清华大学_汽车发动机原理_第8章1_汽油机混合气形成与燃烧1
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第八章汽油机的混合气形成与燃烧过程PPT课件
提高点火能量、采用多火花塞点火；
优化进气系统—优化匹配进气管长度。
.
31
HIT 规格严格 功夫到家
第二节 SI-ICE的异常燃烧
（大众Touran，2.0L 汽油机，n=2000r/min）
BMEP=0.19MPa
.
32
HIT 规格严格 功夫到家
第二节 SI-ICE的异常燃烧
BMEP=0.88MPa
SI-ICE高速大负荷工况，燃烧室内温度、压力高，
容易产生爆燃，低速小负荷工况，不易爆燃，可
用高压缩比。
.
21
HIT 规格严格 功夫到家
第二节 SI-ICE的异常燃烧
高速、大负荷
不变压缩比 11
8
中速、中负荷 11
转矩
低速、小负荷
14
. 转速
22
HIT 规格严格 功夫到家
第二节 SI-ICE的异常燃烧
vn 800~1000m/s
dp 65 d
MPa/(°CA)
激波冲击燃烧室壁面
.
爆震燃烧
18
HIT 规格严格 功夫到家
第二节 SI-ICE的异常燃烧
➢爆燃的危害
1、热负荷大、散热损失大
燃烧速度快，温度高；
压力波击破油膜，加速传热；
2、机械负荷大
过高的压力升高率，机械摩擦损失大
3、性能下降
散热大 机械负荷大
TPS —Throttle Position Sensor
允许范围
增大1个%点，
IMEP下降1.5%
IMEP/%
振动噪声大；
HC高排放—点火提前角不是最优值。 ➢原因
火花塞附近混合气成分不. 一致；
29
HIT 规格严格 功夫到家
优化进气系统—优化匹配进气管长度。
.
31
HIT 规格严格 功夫到家
第二节 SI-ICE的异常燃烧
（大众Touran，2.0L 汽油机，n=2000r/min）
BMEP=0.19MPa
.
32
HIT 规格严格 功夫到家
第二节 SI-ICE的异常燃烧
BMEP=0.88MPa
SI-ICE高速大负荷工况，燃烧室内温度、压力高，
容易产生爆燃，低速小负荷工况，不易爆燃，可
用高压缩比。
.
21
HIT 规格严格 功夫到家
第二节 SI-ICE的异常燃烧
高速、大负荷
不变压缩比 11
8
中速、中负荷 11
转矩
低速、小负荷
14
. 转速
22
HIT 规格严格 功夫到家
第二节 SI-ICE的异常燃烧
vn 800~1000m/s
dp 65 d
MPa/(°CA)
激波冲击燃烧室壁面
.
爆震燃烧
18
HIT 规格严格 功夫到家
第二节 SI-ICE的异常燃烧
➢爆燃的危害
1、热负荷大、散热损失大
燃烧速度快，温度高；
压力波击破油膜，加速传热；
2、机械负荷大
过高的压力升高率，机械摩擦损失大
3、性能下降
散热大 机械负荷大
TPS —Throttle Position Sensor
允许范围
增大1个%点，
IMEP下降1.5%
IMEP/%
振动噪声大；
HC高排放—点火提前角不是最优值。 ➢原因
火花塞附近混合气成分不. 一致；
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HIT 规格严格 功夫到家
理学汽油机混合气的形成及燃烧PPT学习教案
2021/8/16
第17页/共93页
3）负荷—节气门关小，残余废气增大，传热损失增加 ，pZ下降，t2增加，故爆燃倾向减小。
4）混合气浓度影响—Φa=0.8-0.9时，Sf最高， t1最小； t2也最小，t2起主要作用， 爆燃倾向增加，过浓过稀混合 气有助于减少爆振。 5）沉淀物（积碳）—积碳温度较高，使爆燃倾向增加。
3）加速：加速时，节气门开度骤然加大，由于燃料惯性大于空 气，气缸内混合气成分出现瞬间过稀，发动机功率下降，转速降 低，甚至会出现熄火现象，因此，要求化油器供给加浓混合气成 分（额外供给一部分燃料）。
第41页/共93页
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二、汽油喷射式混合气的形成
• 电控汽油喷射系统（Electronic Fuel Injection）由空 气系统、燃料系统及控制系统三部分组成。
转速保持不变，通过改变节气门开度来调节进入气缸的 混合气量，以达到不同的负荷要求。（量的调节）。
节气门关小时，充量系数 急剧下降，使残余废气系数增 加，滞燃期增加，火焰传播速 率下降，最高爆发压力和燃烧 温度、压力升高比均下降，散 热损失相对增加，因而燃油消 耗率增加；
