第4章 汽油机混合气的形成与燃烧(2016年3月版)

汽车发动机原理
（一）循环变动 指发动机以某一工况稳定 运行时，这一循环和下一循 环燃烧过程的进行情况不断 变化，具体表现在压力曲线、 火焰传播情况及发动机功率 输出均不相同 。
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汽油机循环变动
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这种循环间的燃烧变动使汽油机空燃比和点火 提前角调整对每一循环都不可能处于最佳状态，因 而油耗上升，功率下降，不正常燃烧倾向增加，使 汽油机性能下降。当采用稀薄燃烧时，循环变动会 加剧，所以汽油机稀薄燃烧困难。 产生这种现象的主要原因是： 1）混合气成分波动； 2）气体运动状态波动。
炽热表面
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早燃指在火花塞点火之前，炽热表面就点燃混合 气的现象。反之则称为后燃。 早燃对发动机危害最大，实际着火时间提前，点 火面积大，火核面积和燃烧速度大，压力、温度急 剧增高，工作粗暴； 压缩行程作负功，动力 性和经济性恶化；火花 塞、活塞等零件过热； 活塞和连杆等在压缩行 程末端受冲击载荷产生 振动发出低频敲缸声。
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四、使用因素对燃烧过程的影响 1、混合气浓度 在 a=0.8~0.9 时， Pe 达最高值， 且爆燃倾向最大。 在a=1.03~1.1时，be最低。 当 a ＜ 0.8 及 a ＞ 1.2 时，经济性 差， HC 、 CO 排放量增多且工作 不稳定。 混合气浓度对燃烧影响极大，必 须严格控制。
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爆燃的机理 火花塞点火
vL < 100 m/s
正常燃烧 压力波压缩 热辐射
压力波传播
低温多阶段着火
满足着火条件
末端混合气 压力温度升高
vn = 800 ~ 1000 m/s
dp = 65 MPa/(°CA) dϕ
激波冲击燃烧室壁面
爆震燃烧
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3、 爆燃的危害 （ 1 ）机件过载（最高燃烧压力和压力升高率急剧增 大，机械负荷增大）； （ 2 ）活塞、气缸和活塞环磨损加剧（反复的压力波 破坏油膜）； （ 3 ）热负荷和散热损失增加（汽缸内温度明显升高 ）； （4）动力性和经济性恶化 ； （5）排气冒黑烟，补燃增加，排气温度增加。
着火落后期长短 φi 与混合气浓度、开始点火 时缸内气体温度和压力、缸内气体流动、点火能 量及残余废气量等因素有关，随循环变化。 为了提高效率，希望尽量缩短着火落后期。为 了发动机运转稳定，希望着火落后期保持稳定 （ φi 稳定则2点相对稳定，因此3点也相对稳 定）。
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2、明显燃烧期 指火焰由火焰中心燃遍整个燃烧室的阶段，因此 也可称为火焰传播阶段。 在示功图上指气 缸压力线脱离压缩线 开始急剧上升（图中 2点）到压力达到最 高点(图中3点)止。 它是燃烧的主要时期。
图4-2 汽油机早燃示功图
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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，Байду номын сангаас者 互相促进，危害可能更大。 凡是能促使燃烧室温度和压力升高以及促 使积炭等炽热点形成的一切条件，都能促成表 面点火。
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各种燃烧示功图的比较
图4-3 几种非正常燃烧过程的p–φ图
曲轴转角/ °CA
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n=3000r/min Ttq=53.2N ·m MAP=56kPa α=14.5 50个循环
气缸压力/ MPa
曲轴转角/ °CA
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（二） 各缸之间的燃烧差异 各缸间燃烧差异称为各缸工作不均匀。 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。 影响混合气分配不均匀的因素很多，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。
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2、点火提前角 对应于每一工况都存 在一个最佳点火提前 角（保证最高压力出 现在上止点后12°～ 15°），这时汽油机 功率最大，耗油率最 低。
图4-14 汽油机的点火调整特性 a 节气门全开 b n=1600r/min转速一定
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点火提前角过大，则大部分混合气在压缩过程中 燃烧，活塞上行所消耗的压缩功增加，发动机容易过 热，有效功率下降。 点火提前角过小，则燃烧延长到膨胀过程，燃烧 最高压力和温度下降，传热损失增多，排气温度升高， 功率下降，耗油量增多。
