第五章 汽油机混合气的形成和燃烧

速燃期是汽油机燃烧的主要时期。速燃期愈
短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好，
但可能导致Δp/Δ 值过高，噪声、振动大，工
作粗暴，对排放也不利。
一般速燃期约占20～40°CA，燃烧最高压力出
现在上止点后12～15°CA，Δp/Δ=0.175～0.25
MPa/°CA为宜。
最高压力点3到达的时刻，对发动机的动力性、
表面温度升高，促使更剧烈的表面点火，两者互相 促进，形成所谓“激爆”现象，发出很强的尖锐敲 击声，造成的危害比爆燃更大。常发生爆震的发动 机易引起早燃。
(2)后燃：发生在火花塞跳火后的表面点火。对
发动机无大危害。
表面点火大体是发动机长时间高速、高负荷运
行后，火花塞绝缘体、电极或排气门高温引起的,
凡是能促使燃烧室温度和压力升高及促使积碳等炽
（四）湍流 定义：在气缸中形成的无规则的气流运动。 应用：在汽油机上主要用于提高火焰传播 速度；在柴油机上组织适当的湍流可以改善 燃油（如壁面附近的燃油）与空气的混合。
§5.1.1 汽油机的正常燃烧
一. 汽油机的正常燃烧进行： Ⅰ着火延迟期τi（1-2） 指从火花塞点火（1点）到气缸压力明显 脱离压缩线而急剧上升（2点）的时间或曲轴 转角。它约占全部燃烧时间的15%。 作用：形成稳定的火焰核心。
经济性及压力升高率等都有重大影响。可用点火提 前角来调整。
Ⅲ 补燃期（后燃期）
指速燃期终点到燃烧基本上结束。 特点： ①燃烧速度慢； ②补燃发生在膨胀冲程的中后期，热量利用率 低，所以希望补燃期越短越好。 综上所述，汽油机的正常燃烧过程是唯一地由 定时的火花点火开始，且火焰前锋以一定的正常速 度传遍整个燃烧室。
⑤点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感。
减小循环变动的方法：
1) 多点点火有利于减少压力的循环变动。
2) 组织进气涡流能增加燃烧速率，从而达到减少循 环变动的目的。
3) 提高发动机转速，在气缸内形成更强烈的湍流
也能减少循环变动。 4) 采用化学计量空燃比，由于火焰温度和传播速度 比较高，因此压力变动最小。
(二) 混合气成分的影响
混合气成分对燃烧过程的影响主要表现在火焰
传播速度上，因此影响燃烧过程。
1. α=0.85~0.95（功率混合气），Vn↑→τi↓→燃烧速率
高，但缸内燃烧p、T高→ 爆震倾向↑。
α<1，Pe ↑，be↑→CO↑
2. α=1.05~1.15(经济混合气)燃烧完全，迅速（及时性 ↑），ηi↑→ be ↓； 但此时缸内温度最高且富氧，NOx排放量最大。 3. α>1.15（稀混合气）燃烧慢(不及时)，补燃 ↑ ηi ↓→ be ↑，可能出现化油器回火； 4. α<0.85（浓混合气）燃烧慢，补燃↑,燃烧不完全, ηi ↓→ be ↑，可能出现排气管放炮现象。
爆燃，汽油机就可以方便地应用高压缩比或涡轮增
压的方法来提高功率和改善经济性。因此，长期以 来，改进汽油炼制方法，在汽油中加入辛烷值高的 含氧化合物以增加其抗爆性能，不断改进燃烧系统 和进气系统以减少爆燃倾向，采用电控汽油喷射、 汽油机缸内直接喷射等，已成为提高汽油机性能的 一个重要方面。
汽油机爆燃与柴油机工作粗暴性的异同
2.表面点火
定义: 由燃烧室内炽热的表面(如排气门头部,
火花塞电极)或炽热的积碳,点燃混合气而引起的不
正常燃烧现象。多发生在=9以上的强化汽油机上。
⑴早燃：发生在电火花跳火前的表面点火。 Δp/Δφ↑粗暴，有敲缸声，但频率低，沉闷，压 缩负功↑，最高压力↑，发动机过热，Pe↓，ge↑；
注意：早燃易引起爆燃，爆燃又会让更多的炽热
(dp / dt )max 0.2MPa / s
(dp / dt ) max 65MPa / CA 或 之高，此时火焰传播速度和火焰前锋形状发生急剧 的改变，称为爆燃。
正常燃烧与爆燃时p-t图和dp/dt图的比较
爆燃产生的原因——末端混合气 的自燃。 火花塞跳火后，火 焰开始传播，末端混合气在压 缩基础上受到燃气挤压热辐射， 加快了自己燃烧前的化学反应， 在火焰未传到之前自燃，火焰 的传播速度极大达到1000m/s， 热量迅速放出，来不及膨胀， 产生冲击波，冲击波敲击活塞 顶和缸盖，发出清脆的金属敲 击声，强烈时还会引起发动机 的振动。