随着负荷的减小，最佳点 火提前角要增加。
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简单化油器特性
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第38页/共93页
• 1、怠速时，由于废气稀释，化油器应供给气 缸浓混合气成分（=0.6~0.8，A/F=10~12.4）。
• 2、发动机中等负荷时，化油器应供给气缸较稀的经 济混合气成分（ =1.05~1.15，50%负荷后，A/F=17左 右）；
第5页/共93页
二、燃烧速度
汽车发动机原理柴油机混合气形成与燃烧课件
柴油机与汽油机的比 较
燃料不同
汽油机使用汽油作为燃料，而柴油机使用柴油作 为燃料。
燃烧方式不同
汽油机采用点燃式燃烧方式，而柴油机采用压燃 式燃烧方式。
应用范围不同
汽油机主要用于小型车辆和家用轿车等领域，而 柴油机则主要用于大型车辆和重型机械等领域。
02
柴油机混合气形成原理
混合气的概念与形成过程
混合气的概念
混合气是指柴油机燃烧室内，空气与燃油进行均匀混合所形 成的可燃气体。
混合气的形成过程
在柴油机进气过程中，空气通过进气门进入气缸，同时喷油 器在压缩行程中将柴油喷入气缸，燃油在高温高压空气中蒸 发扩散，并与空气混合形成混合气。
燃油喷射过程与特点
燃油喷射过程
在柴油机压缩行程后期，喷油器 定时定量地将柴油喷入气缸，油 雾与空气混合形成可燃混合气。
表面处理优化
对燃烧室表面进行耐磨、耐腐蚀处理，如镀铬、喷涂耐高温材料等， 以提高燃烧室的使用寿命和稳定性。
温度控制优化
采用高效燃烧室温度控制技术，如冷却水套、热防护等，防止燃烧室 过热或局部高温，提高燃烧室的热效率和使用安全性。
提高燃油喷射与混合气形成效率的方法
多阶段燃油喷射 根据发动机的转速和负荷，采用多阶段燃油喷射技术，实 现燃油的分层喷射和分段燃烧，提高燃油利用率和动力输 出。
汽车发动机原理柴油 机混合气形成与燃烧 课件
01
汽车发动机概述
汽车发动机的类型与特点
汽油机
以汽油为燃料，通过点燃式方式进行 燃烧，具有轻便、低噪音、低油耗等 优点，但同时也存在排放污染较高的 问题。
柴油机
以柴油为燃料，通过压燃式方式进行 燃烧，具有高效率、低油耗、低排放 等优点，但同时也存在噪音较大、制 造成本较高等问题。
汽油机混合气的形成和燃烧教学课件
THANKS
可燃的混合气。
压缩和点火
02 在压缩过程中，混合气被压缩，温度和压力升高，当
温度达到燃点时，混合气被点燃。
燃烧和膨胀
03
混合气燃烧产生大量热量，推动活塞运动，产生动力
和热量。
汽油机混合气的燃烧产物
燃烧产物的种类
汽油机混合气燃烧产生的主要产物包括二氧化碳、水 蒸气、未燃燃料和有害气体等。
燃烧产物的排放控制
更多的思路和方法。
06
参考文献
参考文献
朱义名. (2006). 内燃机的传热与热负荷. 北京: 人民交通出 版社.
王建平, 刘艳玲, 王宝艳. (2012). 内燃机原理与实践. 北京: 机械工业出版社.
中国汽车工程学会. (2010). 内燃机燃烧学. 北京: 机械工业 出版社.
感谢您的观看
燃油喷射量 燃油喷射量对混合气的形成和燃烧也有重要影响。喷射量 过多或过少都会导致混合气浓度不合适，影响燃烧效率。
空气流量 空气流量与燃油喷射量之间的比例关系直接影响混合气的 形成和燃烧。空气流量过少会导致混合气过浓，反之则会 导致混合气过稀。
汽油机混合气燃烧的影响因素
01 02
压缩比
压缩比是影响混合气燃烧的重要因素之一。压缩比过高会导致混合气燃 烧过快，温度过高，产生爆震；反之则会导致混合气燃烧过慢，功率输 出低下。
建议：针对实验结论，提出以 下建议
1. 进一步深入研究汽油机混合 气的形成机制，尤其是燃油喷 射和空气流动的过程。
实验研究的结论和建议
2. 加强燃烧过程的模拟和优化，以 提高汽油机的动力性能和经济性。
3. 在实际应用中，根据实验研究成果， 对汽油机设计和性能进行优化，提高 汽车的动力和经济性能。
可燃的混合气。
压缩和点火
02 在压缩过程中，混合气被压缩，温度和压力升高，当
温度达到燃点时，混合气被点燃。
燃烧和膨胀
03
混合气燃烧产生大量热量，推动活塞运动，产生动力
和热量。
汽油机混合气的燃烧产物
燃烧产物的种类
汽油机混合气燃烧产生的主要产物包括二氧化碳、水 蒸气、未燃燃料和有害气体等。
燃烧产物的排放控制
更多的思路和方法。
06
参考文献
参考文献
朱义名. (2006). 内燃机的传热与热负荷. 北京: 人民交通出 版社.
