汽油机混合气的形成与燃烧

汽油机混合气的形成与燃烧第一页，共七十七页，2022年，8月28日本章内容：汽油机混合气的形成；汽油机的燃烧过程；汽油机的燃烧室。

重点第二页，共七十七页，2022年，8月28日第一节混合气的形成本节内容：两种混合气形成方式的原理两种方式的对比第三页，共七十七页，2022年，8月28日汽油机混合气形成的两种方式化油器式混合气形成汽油喷射式混合气形成第四页，共七十七页，2022年，8月28日一、化油器混合气形成过程

1、较小的油粒随空气的流动很快蒸发混合；3、大油粒则沉积在进气管壁上，形成油膜，随着发动机的抖动慢慢流向气缸，在气缸内吸热蒸发。2、较大的油粒在进气和压缩过程中慢慢吸热蒸发混合；第五页，共七十七页，2022年，8月28日第六页，共七十七页，2022年，8月28日化油器式发动机的不足之处:节流损失大不可能在各种工况下均提供最佳混合比对大气条件和环境适应性差仅提供均质混合气各缸混合气分配不均匀第七页，共七十七页，2022年，8月28日二、汽油喷射式混合气形成第八页，共七十七页，2022年，8月28日汽油喷射的基本概念用喷油器将一定压力和数量的汽油喷入进气道或气缸内，其目的是提高汽油雾化质量，改进燃烧，改善汽油发动机的性能。第九页，共七十七页，2022年，8月28日分类:1进气管内喷射（1）单点喷射大喷咀位于节气门之前的化油器位置,安装空气计量装置和电子控制喷油装置。（2）多点喷射小喷咀安装于各个进气歧管之中。第十页，共七十七页，2022年，8月28日分类:2缸内喷射喷咀开启压力3～5[Mpa]

进气过程上止之后30～50—开始喷油。压缩冲程上止点—停止喷油。第十一页，共七十七页，2022年，8月28日工作过程（燃油喷射控制）喷油正时、喷油量、目标空燃比、基本喷油持续时间喷油方式和喷油定时1、同时喷射2、分组喷射3、顺序喷射（独立喷射）第十二页，共七十七页，2022年，8月28日第十三页，共七十七页，2022年，8月28日工作过程（燃油喷射控制）喷油时间控制(同步喷射)1、起动喷油控制2、起动后的喷油控制基本喷油持续时间起动后各工况下喷油量的修正：

a、起动后加浓

b、暖机加浓

c、进气温度修正

d、大负荷加浓

e、过渡工况空燃比控制

f、怠速稳定性修正起动基本喷油时间

进气温度修正

电压修正

实喷时间

喷油信号持续时间第十四页，共七十七页，2022年，8月28日两种混合气形成方式的比较汽油喷射系统提高了油量计量与控制精度；燃油雾化质量好，燃烧改善；可实现瞬态响应，实施反馈控制；各缸分配均匀性改善；提高了充量系数。第十五页，共七十七页，2022年，8月28日思考两种混合气形成方式控制混合气浓度的原理有何异同？汽油机的理想混合气特性应该是怎么样的？第十六页，共七十七页，2022年，8月28日第二节汽油机的燃烧过程本节内容：汽油机正常燃烧过程（3个阶段）燃烧速度（3个影响因素）使用因素对汽油机燃烧过程的影响（4个因素）汽油机的不正常燃烧（2种类型）重点难点第十七页，共七十七页，2022年，8月28日汽油机的正常燃烧

COMBUSTIONINSIENGINE第十八页，共七十七页，2022年，8月28日汽油机的不正常燃烧

ABNORMALCOMBUSTIONINSIENGNE爆燃第十九页，共七十七页，2022年，8月28日汽油机的不正常燃烧

ABNORMALCOMBUSTIONINSIENGNE表面点火第二十页，共七十七页，2022年，8月28日四冲程汽油机的p-φ图第二十一页，共七十七页，2022年，8月28日汽油机的燃烧过程火焰核心形成跳火纯压缩线12’一、正常燃烧

