第8章 汽油机混合气的形成和燃烧(2003版)

1、第三篇 燃烧与排放 本篇主要介绍内燃机的燃烧过程与有害排放物及噪声控制 第八章 汽油机混合气的形成和燃烧 第九章 柴油机混合气的形成和燃烧 第十章 发动机的排放与噪声控制 汽油机燃烧过程8.1汽油机混合气制备原理8.2 汽油机的燃烧室8.3 发动机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为热发动机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程。能的过程。 燃烧过程是影响发动机经济性、动力性和排气燃烧过程是影响发动机经济性、动力性和排气污染的主要过程，对噪声、振动、启动性能和使污染的主要过程，对噪声、振动、启动性能和使用寿命也有很大的影响。用寿命也有很大的影响。8.1 8.1 汽油机燃烧过程汽油机燃烧过程 对

2、燃烧过程的要求： （1）完全：燃烧完全，才能充分利用燃油的热能；同时影响排出废气的成分。 （2）及时：在上止点附近燃烧（即在上止点后12-15CA燃烧完毕），循环功最多。 （3）正常：正常燃烧，才能保证发动机稳定、可靠的工作。汽油机的燃烧过汽油机的燃烧过程程 正常燃烧过程正常燃烧过程不规则燃烧不规则燃烧不正常燃烧不正常燃烧8.1.1 8.1.1 正常燃烧过程正常燃烧过程 正常燃烧过程分析正常燃烧过程分析1 燃烧速度燃烧速度21 1、 正常燃烧过程分析正常燃烧过程分析着火落后期的长短与以下因素有关：着火落后期的长短与以下因素有关：（4 4）火花能量）火花能量 加大火花能量，着火落后期缩短。加大火

3、花能量，着火落后期缩短。（5 5）残余废气量）残余废气量 残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使着火落后期残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使着火落后期变长，所以应尽量减少残余废气。变长，所以应尽量减少残余废气。着火落后期的长短与以下因素有关：着火落后期的长短与以下因素有关： 点火提前角点火提前角：是指从火花塞跳火到上止点间的：是指从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角。可用其表示点火时刻。曲轴转角。可用其表示点火时刻。 从 形 成 火 焰 中从 形 成 火 焰 中心到最高压力出现。心到最高压力出现。即汽缸压力线脱离即汽缸压力线脱离压缩线开始急剧上压缩线开始急剧上升到压力达到最高升到压力达到最高点。点。明显燃

4、烧期明显燃烧期是是汽油机燃烧的主要汽油机燃烧的主要时期。时期。 ( (二）明显燃烧期二）明显燃烧期 在均质混合气中，当火焰中心形成之后，火焰向四在均质混合气中，当火焰中心形成之后，火焰向四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前锋，周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前锋，从火焰中心开始层层向四周未燃混合气传播，直到连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。续不断的火焰前锋扫过整个燃烧室。( (二）明显燃烧期二）明显燃烧期 式中：式中：p p明显燃烧期始点和终点的气体压力差（明显燃烧期始点和终点的气体压力差（kPakPa）; ; 明显燃烧期始点和终点

5、相对于上止点的曲轴转明显燃烧期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差（角差（CACA）。）。 汽油机的汽油机的pp在在200-400 kpa/(200-400 kpa/() )的范围内。的范围内。pp（8-1） 明显燃烧期明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期。明显燃是汽油机燃烧的主要时期。明显燃烧期愈烧期愈短短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好，但可能导致压力升高率值过高，工作粗暴，愈好，但可能导致压力升高率值过高，工作粗暴，对排污亦不利。对排污亦不利。 一般明显燃烧期约占一般明显燃烧期约占2020-40-40曲轴转角，燃曲轴转角，燃烧最高压力出现在上止点后烧