王建平, 刘艳玲, 王宝艳. (2012). 内燃机原理与实践. 北京: 机械工业出版社.
中国汽车工程学会. (2010). 内燃机燃烧学. 北京: 机械工业 出版社.
感谢您的观看
燃油喷射量 燃油喷射量对混合气的形成和燃烧也有重要影响。喷射量 过多或过少都会导致混合气浓度不合适，影响燃烧效率。
空气流量 空气流量与燃油喷射量之间的比例关系直接影响混合气的 形成和燃烧。空气流量过少会导致混合气过浓，反之则会 导致混合气过稀。
汽油机混合气燃烧的影响因素
01 02
压缩比
压缩比是影响混合气燃烧的重要因素之一。压缩比过高会导致混合气燃 烧过快，温度过高，产生爆震；反之则会导致混合气燃烧过慢，功率输 出低下。
建议：针对实验结论，提出以 下建议
1. 进一步深入研究汽油机混合 气的形成机制，尤其是燃油喷 射和空气流动的过程。
实验研究的结论和建议
2. 加强燃烧过程的模拟和优化，以 提高汽油机的动力性能和经济性。
3. 在实际应用中，根据实验研究成果， 对汽油机设计和性能进行优化，提高 汽车的动力和经济性能。
汽油机混合气的形成与燃烧汽车发动机原理.pptx
2、各缸之间的燃烧差异 各缸之间的燃烧差异主要是由于燃料分配不均使空燃比不
一致造成的。 影响因素很多，总的来说，与进气系统所有零件的设计和
安装位置都有关系，任何不对称和流动阻力不同的情况都会破 坏均匀分配，其中影响最大的是进气管的设计。
（四）燃烧室壁面的熄火作用
在火焰传播过程中，燃烧室壁对火焰具有熄火作用、 即紧靠壁面附近的火焰不能传播。这样，在熄火区内存 在大量未燃烧的烃，它是汽油机排气中HC的主要来源 之一。
当 =1左右，熄火厚度最小，混合气加浓或减稀， 此厚度均增加；负荷减小时，熄火厚度显著增加；燃烧 室温度、压力提高，气缸紊流加强，熄火厚度均减小。
二、不正常燃烧
汽油机的不正常燃烧主要是爆燃和表面点火。
1、爆燃 汽油机发生爆燃时的外部特征是：气缸内发出特别
尖锐的金属敲击声，亦称之敲缸。轻微敲缸时，发动机 功率上升，油耗下降，但严重时，会产生冷却水过热， 功率下降，耗油率上升，对发动机极其有害。
紊流较弱
紊流强烈
（2）混合气成分不同，火焰传播速度也明显不同，如图 所示为实验所得火焰传播速度与过量空气系数的关系。
当 =0.85~0.95 时 ， 火 焰 传 播速度最大，燃烧速度最快， 功率也最大，称为功率混合比。
当=1.03~1.1时，火焰传播 速度较大，氧气又充足，燃烧 完全，称为经济混合比。
II 明显燃烧期（2－3 Pmax）
II越短，越靠近上止点: → 经济性，动力性↑ → （Δp/Δφ）↑ （噪声、振动、排污）↑
dp p p3 p2
d 3 2
Δφ=II＝f〔uT（火焰传播速度）〕 ＝f〔uT（层流火焰传播速度、
混合气紊流脉动速度）〕
III 后燃期（3－ ）
发动机原理汽油机混合气的形成和燃烧课件
燃烧室通常由气缸盖、气缸壁和火花 塞组成，其结构对燃烧速度和效率有 重要影响。
为了提高汽油机的性能和降低排放， 需要对燃烧室进行优化设计，以提高 混合气的燃烧速度和效率。
燃烧速度的影响因素
燃烧速度受多种因素影响，如混合气 的成分、温度、压力和燃烧室的结构 等。
爆燃和表面点火
爆燃的概念
爆燃是由于混合气在气缸内自燃引发的爆炸现象。
燃油喷射系统
电控燃油喷射系统
根据发动机工况，精确控制燃油喷射量。
喷油嘴设计
喷油嘴的形状、孔径和喷雾形状对燃油雾化至关重要。
燃油雾化和混合过程
燃油雾化的目的
将液态汽油转化为微小油滴，增加与 空气接触面积。
混合过程
油滴与空气均匀混合，形成理想的混 合气。
空燃比的控制
空燃比定义
空气与汽油的比例。
控制方法
排放控制和三元催化器
三元催化器
一种尾气处理装置，通过化学反应将有害气体转 化为无害物质。
排放法规
各国政府制定的汽车尾气排放标准，限制有害气 体的排放。
氧传感器
监测尾气中氧含量的传感器，用于控制空燃比。
发动机的噪声和振动
1 2 3
噪声来源 包括机械噪声、空气动力噪声等，影响乘坐舒适 性。
减震措施 通过各种减震元件来降低发动机振动对车辆的影 响。
发动机的工作原理
四冲程汽油机工作原理
包括进气、压缩、点火燃烧和排气四个冲程，通过这四个冲程的循环往复，实 现能量的转换。
汽油机的特点
汽油机具有较高的功率密度、易于启动、噪音较小等优点，同时也存在燃油经 济性较差、排放污染较高等缺点。
汽油机的特点
01
02
03
汽油机采用火花塞点火 方式，通过点燃汽油和 空气的混合气产生动力。
清华大学汽车工程系车辆工程专业（本科）《汽车发动机原理》教学大纲
清华大学汽车工程系车辆工程专业（本科）《汽车发动机原理》教学大纲第一部分大纲说明一、课程的性质和任务《汽车发动机原理》是车辆工程专业本科生的专业必修课。
通过对热力机械的共性问题，如动力如何获取和输出，能量如何消耗和利用；两种典型内燃机（点燃式汽油机和压燃式柴油机）的燃料供给、混合气形成、着火、燃烧；车用内燃机运行特性与性能的调节与控制等发动机基本理论的教学，使学生对发动机的工作过程有深入的了解，能熟知发动机相关参数的运行范围，能掌握基本的发动机性能分析方法。
为今后从事发动机和汽车开发、研究、生产提供必备的专业理论知识和技术基础。
