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 =dtdm =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：2323ϕϕϕ--=∆∆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=∆∆ϕp 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 =dtdm =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；⑤点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感。

2．各缸间燃烧差异T原因：主要是由于分配不均匀造成的危害：整个汽油机功率下降，耗油率上升；排放性能恶化。

影响的因素：①分配不均匀在进气管内存在着空气、燃料蒸气、各种比例的混合气、大小不一的雾化油粒以及沉积在进气管壁上厚薄不同的油膜，要想让它们均匀分配到各个气缸是很困难的。

②进气歧管的差别各缸间进气重叠引起的干涉等现象，导致各缸进气量、进气速度以及气流的紊流状态等不能完全一致。

③α的影响各缸混合气成分不同，使得各缸不可能在最佳调整状况下工作，即各缸不可能都处于经济混合气或功率混合气浓度。

④进气管的设计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，即紧靠壁面附近的火焰不能传播的。

（1）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。

（2）影响因素是：①当α=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，熄火厚度均减小。

（3）危害：存在大量未燃烧的烃，排气中HC↑↑。

（4）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。

二、不正常燃烧不正常燃烧可分爆燃和表面点火两类。

（一）爆燃特征：气缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦称之敲缸。

（1）原因：处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合气（常称末端混合气），受到压缩和辐射热的作用，加速了先期反应产生了自燃。

压力冲击波反复撞击缸壁。

（2）影响因素是：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。

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。

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，都会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。

例如，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，②甚至造成活塞、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。

轻微敲缸时，发动机功率上升，油耗下降；严重时，可产生冷却水过热，功率下降，耗油率上升。

（二）表面点火----热点点火由燃烧室内炽热表面（如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的现象，统称表面点火。

点火时刻是不可控制的，多发生在ε>9的汽油机上。

1.早燃是指在火花塞点火之前，炽热表面就点燃混合气的现象。

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。

图4-11给出汽油机早燃示功图情况。

早燃会诱发爆燃，爆燃又会让更多的炽热表面温度升高，促使更剧烈的表面点火，两者互相促进，危害可能更大。

2.后燃是指在火花塞点火之后，炽热表面或受热辐射点燃混合气的现象。

与爆燃不同，表面点火一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致，没有压力冲击波，“敲缸声”比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成。

各种燃烧示功图的比较如图所示。

凡是能促使燃烧室温度和压力升高以及促使积炭一等炽热点形成的一切条件，都能促成表面点火。

三、使用因素对燃烧的影响分析方法：最终要分析的性能为1、发动机性能：动力性（Pe ）、经济性（e η）、排放特性（HC ：壁面淬熄及混合气过浓，NOx ：高温、富氧、作用时间，CO ：1<α时或不均匀时）；2、燃烧过程因素：点火提前角（正比与着火延迟期）、不规则燃烧、不正常燃烧、壁面淬熄等。

主要影响因素：燃烧速率（密度、T 、P 、紊流强度等）、点火提前角、T 、P 、混合气浓度等等。

从初始条件入手，分析出对中间层因素的影响规律最终推导到性能即完全分析正确了。

1、混合气浓度α当=α8~0.9时，U T 、Pz 、z T 、ϕ∆∆p 、 Pe 均达最高值，且爆燃倾向↑。

当=αl.03~1.1时，燃烧完全，e b 最低。

最高温度+富裕空气→NOx ↑。

当α＜l 燃烧不完全→CO ↑。

e b ↓；当α＜0．8及α>1.2时，U T ↓→燃烧不完全 HC ↑；工作不稳定。

可见，在均质混合气燃烧中，混合气浓度对燃烧影响极大，必须严格控制。

2、点火提前角点火提高角是从发出电火花到上止点间的曲轴转角。

其数值应视燃料性质、转速、负荷、过量空气系数等很多因素而定。

随辛烷值的增加点火提前角增加随负荷（T、P）升高点火提前角减小随转速升高点火提前角增加。

当汽油机保持节气门开度、转速以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调整特性，如图4-14所示。