燃烧温度 称为绝热火焰温度或最高燃烧温度。
二、燃烧反应方程式

内燃机燃料的主要成分为碳和氢，此外还含有少 量的氧、硫等杂质。 对于一般碳氢化合物来说，其燃烧反应方程式可 写成如下形式：
m m C n H m n O2 nCO2 H 2O 热4 － 1 4 2
第四章 内燃机的燃烧

4.1燃烧的基本理论 4.2内燃机缸内的空气运动 4.3点燃式内燃机的燃烧 4.4点燃式内燃机的燃烧室 4.5压燃式内燃机的燃烧 4.6压燃式内燃机的燃烧室
4.1 燃烧的基本理论

燃烧－燃料与氧化剂进行剧烈放热的氧化反应过程。

如果反应利用空气进行，其燃烧反应方程式可写 成如下形式：
m m C n H m n O2 3.76 n N 2 nCO2 4 4 m m H 2O 3.76 n N 2 热4 － 2 4 2
1、进气涡流产生的方法

二冲程内燃机
在直流扫气的二冲程内燃机 中，只要把扫气口在平面内布置 成一定的倾斜度，就能利用扫气 流本身的运动形成涡流。

四冲程内燃机
导气屏进气门、切向气道或螺旋气道
2、压缩涡流

在压缩行程开始时，缸内存在进气涡流。随着压 缩行程的进行，缸内涡流被压入口径较小的燃烧室凹 坑内。根据动量矩守恒，在进气涡流所具有的动量矩 基本不变的情况下，气流旋转半径缩小，使燃烧室内 的涡流角速度增大。
（1）压力曲线出现高频大振 幅波动；
（2）爆燃过程接近等容燃烧； （3）气缸内各处压力的分布 不平衡，从而形成压力脉冲， 并以波的形式向外传播。

汽油机发生爆燃时的严重后果： （1）机械负荷过高，长期爆燃使机件产生裂纹，造 成零件损坏；
（2）传热量增加，润滑油和冷却水温度过高，导致 汽油机过热，运动件磨损加剧； （3）强烈爆燃时燃气温度很高，燃烧产物发生热分 解，析出碳粒，造成排气冒黑烟，热效率下降；

预混合燃烧－着火前燃料气体或燃料蒸气与氧化 剂已经按一定比例形成混合气。 扩散燃烧－着火前燃料与氧化剂是相互分开的， 着火后燃料边蒸发边与空气混合边燃烧。
注意：
（1）汽油机和气体燃料发动机的燃烧属于预混合燃 烧方式； （2）柴油机的燃烧主要是扩散燃烧方式，燃烧初期 有预混合燃烧方式。
（4）长期在爆燃情况下工作，则局部过热使轻合金 的活塞局部变软、融化或烧损。

汽油机的爆燃现象同柴油机的工作粗暴性的比较： 燃烧本质一致，均为可燃混合气自然结果； 两者在发生时间和缸内状态方面互有差异。
2、影响爆燃的因素

设从火焰中心开始形成起至正常火焰传播到末端 混合气为止所需的时间为t1；
二、挤流

压缩行程后期，活塞接近上止点时，在活塞顶上 部形成的径向气流运动称为挤流。 当活塞下行时，燃烧室内的气体又向外流入环形 空间，产生逆挤流。

说明： （1）挤流速度随曲轴转角不同而变化；
（2）提高压缩比，可提高整个压缩过程的挤流速度； （3）汽油机紧凑型燃烧室，利用强挤流增大燃烧室 内的湍流强度，促进混合气快速燃烧； （4）柴油机利用逆挤流，使燃烧室内的混合气流出， 进一步和气缸内的空气混合燃烧，可改善燃烧和降低 排放。
三、滚流

滚流－在进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线旋 转的空气运动。
1、滚流的形成

在进气过程中，利用流过进气门上、下缘间隙处 的气体速度的不均匀产生的旋转气流运动。
2、滚流的发展变化过程

（1）在进气时产生滚流运动；
14.36kg(空气)/kg(汽油)
11.11m3(空气)/kg(汽油)
过量空气系数和空燃比

过量空气系数－充入气缸内的实际空气质量与进 入气缸内的燃料完全燃烧所需的理论空气量的比值， 即 L' / L'0 (4 4)
空燃比－充入气缸内的实际空气质量与进入气缸 内的燃料量的质量比，即
设从火焰中心开始形成起至末端混合气自然着火 所需的时间为t2。
则当t1＜t2时，不会发生爆燃，当t1＞t2时，就 会发生爆燃。
可以认为，凡是缩短t1，或延长t2，均可抑制和 消除爆燃；反之，使爆燃倾向增加。 爆燃受到燃料（分子结构、添加剂等）的影响， 还与汽油机结构型式和运转条件有关。
（1）结构型式的影响
二、汽油机的非正常燃烧过程

如果在正常火焰锋面到达前，其焰前反应已完成 而发生自然，引起爆炸性燃烧，称为非正常燃烧。
（一）爆燃

汽油机爆燃时表现为： （1）发出金属振音（敲缸）； （2）在轻微爆燃时，发动机功率略有增加；在强烈 爆燃时，发动机功率下降，工作不稳定，转速下降， 伴有较大振动；

注意：滞燃期的长短对汽油机工作的影响不大。
原因：着火时刻可用控制点火提前角的办法来达到， 且燃烧放热不多。
2、急燃期

急燃期－从火焰中心开始传播到遍及几乎整个燃 烧室，燃烧完绝大部分燃料的一段时间。

注意： （1）急燃期短，放热集 中在活塞位于上止点附近， 热量利用较好。 （2）应避免最大压力点3 到达时刻过早。 （3）点3的位置可通过点 火提前角来调整。
3、后燃期

后燃期－从最高燃烧压力点起至燃料基本烧完为 止的一段时间。
注意：为提高热效率，改善排放指标，应尽可能缩短 后燃期。
4、结论

（1）滞燃期和后燃期内的放热量较少，对循环热 效率影响不大；
（2）急燃期的放热量最多，其放热量及对应的活 塞位置，对循环热效率有着决定性影响。
湍流或紊流－在内燃机气缸内形成的无规则的气 流运动。
说明： （1）随机、非定常、三维、有旋的流动；
（2）在高速流动的情况下产生的普遍存在的流体运动； （3）能引起相邻各层流体间动量、温度、浓度等的交 换和脉动。
（4）湍流特性对燃烧速度和火焰传播有着重要的影响。
4.3点燃式内燃机的燃烧

2、影响早燃的因素和防止措施

1）燃料的影响： a、燃料形成沉积物的能力；
b、混合气抵抗点燃的能力。
2）结构型式和运转条件的影响：
a、凡是能够降低燃烧室温度、压力和防止积碳等炽 热点形成的因素和条件，都会抑制和消除早燃； b、凡是促进沉积物温度升高、氧气供应良好以及降 低混合气点火能量的因素和条件，都会促进早燃发生。

如果在正常火焰锋面到达后，将（火焰锋面前） 未燃混合气引燃，称为正常燃烧。 汽油机的正常燃烧过程一般分为三个阶段，即： 1、滞燃期 2、急燃期 3、后燃期
1、滞燃期（着火延迟期）

滞燃期－从电火花点火起，到形成火焰中心并开 始火焰传播，气缸内压力开始脱离纯压缩线为止所经 历的时期。
说明：
（1）包括着火和燃烧两部分；
（2）燃烧本质； （3）是一种高速燃烧现象； （4）可以计算完全燃烧所需要的空气量和释放出的 热量。