二、本课程与相关课程的关系《汽车发动机原理》是车辆工程专业本科生的两门核心专业课之一（另一门是《汽车理论》），安排在大三春季学期上课。
在这之前有《汽车构造1》和《汽车发动机拆装》，这两门课是专业平台课，是学习《汽车发动机原理》必修的基础专业课。
同时，《汽车发动机原理》又是学习其他专业课，如《发动机设计》、《内燃机增压与增压技术》和《内燃机燃料供给》等的必修课。
三、课程的教学基本要求本课程要求学生对汽车发动机（汽油机和柴油机）的结构有基本的了解，并且具备必要的工程热力学、流体力学和传热学等方面的基础知识。
要求学生上课作笔记，认真听讲，积极思考，参加课堂讨论，按时完成布置的作业。
四、教学方法和教学形式建议本课程涉及的知识面较宽。
以课堂讲授为生，辅以一定量的课堂讨论和自学。
第二部分教学时数、教材、考试一、学时分配总学时48：授课学时44，讨论课学时4教学内容授课学时1、性能指标与影响因素 42、燃料与工质 43、循环分析与能量利用 44、换气过程与循环充量 45、燃烧基础知识 46、燃烧过程及混合气形成 47、特殊燃烧问题的机理与对策 48、有害物排放的生成与控制 49、燃烧室与调节参数的优化 610、汽车发动机运行特性 411、柴油机调速特性 2合计44二、教材与参考书目教材：刘铮, 王建昕.《汽车发动机原理教程》.北京: 清华大学出版社, 2001年参考书：（1）周龙保等.《内燃机学》.北京:机械工业出版社,1999年（2）董敬等.《汽车拖拉机发动机》（第3版）.北京:机械工业出版社,1997年（3）唐开元等.《内燃机原理》.译自“Internal Combustion Engine Fundamental”, J.B.Heywood 三、考试两次考试：期中考试；期末考试。
清华大学_汽车发动机原理_第1章_性能指标与影响因素
点燃式和压燃式内燃机工作过程、燃烧理论、性能分析及参数调控Email: sjshuai@Phone: 010-********-14帅石金清华大学汽车工程系汽车发动机原理Automotive Engine FundamentalsTsinghua University第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与替代燃料动力1.动力的获取和输出；能量的消耗和利用2.燃料能量转换的“质”环节；加入整机能量总量的“量”环节Tsinghua University1.工质对活塞所作功及示功图2.发动机的性能指标3.影响动力经济性指标的环节与因素第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与替代燃料动力p-ϕ图示功图（四冲程）p-V 图EIIETDC TDC TDC BDC BDCw/o combustion180360540720︒CA p p zp 0IVCEVO EVCIVOTDC(上止点)BDC(下止点)p p zp 0V sV cVpAd sTDC -Top Dead Center BDC -Bottom Dead Center IVO -Intake Valve Open IVC -Intake Valve Close EVO -Exhaust Valve Open EVC -Exhaust Valve Close示功图Indicator Diagram压力图/展开示功图ϕ要求会识图和画图！正负功确定原则：⏹压力方向与活塞运动方向一致，工质对活塞作正功⏹压力方向与活塞运动方向相反，工质对活塞作负功工质对活塞所作功Compression 压缩过程W < 0 Power 作功过程W > 0Intake 进气过程W > 0Exhaust排气过程W < 0W p d V=循环功：⏹动力过程功：压缩与燃烧膨胀冲程所作功之代数和⏹泵气过程功：进气与排气冲程所作功之代数和(总)指示功＝动力过程功＋理论泵气功(不考虑泵气损失)净指示功＝动力过程功＋泵气过程功(考虑泵气损失)进气压力p d <大气压力p 0排气压力p e >大气压力p 0与泵气有关的功：⏹理论泵气功忽略流动阻力, 进、排气冲程压力所作功之代数和。
清华大学_汽车发动机原理_第8章2_汽油机混合气形成与燃烧2
以右图所示的冷启动时 测试结果可知，大部分燃 油并未在本循环内进入气 缸（一些资料认为，冷启 动时只有20%左右的燃油 直接进入气缸）。
汽油机冷启动前3个循环中的燃油分布
（Takeda等，1995年）
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.3.2 汽油机燃油雾化方式分类
化油器式
多点喷射
缸内直喷
（1）化油器（Carburetor） （2）进气道喷射（PFI，Port Fuel Injection） （3）缸内直接喷射（GDI，Gasoline Direct Injection）
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
进气过程
进气门关闭后，随活塞上行，吸热和压力回升 使缸内温度升高，湍流程度也逐渐提高，继续促 进燃油的蒸发与混合；