6、最高压力出现在上止点后1212-15-15曲轴转角，曲轴转角，p=175-250kpa/(p=175-250kpa/() )为宜。为宜。最高燃烧压力点最高燃烧压力点3 3到达时刻的调整：到达时刻的调整：l过早过早 如最高燃烧压力点如最高燃烧压力点3 3时刻到达时间过早，则混合气必时刻到达时间过早，则混合气必然过早点燃，压力升高率增加，最高燃烧压力过高。然过早点燃，压力升高率增加，最高燃烧压力过高。l过迟过迟 如最高燃烧压力点如最高燃烧压力点3 3时刻到达时间过迟，燃烧高时刻到达时间过迟，燃烧高温时期的表面积增加，也不利。温时期的表面积增加，也不利。总结：点总结：点3 3的位置可以调整点火提前角

7、来调整。的位置可以调整点火提前角来调整。（1 1）火焰前锋后面没有完全燃烧的燃料再燃烧。）火焰前锋后面没有完全燃烧的燃料再燃烧。（2 2）贴附在缸壁未燃混合气层的部分燃烧。壁）贴附在缸壁未燃混合气层的部分燃烧。壁 面面温度低，对火焰具有熄火作用，这样在熄火处存在温度低，对火焰具有熄火作用，这样在熄火处存在大量未燃烃，在随后的膨胀中部分未燃烃继续燃烧大量未燃烃，在随后的膨胀中部分未燃烃继续燃烧。在此阶段参加燃烧的燃料主要有：在此阶段参加燃烧的燃料主要有： （3 3）高温分解的燃烧产物（）高温分解的燃烧产物（H H2 2、O O2 2、COCO等）重等）重新氧化。新氧化。 燃烧产物燃烧产物COCO

8、2 2、H H2 2O O中，有少部分在高温的作用中，有少部分在高温的作用下，分解成下，分解成H H2 2、O O2 2、COCO等产物，在膨胀过程中，等产物，在膨胀过程中，因工质温度下降，热分解产物又继续燃烧、放热因工质温度下降，热分解产物又继续燃烧、放热。 为了保证高的为了保证高的热效率热效率和和循环功循环功，由于这种燃烧已，由于这种燃烧已远离上止点，应尽量减少。远离上止点，应尽量减少。在此阶段参加燃烧的燃料主要有：在此阶段参加燃烧的燃料主要有：总结总结 为了保证汽油机工作柔和、动力性能良好，为了保证汽油机工作柔和、动力性能良好，一般应使点一般应使点2 2在上止点前在上止点前1212-15

9、-15，燃烧燃烧最高压力最高压力点点3 3在上止点后在上止点后1212-15-15曲轴转角到达。整个燃烧曲轴转角到达。整个燃烧持续期在持续期在4040- -6060曲轴转角。曲轴转角。 燃烧速度是指单位时间燃烧的混合气量，可以表达为 TTTAdtdm式中 T未燃混合气密度； T火焰传播速度， AT火焰前锋面积。 控制燃烧速度就能控制明显燃烧期的长短及其相对曲轴转角的位置。 【2. 燃烧速度燃烧速度】一版一版（8-2）火焰传播速度T火焰前锋面积AT可燃混合气密度T 1. 火焰传播速度T 火焰传播速度是决定明显燃烧期长短的主要因素。现代汽油机的T可高达5080m/s。影响T的主要因素是：燃烧室中气

10、体的紊流运动、混合气成分和混合气初始温度。 （1） 湍流运动：湍流运动是由一定运动方向的涡流和无规则的气体脉动所组成。涡流运动可使火焰前锋表面扭曲，甚至分隔成许多火焰中心，使火焰前锋燃烧区加厚，如图所示，火焰传播速度加快。湍流强烈湍流较弱 （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a=0.8595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a=1.03-1.10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。 火焰传播下限：a1.3-1.4时，火焰传播速度降低，甚至不能传播。 火焰传播上限：a0.4

11、-0.5时，混合气过浓，也使火焰不能传播。 为了保证可靠的工作，汽油机的a在0.6-1.2范围，即空燃比=A/F=918。 （3）混合气初始温度：混合气初始温度高，火焰传播速度增加。 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，以调整燃烧速度。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。图8.28火焰传播方式分为： 层流火焰传播：火焰传播速度1m/s，前锋面薄、圆滑，速度受混合气温度、压力、a、燃料特性和残余废气系数影响。 湍流火焰传播：雷诺数Re=23006000为湍流火焰，火焰前锋面变厚出现皱折，