5) 采用燃油电控喷射技术(特别是多点燃油喷射)可 改善循环之间的混合气浓度不均匀性，达到降低循
环变动的目的。
6) 采用快燃、速燃燃烧技术，提高火焰的传播速率，
有助于减小燃烧循环变动；
7) 加大点火能量、优化放电方式、采用大的火花塞 间隙，有助于减小循环变动。
2.多缸汽油机各缸之间的燃烧差异
多缸发动机中存在着各缸进气充量分配不均匀的 现象。多缸机不仅要求每个循环均匀，还要求各缸差
2. 严重爆燃：
①冲击波使零件承受过度负载；
②冲击波破坏了壁面处的气体附面层和油膜，使
传热损失↑，冷却系统过热，Pe↓→ge↑，磨损加 剧； ③使零件热负荷加重，刚度和强度下降，严重 时烧毁金属零件。
影响爆震的因素：
t1=l/ Vn
t1—火焰从火花塞传到末端混合气的时间；
t2—从火焰开始传播到末端混合气发生自燃的
异要小。
主要由各缸混合气分配不均匀引起的：
①各缸间充气量不均匀
②各缸间Φa不均匀
③各缸间燃料成分不均匀
危害：整机功率下降，耗油率上升，排放性能恶
化，低速低负荷时工作稳定性变差。 燃油多点电喷技术与单点
四 汽油机的不正常燃烧百度文库
1. 爆震燃烧 在某种条件下(如压缩比过高)，汽油机的燃烧 会变得不正常，在测录的p-t图上，出现如图所 示的情况，压力曲线出现高频、大幅波动，上止点 附近的 dp / dt 值急剧波动达
时间。
当 t1 > t2时，发生爆震；
t1 < t2时，不发生爆震。
因此所有使t1 ↓ t2 ↑的因素，都使爆震情况↓
影响因素
压缩比ε↑ 辛烷值↑
爆燃倾向
↑ ↓
燃料自燃温度↑
冷却水温度↑ 进气温度↑ 负荷↑
↓
↑ ↑ ↑
点火提前角↑
↑
由于上述原因，爆燃成为限制火花点火发动机
功率提高和经济性改善的一个重要因素。如果没有
kg/s
Hum—混合气热值
影响燃烧速度的因素：
1.火焰传播速度UT
火焰传播速度UT是决定速燃期长短的主要因
素。现代汽油机的UT可高达50～80m/s。影响VT的 主要因素是：燃烧室中的紊流运动、混合气成分 和混合气初始温度。
2.火焰前锋面积AT
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
二.火焰传播速度和燃烧速度
1.火焰传播速度—单位时间内火焰前锋面在法线方向 相对未燃混合气移动的距离VT m/s。
2. 燃烧速度—单位时间内燃烧的混合气质量
dmb vT Af m dt
Af—火焰前锋面的面积 ρ —混合气密度
kg/s
3.放热速度—单位时间放出的热量
dQB vT Af m H um dt
发具有高性能和低污染的发动机具有重要意
义。
涡流
内燃机缸内 气体运动方式
挤流
滚流
湍流
㈠涡流
1.进气涡流
定义：在进气过程形成的中，绕气缸轴线有组织
的气流运动，称为进气涡流 。
进气涡流可以持续到燃烧膨胀过程。
应用：
①柴油机：进气涡流主要用于增强喷油油束与 空气的混合，提高燃油空气混合速率，有助 于柴油机的快速燃烧。 ②汽油机：进气涡流主要用于增加火焰传播速 率，实现快速燃烧。 进气涡流的大小由进气道形状和发动机转速 决定。
逆挤流(反挤流)：当活塞下行时，燃烧室中的气体向
外流到环形空间，产生膨胀流动，称为逆挤流。
挤气涡流在柴油机上有助于将燃烧室内的混合 气流出，使其进一步和气缸内的空气混合燃烧，对 改善燃烧和降低排放十分有利。
（三）滚流（横轴涡流） 定义：在进气过程中形成的，绕垂直于气 缸轴线的有组织的空气旋流。 应用：较适宜于四气门汽油机，可以大大 提高火焰传播速率，改善发动机性能。
第五章
汽油机中的混合气形成和燃烧
§5.1 汽油机燃烧过程
汽油机混合气形成和燃烧特点
1.气缸外部形成混合气 混合气形成时间长，混合均匀 2.外源点火—容易控制点火地点和时间
3.火焰传播式燃烧—火焰传播速度决定燃烧速度
内燃机气缸内的气流运动
• 内燃机缸内空气运动对混合气形成和燃烧过程有
决定性影响，因而也影响着发动机的动力性、经
热点形成的一切条件，都能促使表面点火。