压缩至上止点前，缸内混合气分布基本均匀；
在进气阀附近混合气稍偏浓，这是由于气阀周围存在
少量挂壁油膜，在压缩行程高温环境下蒸发加快引起。
压缩过程
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程
缸内蒸发混合
进气门开启后，气门附近的浓混合气（油 蒸汽、小液滴、部分油膜）首先随进气流进 入缸内，缸内混合气浓度分布极不均匀；
随活塞下行和气门开启面积增大，进气流 速加快，使进气道内油膜蒸发速度加快；同 时，缸内较强气流运动和较低压力氛围促进 燃料进一步汽化，并与空气混合；
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
汽油机冷启动前3个循环中的燃油分布
（Takeda等，1995年）
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.3.2 汽油机燃油雾化方式分类
化油器式
多点喷射
缸内直喷
（1）化油器（Carburetor） （2）进气道喷射（PFI，Port Fuel Injection） （3）缸内直接喷射（GDI，Gasoline Direct Injection）
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
进气过程
进气门关闭后，随活塞上行，吸热和压力回升 使缸内温度升高，湍流程度也逐渐提高，继续促 进燃油的蒸发与混合；
压缩至上止点前，缸内混合气分布基本均匀；
在进气阀附近混合气稍偏浓，这是由于气阀周围存在
少量挂壁油膜，在压缩行程高温环境下蒸发加快引起。
压缩过程
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程
缸内蒸发混合
进气门开启后，气门附近的浓混合气（油 蒸汽、小液滴、部分油膜）首先随进气流进 入缸内，缸内混合气浓度分布极不均匀；
随活塞下行和气门开启面积增大，进气流 速加快，使进气道内油膜蒸发速度加快；同 时，缸内较强气流运动和较低压力氛围促进 燃料进一步汽化，并与空气混合；
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
汽油机混合气形成和燃烧 教学PPT课件
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。
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。
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/(°)。
汽油机混合气形成和燃烧
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
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：
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。
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。
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/(°)。
汽油机混合气形成和燃烧
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
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：
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( CA)
o
δPmax = 8.9%
δPmax = 9.6%
8.2.3 表面点火及其防止措施
何谓表面点火（Surface ignition） 由炽热表面点燃混合气引起的着火 炽热表面： 燃烧室壁面凸起部，如排气门、壁面尖角处、火花塞群部 、积碳（Deposit）及其催化剂作用 表面点火的分类： 早火（早燃, Pre-ignition）——正常火花点火前发生的表面 点火 后火（后燃）——正常火花点火后发生的表面点火 后火： 若不引发爆燃，一般危害不大，或对ηi略有利；但长时间 后火，会使燃烧室热负荷提高，演变为早火；出现“续走” （Running-on）现象。
（3）后燃期（ φC~φD ）
1、 着火落后期（φA～φB ）
现象： 在φA点开始火花点火， 高温单阶段着火； 在φB点产生稳定的火核， 开始火焰传播； φB点也可用CA05表示， 即累计放热5%的相位。 燃烧特性参数：着火落后期φi 10°CA左右 注意区别点火提前角θig φi 相对稳定（相对柴油机），因此θig对pmax相位有重要影响
8章作业（1）
用示功图和放热率判断着火时刻的方法，汽油机与柴油机
有何异同？为什么？ 汽油机累计放热曲线上的CA05、CA50、CA90分别对应示功 图上的那个点？为什么？ 分别指出造成PFI汽油机与DI柴油机各缸工作不均匀的原因 ，对比分析有何异同。 表面点火与爆震有何不同？试从外观表现、产生机理和消除 技术等方面论述