12、雷诺数Re6000为强湍流火焰，前锋面的皱折凹凸不平内部分裂出许多未燃混合气区,vTRe。Ret 3.可燃混合气密度t 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。 汽油机的汽油机的不规则燃烧不规则燃烧是指在稳定正常运转是指在稳定正常运转情况下，各循环之间的燃烧差异和各缸之间的燃情况下，各循环之间的燃烧差异和各缸之间的燃烧差异。烧差异。 8.1.28.1.2 不规则燃烧不规则燃烧不规则燃烧不规则燃烧循环波动循环波动各缸工作不均匀各缸工作不均匀 各循环之间各循环之间的燃烧差的燃烧差异主要是燃烧的不稳定性，异主要是燃烧的不稳定性，表现为循环的压力波动。表现为

13、循环的压力波动。如图示出不同循环的气缸如图示出不同循环的气缸压力变化情况。从中可以压力变化情况。从中可以看到变化较大，低负荷时看到变化较大，低负荷时情况更严重。情况更严重。 1. 1. 循环波动循环波动图8.2燃烧循环波动是点燃式发动机燃烧过程的一大特征燃烧循环波动是点燃式发动机燃烧过程的一大特征 这种循环间的燃烧变动使汽油机这种循环间的燃烧变动使汽油机空燃比空燃比和和点点火提前角火提前角调整对每一循环都不可能处于最佳状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。同时，由于燃烧向增加，使汽油机性能下降

14、。同时，由于燃烧过程不稳定，也使过程不稳定，也使振动振动和和噪声噪声增大，零部件寿增大，零部件寿命下降。命下降。 火花塞附近混合气的混合比和气体紊流性质、火花塞附近混合气的混合比和气体紊流性质、程度在各循环均有变动，致使火焰中心形成所用的程度在各循环均有变动，致使火焰中心形成所用的时间不同，即由时间不同，即由有效着火时间有效着火时间变动变动而引起的。而引起的。 虽然汽油机的燃烧方式是预制均匀混合气燃烧，虽然汽油机的燃烧方式是预制均匀混合气燃烧，其其宏观上宏观上是均匀的，实际上，气缸内燃料、空气及是均匀的，实际上，气缸内燃料、空气及残余废气不可能在短时间内混合均匀，那么，混合残余废气不可能在短时

15、间内混合均匀，那么，混合气成分在气成分在微观上微观上并不均匀，火花塞附近的混合气成并不均匀，火花塞附近的混合气成分是随时间不断变化的，这就会导致着火落后期的分是随时间不断变化的，这就会导致着火落后期的长短和火焰中心初始生长过程随循环产生波动。长短和火焰中心初始生长过程随循环产生波动。 燃烧室内涡流强度分布是很不均匀的，火花塞附近的燃烧室内涡流强度分布是很不均匀的，火花塞附近的气体的运动速度和方向，影响火花塞点火后形成的火焰气体的运动速度和方向，影响火花塞点火后形成的火焰中心的轨迹以及火焰的初始生长速度，其后的火焰向整中心的轨迹以及火焰的初始生长速度，其后的火焰向整个燃烧室发展的进程，如火焰与壁

16、面的关系，燃烧速度个燃烧室发展的进程，如火焰与壁面的关系，燃烧速度等，也受燃烧室内微元气体的运动速度和方向的影响。等，也受燃烧室内微元气体的运动速度和方向的影响。 （1 1）a=0.8-0.9a=0.8-0.9时时循环燃烧变动最小，混合气加循环燃烧变动最小，混合气加浓或减稀变动均增加。浓或减稀变动均增加。aa对循环波动的影响较大。对循环波动的影响较大。 （2 2）残余废气量残余废气量相对增多，变动更为明显。相对增多，变动更为明显。 （3 3）加强紊流有助于减少变动，因此）加强紊流有助于减少变动，因此转速增加转速增加，一般一般变动减小变动减小。下列因素影响或改善循环波动下列因素影响或改善循环波动