⑶ 影响表面点火的因素(燃烧室内已有沉积物)
①
②
压缩比增加；
进气终点压力增加（节气门开大）；
③
④
进气温度增加；
转速增加；
⑤
⑥
在最大功率混合比(α=0.8～0.9)下运行；
大气湿度下降。
影响燃烧过程的因素
一. 使用因素对汽油机燃烧过程的影响 (一)燃料性质的影响 辛烷值愈大，燃料爆燃倾向愈小。燃料的抗爆 性高，可相应提高压缩比，改善发动机的性能。
烧速度。 3.可燃混合气密度 增大未燃混合气密度，可以提高燃烧速度，因 此增大压缩比和进气压力等，均可加大燃烧速度。
三.不规则燃烧
1. 循环变动— 各循环间的燃烧变动
在汽油机工况一定时，各个循环的示功图不相
同，称为循环变动或不规则燃烧。压力循环变动开 始于燃烧过程的开始阶段（即10%火焰传播距离以 前）是汽油机特有的现象。 产生原因：火花塞附近混合气的混合比和气体 湍流性质、程度在各循环均有变动，致使火焰中心 形成的时间不同。
当α<0.8及α1.2时，火焰速度缓慢，部分燃 料可能来不及完全燃烧，因而经济性差，HC排放增 多且工作不稳定。 注：混合气传播界限：0.6 ~ 1.3，T混↑→范围↑,
P
着火延迟期长短对汽油机正常燃烧无影响，可
以通过点火提前角调整。但对爆震燃烧有重要影响。
影响着火延迟期的因素：
①燃料性质：辛烷值↑→τi ↑；
②点火时，缸内温度↑压力↑ → τi ↓； ③Φa=0.85-0.9时，τi 最短； ④残余废气系数Φr ↑ → τi ↑； ⑤点火能量E ↑ → τi ↓。
汽油机爆燃的外部特征：
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；强烈爆燃
时，发动机功率下降，工作变得不稳定，转速下
降，发动机有较大振动。 3)冷却系统过热(冷却水、润滑油温度均上升)。 4)气缸盖温度上升。
危害：
1. 轻微爆燃：接近等容燃烧，ηi↑Pe↑ →
ge↓,调点火提前角的依据；
济性、燃烧噪声和有害废气的排放。
• 组织良好的缸内空气运动对提高汽油机的火焰传
播速率、降低燃烧循环变动、适应稀燃或层燃有
重要作用；
• 对提高柴油机的燃油空气混合速率，提高燃
烧速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的
混合(热混合作用)有重要作用。
• 深入了解内燃机缸内空气运动对燃烧过程的
影响和作用，对于组织良好的燃烧过程，开
2、进气涡流
的产生方法
采用带导气屏 的进气门
螺旋气道
切向气道
（二）挤气涡流
定义：在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和
气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动
称为挤压流动，又称挤流。 应用：挤气涡流在柴油机上得到了广泛的应用， 汽油机紧凑型燃烧室都利用较强的挤流运动，以 增强燃烧室内的湍流强度，促进混合气快速燃烧。
危害：由于气缸压力的循环变动，对每一循环，燃 料供给系统参数和点火提前角都不能处在最佳值，
因而影响汽油机的性能指标。
消除了循环变动，比油耗可以下降10—20%，
爆震界限也可以提高。
影响因素：
①n↑→紊流↑→循环变动↓；
②负荷↑→Φr↓→循环变动↓；
③α=0.85—0.9，循环变动最小；
④加大点火能量，采用多点点火，循环变动↓；
★与柴油机的工作粗暴性在燃烧本质上是一致的，均 是可燃混合气的自燃结果。 ★两者发生的时间和气缸内的状况是有差异的。柴油 机的工作粗暴性发生在速燃期始点，压力升高比大，
但气缸内压力还是均匀的；而汽油机的爆燃是发生
在速燃期的终点，气缸内有压力波冲击现象。
★对汽油机而言是优良的燃料，对柴油机就是最差的
燃料，反之亦然。
Ⅱ 火焰传播期（速燃期）（2-3）
指从形成火焰核心到火焰传遍整个燃烧 室，最高压力点出现。 特征：火焰迅速传遍整个燃烧室，热量迅 速释放，缸内容积几乎不变，压力急剧上升。 一般用平均压力升高率来评定压力上升程度。
Δp /Δ =(p3-p2)/(φ3-φ2)≈0.2-0.4
MPa / °CA Δp /Δ >0.25 时，爆震燃烧。