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） 燃烧特性参数1： 最高爆发压力pmax
pmax ↑，ηi ↑，W i ↑，
（2） 气体运动状态波动
流速过高或过低； 湍流强度过高或过低。
5、影响因素及改进措施
φa影响最大， φa=0.8～1.0时， δp最小； 油气混合的均匀程度（绝对均匀， δp→0）； φr↑，δp ↑，因此应加强火花塞周围扫气 ；
负荷↓ （ φr
↑），则δp ↑；
转速↓ （ 湍流↓），则δp ↑； 提高点火能量或采用多点点火。
第8章 汽油机的混合气形成及燃烧过程
主要内容： 汽油机的燃烧过程及其特点 汽油机的不正常燃烧 汽油机的混合气形成
汽油机燃烧室及其特性
汽油机电子控制系统与控制技术（不讲）
稀薄燃烧与缸内直喷式汽油机
汽油机燃烧过程及分析
火花点火
汽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
早火
由于实际着火提前，使pmax和dp/dφ↑ 负功 ↑； ηi ↓ ；pi ↓； 机械负功↑； ηm ↓， 产生低频敲缸（600～1200Hz） （注意早火与爆燃的异同）
爆燃性表面点火（激爆）
早火与点火时间提前一样，会引起爆燃； 爆燃导致燃烧室温度水平提高，更容易产生 早火；两者相互促进，形成严重粗暴燃烧， 即激爆（Δp/Δφ↑5倍，pmax ↑1.5倍 ）
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
着火
汽油机
点燃， 高温单阶段着火，单点着火 火焰在均质预混合气中有序 传播，燃烧柔和 混合均匀，因而后燃期较短 燃烧放热先缓后急， “等 腰三角形”放热曲线， 噪声振动小，基本不产生碳 烟排放，热效率较低
o
450
540( )(CA)
4
气 缸 压 力 p / MPa
3
n=3000r/min Ttq=53.2N.m MAP=56kPa =14.5
2
柴油机的循环波动为什么 小于汽油机？
1
0 270
360
450
o
540
曲 柄 转 角 / ( )(CA)
汽油机循环波动—案例（2）
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
8.2.1 爆燃的机理与对策
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（Self-ignition） 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。
8.2.1 爆燃的机理与对策
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
70 60 50
P (bar)
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) n=2000rpm BMEP=0.9MPa
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 12º “有焰”燃烧 —产生碳烟 16º
20º
24º
28º
32º
40º
8.1 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 ）
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
示功图（P-φ）： 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 柴油机 汽油机
柴油机
压燃， 低温多阶段着火，多点同时着火 两阶段燃烧，即无序的非均质预混合 燃烧和扩散燃烧，燃烧较粗暴 混合不均匀，因而后燃期较长 燃烧放热先急后缓，“双峰”放热曲 线，持续期较长（） 热效率高，噪声振动大，易产生碳烟 排放
燃烧
后燃 放热 规律 性能
8.2 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）：
循环波动率示例
（大众Touran，2.0L 汽油机，n=2000rpm）
25 20
50
BMEP=0.19MPa
P(bar)
40 30 20 10
BMEP=0.88MPa
P(bar)
15 10 5 0
0
10000 20000 30000 40000 50000
( CA)
o
0
0
10000 20000 30000 40000 50000
8.2.3 循环波动
1、现象
汽油机转速和转矩波动大于柴油机 一般：汽 ±10 r/min 柴 ±2 r/min 转速和转矩波动源于燃烧波动 （如右图) pmax波动 ：2.5~3.5MPa （dQB/dφ）max波动： 2倍
8.2.3 循环波动
2、危害
点火时间、空燃比等控制参数无法 调节到最佳； 燃烧不好的循环会产生ηi 、Wi等下降
式中， σp为pmax的标准偏差；