17、: : （4 4）加大点火能量，采用多点点火，情况有所改）加大点火能量，采用多点点火，情况有所改善。善。 （5 5）点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感。）点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感。 （6 6）发动机在低负荷，低转速时，循环波动加剧。）发动机在低负荷，低转速时，循环波动加剧。下列因素影响或改善循环波动下列因素影响或改善循环波动: :2. 2. 各缸工作不均匀各缸工作不均匀 各缸之间的燃烧差异各缸之间的燃烧差异主要是由于主要是由于各缸进各缸进气充量不均匀气充量不均匀、混合气成分不均匀混合气成分不均匀，燃料分，燃料分配不均使空燃比不一致造成的。配不均使空燃比不一致造成的。 影响混合气分配不

18、均匀的因素很多，总的来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说，与进气系统所有零件的设计和安装位置都有关系，关系，任何不对称任何不对称和和流动阻力不同流动阻力不同的情况都会破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坏均匀分配，其中影响最大的是进气管的设计。 汽油机的汽油机的不正常燃烧不正常燃烧是指是指设计设计或或控制不当控制不当，汽油机汽油机偏离正常点火的时间偏离正常点火的时间及及地点地点，由此引起，由此引起燃燃烧速率急剧上升，压力急剧增大等异常现象烧速率急剧上升，压力急剧增大等异常现象。汽。汽油机的不正常燃烧主要是油机的不正常燃烧主要是爆

19、燃爆燃和和表面点火表面点火。8.1.3 8.1.3 不正常燃烧不正常燃烧u 爆燃的外部特征爆燃的外部特征u 爆燃的成因爆燃的成因u 爆燃的危害爆燃的危害u 影响爆燃的因素影响爆燃的因素 汽缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦称为汽缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦称为敲缸敲缸。轻微敲缸轻微敲缸时，发动机功率上升，油耗下降，时，发动机功率上升，油耗下降，但但严重严重时会产生冷却水过热，功率下降，油耗上时会产生冷却水过热，功率下降，油耗上升，发动机磨损加剧，排放污染增加（主要是排升，发动机磨损加剧，排放污染增加（主要是排气冒黑烟）。气冒黑烟）。爆燃的外部特征爆燃的外部特征u 正常燃烧与爆燃的不同正常燃烧

20、与爆燃的不同图8.3u 正常燃烧的火焰传播速度为正常燃烧的火焰传播速度为50-80m/s50-80m/s，无压力波，无压力波，压力升高率在压力升高率在200-400 200-400 kpakpa/()/()的范围内。的范围内。u 爆燃的火焰传播速度：爆燃的火焰传播速度：轻微爆燃轻微爆燃时，火焰传播速时，火焰传播速度约为度约为100m/s-300m/s100m/s-300m/s，强烈爆燃强烈爆燃时可高达时可高达800m/s-800m/s-1000m/s1000m/s。使未燃混合气瞬时燃烧完毕，局部压力、。使未燃混合气瞬时燃烧完毕，局部压力、温度很高，形成强烈的压力冲击波。温度很高，形成强烈的压力

21、冲击波。冲击波反复撞冲击波反复撞击燃烧室壁，发出尖锐的敲缸声击燃烧室壁，发出尖锐的敲缸声。 正常燃烧与爆燃的不同正常燃烧与爆燃的不同 强烈爆燃时的冲击波能使缸壁、缸盖、活塞强烈爆燃时的冲击波能使缸壁、缸盖、活塞、连杆、曲轴等机件的、连杆、曲轴等机件的机械负荷机械负荷增加，使机件增加，使机件变形甚至损坏。变形甚至损坏。u ( (三三) ) 爆燃的危害爆燃的危害 汽油机燃烧终了时的温度可达到汽油机燃烧终了时的温度可达到2000-2500, 2000-2500, 而而活塞顶、燃烧室壁及缸壁的温度仅为活塞顶、燃烧室壁及缸壁的温度仅为200-300200-300，除，除了冷却水的作用外，能够维持如此低温

