第四章 汽油机混合气的形成与燃烧

第四章 汽油机混合气的形成与燃烧

§4-1 汽油机燃烧过程

1、汽油机 ①混合气均匀，在气缸外部形成混合气预混合时间长。 燃烧过程的特点： ②火花塞放电点火，可控制点火时间、地点、能量。

③传播式燃烧，燃烧速度和放热速率取决于火焰传播速度。

2、火焰传播速度U T ——单位时间内火焰前锋面相对未燃混合气向前推动的

距离。用U T 表示[m/s]。

3、燃烧速度U m ： 单位时间燃烧的混合气质量。

燃烧速度用U m 表示[kg/s].

U m =dt

dm =T T A U T ρ [kg/s]. 式中 T ρ——未燃混合气密度；

U T ——火焰传播速度；

T A ——火焰前锋面积。

一、汽油机正常燃烧：

定义：唯一地由火花塞点火且火焰前锋以特定的速度传遍整个燃烧室的过程。

（一）汽油机正常燃烧过程：

燃烧过程分为三个阶段： （Ⅰ）着火延迟期；

（Ⅱ）明显燃烧期；

（Ⅲ）后燃期。0

（Ⅰ）着火延迟期i τ（1-2点）：

从火花塞跳火↔压力偏离压缩线（出现火焰，5％放热量）的时间或曲轴转角。。

作用：火花塞放电点燃混合气形成火焰核心（链引发）；

①两极电压达10～15Kv ；

②击穿电极间隙的混合气，造成电极间电流通过；

火花塞 ③电火花能量多在40～80m J ；

放电特性 ： ④局部温度可达3000K ，使电极附近的混合气立即点燃；

⑤形成火焰中心，火焰向四周传播；

⑥气缸压力脱离压缩线开始急剧上升。

特点：燃烧量小，压力升高不明显。

①燃料，辛烷值↑→i τ↑；

影响i τ ②缸内温度↓↑→i τ、压力↑↑→i τ；

长短的因素： ③混合气浓度（i τα,9.0~8.0=最短）；

④残余废气系数γ↑→i τ↑

⑤点火能量↓↑→i τ。

希望：尽量缩短i τ并保持稳定。

（Ⅱ）明显燃烧期（2-3点）：从火焰核心形成（开始燃烧）↔max P （火焰传播到整个燃烧室）。

作用：迅速地把大部分燃料的化学能迅速转变为热能；

特点：是汽油机燃烧的主要时期，热量利用率高。明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好。

要求：在压力升高率（平均压力升高率）不过高（0.175MPa －0.25MPa ）的前提下尽量缩短明显燃烧期（20-40°CA ）并靠近上止点（Pmax 在12-15°CA ）。

气缸内压力上升的程度，用平均压力升高率表示：

2

323ϕϕϕ--=∆∆p p p ， 式中23,p p —第二阶段终点3和起点2的压力； 23,ϕϕ—第3和2相对上止点的曲轴转角。

一般明显燃烧期约占20CA ︒～40CA ︒曲轴

转角，燃烧最高压力m a x P 出现在上止点后

12CA ︒～15CA ︒曲轴转角，~175.0=∆∆ϕ

p CA MPa ︒/25.0为宜。 ϕ

∆∆p 值过高，工作粗暴，机械负荷、热负荷增加对NOx 排放增加。

（Ⅲ）后燃期（3点以后），

定义：从压力最高点到燃料燃烧90%以上的时间或曲轴转角。

促使①火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧；

作用： ②贴附在缸壁上未燃混合气层的部分燃烧；

③高温分解的燃烧产物（H 2、CO 等）重新氧化。

特点：燃烧速度慢，远离上止点，热量利用率低，。

希望：尽量减少后燃期。

（二）影响燃烧速度U m =dt

dm =T T A U T ρ的因素： （1）燃混合气密度T ρ：↑ε和↑P 进→T ρ↑→U m ↑。

（2）火焰传播速度U T ：控制U m 就能控制明显燃烧期的长短及相对曲轴转角的位置。一般在5000～8000r ／min ，燃烧时间极短，仅0.001～0.002s 。

*影响 U T 的因素：

①缸内紊流↑→U T ↑

紊流是有一定运动方向的涡流运动和无数

小气团的无规则脉动运动所组成，这些由气体

质点所组成的小气团大小不一，流动的速度、

方向也不相同，但宏观流动方向则是一致的。

紊流强度u ：各点速度的均方根值，

火焰速度比：紊流火焰速度与层流火焰速

度之比。

加强燃烧室的紊流尤其是微涡流运动，火

焰速度增加。

②混合气成分：

当α=0.85～0.95时，U m 最快，

e P

最大，称为功率混合比。

当α=l.03～1.l 时，氧气充足燃烧完全，汽油

机经济性最好，此混合比称为经济混

合比。

当 α＞1.3～1.4时，火焰难以传播，汽油机不

能工作，此种混合比称为火焰传播下限。

当α<0.4～0.5时，由于严重缺氧，使火焰不能

传播，这种混合比称为火焰传播上限。

注意，混合气火焰传播界限并非常数，

它是随条件而变化的，如混合气温度高，

点火能量大，气体紊流强等，火焰传播界

限就扩大；混合气中废气含量多，界限就

变窄。

③残余废气系数γ↑→U T ↓

④混合气初始温度：混合气初始温度高，

火焰速度增加。

（3）火焰前锋面积T A ：

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。图4-6为不同燃烧室火焰前锋面积变化的情况。它直接影响到明显燃烧期相当曲轴转角的位置及燃烧速度变化的情况，与压力上升密切相关。

（三）不规则燃烧：汽油机不规则燃烧是指在稳定正常运转的情况下

1. 各循环之间的燃烧变动;

2. 各气缸之间的燃烧差异。

1. 循环变动

工况一定各个循环的示功不同。

原因：①火花塞附近混合气的混合比； ②气体紊流性质、程度在各循环均有变动，致使火焰中心形成的时间不同，

即由有效着火时间变动而引起。

危害：

使空燃比和点火提前角调整对每一循环都不可能处于最佳状态→ ↑e b ，↓P e ，不正常燃烧倾向增加，整个汽油机性能下降。

影响的因素： ①当α=0.8～0.9时循环燃烧变动最小；

②在中等负荷以上变动较小；

③加强紊流有助于减少变动，因此转速增加，一般变动减小；

④加大点火能量，采用多点点火，情况可有所改善；