pmax为 pmax的算术平均值 正常情况： δp < 10%
较好汽油机： δp < 7%
同理：可用Pmax出现角度φpmax、 dp/dφ、pmi 、 (dQB/dφ)max等多种燃烧特性参数表示循环波动程度。
4、产生循环波动的原因
（1） 混合气成分波动：
局部空燃比波动； 残余废气浓度波动。 （如图，火花塞处连续50 个循环的快速采样结果）
注意： 火焰前锋面速度<100m/s， 压力波和热辐射分别为音速 和光速
8.2.1 爆燃的机理与对策
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 ↓
★ 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↑。
8.2.1 爆燃的机理与对策
爆燃的危害
正常燃烧火花塞
爆燃---火花塞绝缘体烧毁
8.2.1 爆燃的机理与对策
区别 汽油机爆震 柴油机粗暴燃烧
8.2.1 爆燃的机理与对策
4、防止爆燃的对策
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 则： 不爆燃的条件 t1 < t2 记:
pc pb dp 平均压升率 d c b dp/dφ的影响
(MPa/CA)
dp/dφ↑,ηi↑，但NOx↑， 机械损失及热负荷↑,噪声 振动↑ 一般汽油机
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
360
(oCA)
540
8.2.1 爆燃的机理与对策
上述缩短t1和延长t2的对策中，许多是相互矛盾的
实际中防止爆燃的主要措施 降低ε （最主要）
提高燃料辛烷值
推迟点火时间 燃烧室优化设计
（含提高湍流度等，见右图）
爆震传感器反馈控制
由此造成了汽油机多年来的难题：即如 何在无爆燃条件下实现高压缩比
8.1. 2 汽油机 Vs 柴油机燃烧特性
o
δPmax = 8.9%
δPmax = 9.6%
8.2.3 表面点火及其防止措施
何谓表面点火（Surface ignition） 由炽热表面点燃混合气引起的着火 炽热表面： 燃烧室壁面凸起部，如排气门、壁面尖角处、火花塞群部 、积碳（Deposit）及其催化剂作用 表面点火的分类： 早火（早燃, Pre-ignition）——正常火花点火前发生的表面 点火 后火（后燃）——正常火花点火后发生的表面点火 后火： 若不引发爆燃，一般危害不大，或对ηi略有利；但长时间 后火，会使燃烧室热负荷提高，演变为早火；出现“续走” （Running-on）现象。
（3）后燃期（ φC~φD ）
1、 着火落后期（φA～φB ）
现象： 在φA点开始火花点火， 高温单阶段着火； 在φB点产生稳定的火核， 开始火焰传播； φB点也可用CA05表示， 即累计放热5%的相位。 燃烧特性参数：着火落后期φi 10°CA左右 注意区别点火提前角θig φi 相对稳定（相对柴油机），因此θig对pmax相位有重要影响
8章作业（1）
用示功图和放热率判断着火时刻的方法，汽油机与柴油机
有何异同？为什么？ 汽油机累计放热曲线上的CA05、CA50、CA90分别对应示功 图上的那个点？为什么？ 分别指出造成PFI汽油机与DI柴油机各缸工作不均匀的原因 ，对比分析有何异同。 表面点火与爆震有何不同？试从外观表现、产生机理和消除 技术等方面论述
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） 燃烧特性参数1： 最高爆发压力pmax
pmax ↑，ηi ↑，W i ↑，
（2） 气体运动状态波动
流速过高或过低； 湍流强度过高或过低。
5、影响因素及改进措施
φa影响最大， φa=0.8～1.0时， δp最小； 油气混合的均匀程度（绝对均匀， δp→0）； φr↑，δp ↑，因此应加强火花塞周围扫气 ；
负荷↓ （ φr
↑），则δp ↑；
转速↓ （ 湍流↓），则δp ↑； 提高点火能量或采用多点点火。
第8章 汽油机的混合气形成及燃烧过程
主要内容： 汽油机的燃烧过程及其特点 汽油机的不正常燃烧 汽油机的混合气形成
汽油机燃烧室及其特性
汽油机电子控制系统与控制技术（不讲）
稀薄燃烧与缸内直喷式汽油机
汽油机燃烧过程及分析
火花点火
汽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
早火
由于实际着火提前，使pmax和dp/dφ↑ 负功 ↑； ηi ↓ ；pi ↓； 机械负功↑； ηm ↓， 产生低频敲缸（600～1200Hz） （注意早火与爆燃的异同）
爆燃性表面点火（激爆）
早火与点火时间提前一样，会引起爆燃； 爆燃导致燃烧室温度水平提高，更容易产生 早火；两者相互促进，形成严重粗暴燃烧， 即激爆（Δp/Δφ↑5倍，pmax ↑1.5倍 ）
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
着火
汽油机
点燃， 高温单阶段着火，单点着火 火焰在均质预混合气中有序 传播，燃烧柔和 混合均匀，因而后燃期较短 燃烧放热先缓后急， “等 腰三角形”放热曲线， 噪声振动小，基本不产生碳 烟排放，热效率较低