22、度的原因，还了冷却水的作用外，能够维持如此低温度的原因，还包括在这些壁面上形成了气体的附面层，它起到隔热包括在这些壁面上形成了气体的附面层，它起到隔热的作用。的作用。 强烈爆燃时的冲击波会破坏这一附面层，使强烈爆燃时的冲击波会破坏这一附面层，使机件直接与高温燃气接触。而严重爆燃时，局部燃机件直接与高温燃气接触。而严重爆燃时，局部燃气温度可高达气温度可高达40004000以上，这样会使活塞头部和气以上，这样会使活塞头部和气门等机件烧损。同时热量传给冷却水引起发动机过门等机件烧损。同时热量传给冷却水引起发动机过热。热。 爆燃时局部高温引起热分解现象严重，使燃烧爆燃时局部高温引起热分解现象严重，使燃

23、烧产物分解为产物分解为CHCH、H H2 2、O O2 2、NONO等增多，排气冒烟严重。等增多，排气冒烟严重。CHCH、H H2 2、O O2 2等在膨胀过程中重新燃烧又使补燃增加，等在膨胀过程中重新燃烧又使补燃增加，排气温度增高。排气温度增高。 爆燃产生的炭粒形成积炭，破坏活塞环、火花塞爆燃产生的炭粒形成积炭，破坏活塞环、火花塞、气门等零件的正常工作，使发动机可靠性下降。、气门等零件的正常工作，使发动机可靠性下降。 u （四）影响爆燃的因素（四）影响爆燃的因素 l 燃料的性质燃料的性质l 末端混合气的压力和温度末端混合气的压力和温度l 火焰前锋传播到末端混合气的时间火焰前锋传播到末端混合气

24、的时间 辛烷值高的燃料抗爆燃能力强。辛烷值高的燃料抗爆燃能力强。(1) (1) 燃料的性质燃料的性质(2) (2) 末端混合气的压力和温度末端混合气的压力和温度 末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾向增末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾向增大。大。例如，提高压缩比，则气缸内压力、温度升例如，提高压缩比，则气缸内压力、温度升高，爆燃易发生；又如，气缸盖、活塞的材料使高，爆燃易发生；又如，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、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。温度低，爆燃倾向小。辛烷值：辛烷值：l测定是在专门设计的可变压缩比的单缸试验机测定是在

25、专门设计的可变压缩比的单缸试验机中进行。中进行。l标准燃料由标准燃料由异辛烷异辛烷和和正庚烷正庚烷的混合物组成的混合物组成l异辛烷异辛烷用作用作抗爆性优良抗爆性优良的标准，的标准，辛烷值辛烷值定为定为100100；l正庚烷正庚烷用作用作抗爆性低劣抗爆性低劣的标准，的标准，辛烷值辛烷值为为0 0。l将这两种烃按不同体积比例混合，可配制成辛将这两种烃按不同体积比例混合，可配制成辛烷值由烷值由0 0到到100100的标准燃料的标准燃料 。 提高火焰传播速度提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会缩短火焰传播距离，都会减少火焰前锋传到末端混合气的时间，有利于避减少火焰前锋传到末端混合气的时间，有利于避

26、免爆燃。免爆燃。例如，例如，气缸直径大气缸直径大时，火焰传播距离增时，火焰传播距离增加，加，爆燃倾向增大爆燃倾向增大，所以，所以没有很大缸径的汽油机。没有很大缸径的汽油机。结论：结论：发动机工作是否有爆燃现象，取决于所发动机工作是否有爆燃现象，取决于所用用燃料，燃料，取决于发动机的取决于发动机的运转条件和燃烧室运转条件和燃烧室的设的设计。计。 (3) (3) 火焰前锋传到末端混合气的时间火焰前锋传到末端混合气的时间 提高火焰传播速度提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会缩短火焰传播距离，都会减少火焰前锋传到末端混合气的时间，有利于避减少火焰前锋传到末端混合气的时间，有利于避免爆燃。免爆燃。例