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下列因素或措施影响或改善循环波动: ： （1）过量空气系数 α=0.8-0.9时循环波动最小，过浓或 过稀都会使循环波动加剧。 （2）适当提高气流运动速度和湍流程度可改善混合气 的均匀性，进而改善循环波动。 （3）残余废气系数过大，则循环波动加剧。 （4）发动机在低负荷、低转速时，循环波动加剧。 （5） 多点点火有利于减少循环波动。 （6）提高点火能量、优化放电方式、采用大的火花塞 间隙，有助于减小循环波动。
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（大众Touran，2.0L 汽油机，n=2000r/min） BMEP=0.19MPa
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（491汽油机实例）
n=3000r/min Ttq=53.2N ·m MAP=56kPa α=14.5 50个循环 气缸压力/ MPa MAP: Manifold Absolute Pressure
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低速小负荷工况，不易爆燃，可用高压缩比。
ε < 11 不变压缩比
高速、大负荷
SI-ICE高速大负荷工况，燃烧室内温度、压力高，容易产生爆燃，
ε =8
转矩
中速、中负荷
ε = 11
低速、小负荷
ε = 14
转速
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（二）表面点火 在汽油机中，凡是不靠电火 花点火而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。表面点火时刻是不可 控制。
湍 流 火 焰
湍流较弱
湍流强烈
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湍流火焰燃烧速率
湍流火焰传播速度
dm = vT FT ρ m dt
火焰前锋面积
临界雷诺数Re=2300
未燃混合 气密度
提高混合气的湍流程度是改善汽油机燃烧的有效手段。
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二、汽油机的不规则燃烧 汽油机的不规则燃烧是指在稳定正常运转情况下， 各循环之间的燃烧变动（循环变动）和各气缸之 间的燃烧差异（各缸工作不均匀）。
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（二）燃烧速度(率) • 火焰传播方式可分为层流火焰传播和湍流火焰传播。 • 1. 层流火焰燃烧速率 • 层流火焰 层流火焰传播速度远远不能满 足实际发动机燃烧的要求。 实际发动机中的火焰传播 是以湍流火焰方式进行的。
图4-1 层流火焰与火焰前峰 面形状的关系
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• 层流火焰燃烧速率 燃烧速度(率)是指单位时间燃烧的混合气量，可以 表达为
ϕi
D X = 95% 跳火 B A
θ ig
TDC
缸压线 压缩线
ϕ
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(一)正常燃烧过程进行情况 将燃烧过程分为三个阶段：着火落后期、明显燃烧 期和后燃期。 1、着火落后期 从火花塞点火到火焰 核心形成（汽缸压力 线明显脱离压缩线而 急剧升高）的阶段。 占整个燃烧时间的15%。
φi
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层流火焰传播速度
dm = vL FL ρ m dt
火焰前峰面积
未燃混合 气密度
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2.湍流火焰燃烧速率 湍流是指由流体质点组成的微元气体所进行的无规则的脉 动运动。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。这种湍流运 动使火焰前锋表面出现皱折，强湍流运动使火焰前锋面严重扭 曲，甚至分隔成许多燃烧中心，导致火焰前锋燃烧区的厚度增 加。湍流运动使火焰前锋表面积明显增大，火焰传播速度加快。
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Principle of Automotive Engine
哈工大汽车学院 2016/03
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第四章 汽油机混合气形成和燃烧
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主要内容
• • • • • 第一节 汽油机的燃烧过程 第二节 汽油机混合气的形成 第三节 汽油机燃烧室 第四节 稀薄燃烧与缸内直喷汽油机 作业和思考题
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4、影响爆燃的因素 （1）燃料性质 辛烷值高的燃料，抗爆燃能力强。 （2）末端混合气的压力和温度 末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾向增大 （汽油机的压缩比较小的原因）。 （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，有利于避免爆 燃。