o
450
540( )(CA)
4
气 缸 压 力 p / MPa
3
n=3000r/min Ttq=53.2N.m MAP=56kPa =14.5
2
柴油机的循环波动为什么 小于汽油机？
1
0 270
360
450
o
540
曲 柄 转 角 / ( )(CA)
汽油机循环波动—案例（2）
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
8.2.1 爆燃的机理与对策
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（Self-ignition） 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。
8.2.1 爆燃的机理与对策
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
70 60 50
P (bar)
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) n=2000rpm BMEP=0.9MPa
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 12º “有焰”燃烧 —产生碳烟 16º
20º
24º
28º
32º
40º
8.1 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 ）
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
示功图（P-φ）： 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 柴油机 汽油机
柴油机
压燃， 低温多阶段着火，多点同时着火 两阶段燃烧，即无序的非均质预混合 燃烧和扩散燃烧，燃烧较粗暴 混合不均匀，因而后燃期较长 燃烧放热先急后缓，“双峰”放热曲 线，持续期较长（） 热效率高，噪声振动大，易产生碳烟 排放
燃烧
后燃 放热 规律 性能
8.2 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）：
循环波动率示例
（大众Touran，2.0L 汽油机，n=2000rpm）
25 20
50
BMEP=0.19MPa
P(bar)
40 30 20 10
BMEP=0.88MPa
P(bar)
15 10 5 0
0
10000 20000 30000 40000 50000
( CA)
o
0
0
10000 20000 30000 40000 50000
8.2.3 循环波动
1、现象
汽油机转速和转矩波动大于柴油机 一般：汽 ±10 r/min 柴 ±2 r/min 转速和转矩波动源于燃烧波动 （如右图) pmax波动 ：2.5~3.5MPa （dQB/dφ）max波动： 2倍
8.2.3 循环波动
2、危害
点火时间、空燃比等控制参数无法 调节到最佳； 燃烧不好的循环会产生ηi 、Wi等下降
式中， σp为pmax的标准偏差；
pmax为 pmax的算术平均值 正常情况： δp < 10%
较好汽油机： δp < 7%
同理：可用Pmax出现角度φpmax、 dp/dφ、pmi 、 (dQB/dφ)max等多种燃烧特性参数表示循环波动程度。
4、产生循环波动的原因
（1） 混合气成分波动：
局部空燃比波动； 残余废气浓度波动。 （如图，火花塞处连续50 个循环的快速采样结果）
注意： 火焰前锋面速度<100m/s， 压力波和热辐射分别为音速 和光速
8.2.1 爆燃的机理与对策
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 ↓
★ 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↑。
8.2.1 爆燃的机理与对策
爆燃的危害
正常燃烧火花塞
爆燃---火花塞绝缘体烧毁
8.2.1 爆燃的机理与对策
区别 汽油机爆震 柴油机粗暴燃烧
8.2.1 爆燃的机理与对策
4、防止爆燃的对策
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 则： 不爆燃的条件 t1 < t2 记:
pc pb dp 平均压升率 d c b dp/dφ的影响
(MPa/CA)
dp/dφ↑,ηi↑，但NOx↑， 机械损失及热负荷↑,噪声 振动↑ 一般汽油机
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
360
(oCA)
540
8.2.1 爆燃的机理与对策
上述缩短t1和延长t2的对策中，许多是相互矛盾的
实际中防止爆燃的主要措施 降低ε （最主要）
提高燃料辛烷值
推迟点火时间 燃烧室优化设计
（含提高湍流度等，见右图）
爆震传感器反馈控制
由此造成了汽油机多年来的难题：即如 何在无爆燃条件下实现高压缩比
8.1. 2 汽油机 Vs 柴油机燃烧特性