27、如，例如，气缸直径大气缸直径大时，火焰传播距离增时，火焰传播距离增加，加，爆燃倾向增大爆燃倾向增大，所以，所以没有很大缸径的汽油机。没有很大缸径的汽油机。结论：结论：发动机工作是否有爆燃现象，取决于所发动机工作是否有爆燃现象，取决于所用用燃料，燃料，取决于发动机的取决于发动机的运转条件和燃烧室运转条件和燃烧室的设的设计。计。 （3 3）火焰前锋传到末端混合气的时间）火焰前锋传到末端混合气的时间 汽油机中不靠电火花点火而由燃烧室炽热（排汽油机中不靠电火花点火而由燃烧室炽热（排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物）气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物）点燃混合气的现象。点燃混合气的

28、现象。 表面点火出现在火花塞跳火后，并且形成的火表面点火出现在火花塞跳火后，并且形成的火焰前锋仍以正常的火焰传播速度向未燃气体推进，焰前锋仍以正常的火焰传播速度向未燃气体推进，称为称为后火后火。 出现这种现象时，可在发动机断火后发现，发出现这种现象时，可在发动机断火后发现，发动机仍像有电火花一样，继续运转，直到炽热点温动机仍像有电火花一样，继续运转，直到炽热点温度下降到不能点燃混合气为止，发动机才停转。度下降到不能点燃混合气为止，发动机才停转。 2. 2. 表面点火表面点火 早燃早燃是指在火花塞点火之前，炽热表面就点燃混是指在火花塞点火之前，炽热表面就点燃混合气的现象。合气的现象。 由于早燃提

29、前点火而且炽热表面比火花大，使燃由于早燃提前点火而且炽热表面比火花大，使燃烧速率快，气缸压力、温度增高，发动机工作粗暴，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。下降，火花塞、活塞等零件过热。 早燃早燃 早燃会诱发早燃会诱发爆燃爆燃，爆燃又会让更多的炽热表面温爆燃又会让更多的炽热表面温度升高，促使更剧烈的度升高，促使更剧烈的表面点火表面点火，两者互相促进，两者互相促进，危害可能更大。危害可能更大。1 1爆燃爆燃是火花塞跳火后，火焰锋面到达之前末端是火花塞跳火后，火焰锋面到达

30、之前末端混合气以低温多阶段方式的自燃现象；混合气以低温多阶段方式的自燃现象；表面点火表面点火一一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致。般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致。2 2爆燃爆燃时有强烈的压力冲击波，有尖锐的金属敲时有强烈的压力冲击波，有尖锐的金属敲击声；击声；表面点火表面点火没有压力冲击波，敲缸声比较沉闷，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。产生振动而造成。图8-5 8.1.4 8.1.4 运转因素对燃烧的影响运转因素对燃烧的影响 汽油的蒸发性与抗爆性是影响汽油机燃烧过

31、程的主要使用性能。汽油的蒸发性愈强，愈容易汽化，与空气混汽油的蒸发性愈强，愈容易汽化，与空气混合愈均匀，易于完全燃烧。合愈均匀，易于完全燃烧。 因而汽油要有良好的蒸发性，但蒸发性过强，因而汽油要有良好的蒸发性，但蒸发性过强，在炎热的夏季、高原山区使用时，易形成供油系在炎热的夏季、高原山区使用时，易形成供油系“气阻气阻”，甚至发生供油中断现象。，甚至发生供油中断现象。 汽油的汽油的抗爆性抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力，用辛烷值评定。时抵抗爆燃的能力，用辛烷值评定。 汽油的汽油的辛烷值愈高辛烷值愈高，其，其抗爆性愈好抗爆性愈好。 在汽油机的转速、节气门开

32、度保持一定，点火提前角为最佳时，调节供油量，记录功率、燃油消耗率、排气温度等随过量空气系数的变化曲线，称为汽油机在某一转速和节气门开度下的混合气浓度调整特性。图8-8 在在a=0.8-0.9a=0.8-0.9时，由于时，由于燃烧温度最高，火焰传燃烧温度最高，火焰传播速度最大，因此播速度最大，因此pzpz、TzTz、p/p/ 、PePe均达最均达最高值，且爆燃倾向最大。高值，且爆燃倾向最大。存在一个最大功率的过存在一个最大功率的过量空气系数量空气系数aa，此混合，此混合气称为气称为“功率混合气功率混合气” ” 图8-8 在在a=1.01.1a=1.01.1时，由于燃时，由于燃烧完全，烧完全，be