/bar
θ ig = 19 °CA
ϕ /°CA
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2、爆燃产生的原因 末端混合气自燃
正常燃烧：有明显的火焰前锋，且逐层向外传播，直至燃烧 完毕。 爆燃：火焰前锋未到，未燃混合气的温度达到其自燃温度 而着火燃烧，形成新的火焰中心，产生新的火焰传播。在较大 面积上多点着火，局部区域的温度压力急剧增加。这种类似阶 跃的压力变化，形成燃烧室内往复传播的激波，猛烈撞击燃烧 室壁面，使壁面产生振动，发出高频振音 ( 即敲缸声 ) ，产生爆 燃。
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不同进气涡流强度对pzmax变动的影响
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三、不正常燃烧 • 汽油机的不正常燃烧是指设计或控制不当，汽油 机偏离正常点火时间及地点，由此引起的燃烧速 率急剧上升，压力急剧增大等异常现象。 • 汽油机的不正常燃烧主要是爆燃和表面点火。
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（一）爆燃（爆震燃烧 ） 1 、爆燃的外部特征 爆燃时，缸内压力曲线出现高频大幅度波动 ( 锯 齿波 ) ，同时发动机会产生一种高频金属敲击声，因 此也称爆燃为敲缸。轻微敲缸时，发动机功率上升， 严重敲缸时，发动机 功率下降，转速下 降，工作不稳定， 机身有较大振动， 同时冷却水过热， 润滑油温度明显上 升。
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pmax1 pmax 2
θ ig 3
θ ig 2
pmax 3
θ ig1
TDC
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3、后燃期（补燃期） 从最高压力点开始到燃料基本燃烧为止称为补燃期。 补燃期中，混合气燃烧速度开始降低，加上活 塞向下止点加速移动，使气缸中压力从点3开始下降， 在后燃期中主要是湍 流火焰前锋后面没有完全 燃烧掉的燃料，以及附在 气缸壁面上的混合气层继 续燃烧。 为了保证高的循环热 效率和循环功，应使补燃 期尽可能短。
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火花点火 火核形成
均质透明 前锋皱着 的火焰
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第一节 汽油机的燃烧过程
一、正常燃烧过程： 汽油机正常燃烧过程是由定时的火花点火开始， 且火焰前峰以一定的正常速度传遍整个燃烧室 的过程。
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一、SI-ICE的燃烧过程
p
p max
明显燃 烧期 后燃 期 C
着火落 后期
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在补燃期，汽油机燃烧产物中CO2和H2O的离解现 象比柴油机严重，先吸热离解，在膨胀过程中由 于温度下降又复合而放出热量，这个过程对动力、 经济性是不利的。 一般应使2点在上止点前12°～15°，3点在 上止点后12°～15°出现。压力升高率最大为 0.175～0.25MPa/(°),整个燃烧持续期在40°～ 60°曲轴转角。
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明显燃烧期的火焰传播 在均质混合气中，当火焰 中心形成之后，由于各处混合 气的浓度、温度和压力一致， 火焰向四周传播，形成一个近 似球面的火焰层，即火焰前锋 （主要燃烧区），从火焰中心 开始层层向四周未燃混合气传 播，直到连续不断的火焰前锋 扫过整个燃烧室。
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一般用压力升高率代表发动机工作粗暴度和等 容度。压力升高率越高，燃烧等容度越高，但燃 烧噪声和振动增加。火焰传播速率、火花塞位置、 燃烧室形状影响压力升高率，火焰传播速度高， 则压力升高率大。 最高燃烧压力点出现的时刻对发动机的动力 经济性有重大影响，所以存在最佳，用调整点火 提前角θig来保证。
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5、控制措施 火花塞中置—缩短火焰传播距离 降低压缩比—增大自燃着火时间 紧凑燃烧室结构—减小火焰传播时间 提高湍流强度—减小火焰传播时间 推迟点火—降低最大爆发压力，减小压力波峰值 稀薄燃烧—增大低温多阶段着火的着火落后期 采用高辛烷值的燃料 采用可变压缩比VCR（Variable Compression Ratio）技术
a)正常燃烧 b)爆燃
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爆燃（爆震燃烧，knocking，detonation） 特征:示功图压力波动严重
正常燃烧 轻微爆燃 严重爆燃
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SI-ICE爆燃实例 发动机：EQ491 压缩比：9.0 汽油：90(RON) 2000r/min BMEP=0.9MPa
θ ig = 24 °CA