33、be最低最低，但此时缸，但此时缸内温度最高且空气富裕，氮内温度最高且空气富裕，氮氧化物排放量大。氧化物排放量大。 存在一个最低燃油消耗率存在一个最低燃油消耗率aa，此混合气称为，此混合气称为“经济经济混合气混合气” 使用使用aa1 1的浓混的浓混合气工作，由于必然合气工作，由于必然产生不完全燃烧，所产生不完全燃烧，所以以COCO排放量明显上升。排放量明显上升。 当当aa0.80.8及及aa1.21.2时，时，火焰传播速度缓慢，部火焰传播速度缓慢，部分燃料可能来不及完全分燃料可能来不及完全燃烧，因而经济性差，燃烧，因而经济性差，HOHO排放量增多且工作排放量增多且工作不稳定。不稳定。 点火提前角

34、点火提前角是从火花塞跳火到上止点间的曲轴是从火花塞跳火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。气系数等很多因素而定。 点火提前角过大点火提前角过大，则大部分混合气在压缩过程中，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，工作粗暴程度增加。同易过热，有效功率下降，工作粗暴程度增加。同时由于混合气的压力过高，末端混合气燃烧前的时由于混合气的压力过高，末端混合气燃烧前的温度较高，爆燃倾向加大。温度较高，爆燃倾向加大。 点火提前角

35、过小点火提前角过小，则燃烧延长到膨胀过程，燃烧最，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，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。功率下降，耗油量增多。图8.4 点火提前角为最佳值点火提前角为最佳值时，压力升高率不是过时，压力升高率不是过高，最高压力出现在上止点后合适的角度内，高，最高压力出现在上止点后合适的角度内，示功图面积最大，完成的循环功最多，发动机示功图面积最大，完成的循环功最多，发动机的动力性、经济性最好。的动力性、经济性最好。 u 转速一定，负荷减小时，进入气缸的新鲜混合气转速一定，负荷减小时，进入气缸的新鲜混合气量减小

36、，而残余废气量基本不变量减小，而残余废气量基本不变. .u 因为残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使燃烧因为残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使燃烧速度减慢。为保证燃烧过程在上止点附近完成，速度减慢。为保证燃烧过程在上止点附近完成，需增大点火提前角。见图需增大点火提前角。见图8.98.9所示曲线。所示曲线。图8.9 最佳点火提前角随负荷的变化负荷减小，最佳点火提前角要提前。负荷减小，最佳点火提前角要提前。（p190） 随着负荷的减少，最佳点火提前角要提前。随着负荷的减少，最佳点火提前角要提前。 低负荷时，爆燃倾向较小。主要是负荷低时，低负荷时，爆燃倾向较小。主要是负荷低时，进气量少，残余废气相对较多，

37、使燃烧最高压力进气量少，残余废气相对较多，使燃烧最高压力和温度下降，阻止自燃产生。和温度下降，阻止自燃产生。 转速增加时，气缸中紊流增强，火焰传播速度加快，因而以秒计的燃烧过程缩短，由于循环时间也缩短，一般燃烧过程相当的曲轴转角增加，应当相应加大点火提前角。 图8.6六、冷却水温六、冷却水温 冷却水温度应控制在80-90（进口车90-100）范围内。水温过高、过低均影响混合气的燃烧和发动机的正常使用。 冷却水温过高时，会使燃烧室壁及缸壁过热爆燃及表面点火倾向增加。同时进入气缸的混合气温度升高，密度下降，充量减小，使发动机动力性、经济性下降。 冷却水温过低时，传给冷却水热量增多，发动机热效率降低

38、，功率下降，耗油率增加；润滑油粘度增大，流动性差，润滑效果变差，摩擦损失及机件磨损加剧，使汽缸腐蚀磨损增加；燃烧不良易形成积炭；不完全燃烧现象严重，使排污增多。 发动机工作过程中，由于燃烧不完全的燃油和窜入燃烧室的机油在氧气和高温作用下，凝聚在燃烧室壁面及活塞顶部，形成积炭，其厚度可达几毫米。 六、燃烧室积炭六、燃烧室积炭 积炭不易传热，温度较高，在进气、压缩过程中不断加热混合气，使温度升高很快；积炭本身占有体积，减小了燃烧室体积，因而提高了压缩比，这些都促使爆燃倾向增加。积炭表面温度很高，形成炽热表面或炽热点，易引起表面点火。 提高压缩比，可提高压缩行程终了混合气的温度和压力，加快火焰传播速

39、度，选择合适的点火提前角，可使燃烧在更小的容积下进行，使燃烧终了的温度、压力高。且燃气膨胀充分，热效率提高，发动机功率、扭矩大，有效油率降低。 七、压缩比七、压缩比七、压缩比七、压缩比 汽缸直径增大，火焰传播距离增加，爆燃倾向增大，所以没有很大缸径的汽油机。铝合金比铸铁导热性好，气缸盖和活塞采用铝合金材料，可使燃烧室表面温度降低，热负荷明显减小，减小了爆燃倾向。气缸盖和活塞材料气缸盖和活塞材料 汽油机的燃烧室汽油机的燃烧室8.38.3.1 8.3.1 汽油机对燃烧室的要求汽油机对燃烧室的要求8.3.2 8.3.2 传统汽油机燃烧室传统汽油机燃烧室8.3.1 8.3.1 汽油机对燃烧室的要求汽油

40、机对燃烧室的要求 汽油机燃烧室的设计对发动机动力性、经济性、汽油机燃烧室的设计对发动机动力性、经济性、工作稳定性及排放特性有很大影响，为此，燃烧室工作稳定性及排放特性有很大影响，为此，燃烧室的设计应满足以下要求。的设计应满足以下要求。汽油机对燃烧室的要求：汽油机对燃烧室的要求：u（一）结构尽量紧凑一）结构尽量紧凑 u（二）火花塞位置适当（二）火花塞位置适当u（三）燃烧室形状合理分布（三）燃烧室形状合理分布u（四）具有高的充量系数（四）具有高的充量系数u（五）形成适当的紊流运动（五）形成适当的紊流运动u（六）末端混合气要适当的冷却（六）末端混合气要适当的冷却 （一）结构尽量紧凑（一）结构尽量紧凑

41、 用燃烧室的面容比燃烧室表面积与其容积之比来表征燃烧室的紧凑性。 面容比大，火焰传播距离长，容易爆燃，HC排放高。散热面积大，热损失大，热效率低 燃烧室面容比大小取决于气缸直径与燃烧室的形状，在采用小燃烧室情况下，为减少单位体积的表面积，多用半球形燃烧室。 P200l 面容比小，燃烧室结构紧凑，火焰传播距离短，燃烧可在短时间内完成、使爆燃倾向减小，还可以提高发动机压缩比。l 相对散热面积小，热损失减小，发动机热效率高。l 熄火面积小，HC排放量减少。（二）火花塞位置适当（二）火花塞位置适当 火花塞位置不同，火焰传播距离和燃烧速度的变化率也不同，从而影响汽油机的工作性能，为此，确定火花塞位置时，应考虑以下几个方面：布置火花塞考虑以下几个方面：布置火花塞考虑以下几个方面： 1）应使火焰传播距离短，如火花塞布置在燃烧室中央。 2）使末端气体受热减少，如火花塞布置在排气门附近，使受灼热表面加热的混合气及早燃烧，以免爆燃。3）减少各循环之间的燃烧变动，保证暖机和低速稳定性好，如火花塞布置在进、排气门之间，便于利用新鲜混合气扫除火花塞周围的残余废气，使混合气易于点燃，同时应控制气流的强度，避免吹散火花。4）确保发动机运转平稳，火花塞的位置应能使从火花塞传播开的火焰面逐渐扩大。 燃烧室的容积分布情况反映了混合气