（一）燃烧过程θ2压力曲线分离最高压力点3燃烧完成4ⅠⅡⅢ360°TDC300°420°第二十二页，共七十七页，2022年，8月28日1、着火落后期（滞燃期、着火延迟期）汽油机的燃烧过程Ⅰθ122’360°TDC300°420°滞燃期太长着火太迟，不便于控制燃烧起点滞燃期短，可通过调整点火提前角来控制燃烧起点第二十三页，共七十七页，2022年，8月28日影响滞燃期的因素

残余废气量燃料本身的物化性质火花点火能量混合气的浓度缸内混合气运动点火时刻缸内混合气压力、温度水平气缸中残余废气的质量气缸中新鲜充量的质量残余废气系数=燃烧1kg燃料实际供给的空气量燃烧1kg燃料理论所需的空气量过量空气系数=第二十四页，共七十七页，2022年，8月28日2、明显燃烧期（急燃期、火焰传播期）

：压力升高率，代表工作粗暴的程度。燃烧速度火花塞位置燃烧室形状影响因素：汽油机的燃烧过程Ⅰ122’Ⅱ33点的到来时刻：太早,则压缩负功热效率。太迟,则热量利用热效率。360°TDC300°420°第二十五页，共七十七页，2022年，8月28日3、补燃期（后燃期）在3点过后的燃烧主要为：（1）在明显燃烧期火焰前锋面漏掉的燃料继续燃烧。（2）粘附在缸壁上的混合气层继续燃烧。（3）高温分解产物重新燃烧。汽油机的燃烧过程Ⅰ122’Ⅱ34Ⅲ意义：补燃

排温，热负荷,热效率，经济性。360°TDC420°第二十六页，共七十七页，2022年，8月28日小结：Ⅰ122’Ⅱ34Ⅲ360°TDC汽油机的燃烧过程急燃期：长度适当，压力升高率适当。滞燃期：尽量短，可以通过点火提前角来控制燃烧起点。补燃期：尽量短，避免发动机经济性下降。300°420°第二十七页，共七十七页，2022年，8月28日思考：如何控制燃烧过程的长短？决定因素：燃烧速度第二十八页，共七十七页，2022年，8月28日（二）燃烧速度定义：单位时间燃烧的混合气量，表示为：式中—火焰传播速度，定义；

—未燃混合气密度；

—火焰前锋面积。意义：影响明显燃烧期长短及最高压力点相对曲轴转角的位置。第二十九页，共七十七页，2022年，8月28日火焰传播速度

火焰前锋：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。火焰传播速度：火焰前锋相对于未燃混合气推进的速度称为火焰传播速度。第三十页，共七十七页，2022年，8月28日燃烧速度－影响因素火焰传播速度UT

•

气体的紊流运动

•

混合气浓度•

混合气初始温度火焰前锋面积AT

可燃混合气密度ρT

气体紊流运动弱气体紊流运动强UT=f(vp,Φa,T0)第三十一页，共七十七页，2022年，8月28日(三)、使用因素对燃烧过程的影响点火提前角混合气浓度转速负荷第三十二页，共七十七页，2022年，8月28日1.点火提前角：从发出电火花到上止点间的曲轴转角。第三十三页，共七十七页，2022年，8月28日点火提前角的影响：1、较大：点火提前较多。压缩负功

损失

热效率初期放热

最高燃烧压力变化率

零件机械负荷。2、较小：点火提前少。压力升高率

Pmax、Tmax

Pe

膨胀功损失

热效率

补燃膨胀不充分，热负荷，油耗。3、合适：示功图面积最大，有用功最多。

爆燃趋势。第三十四页，共七十七页，2022年，8月28日2.混合气浓度（过量空气系数Φa值）

Φa对火焰传播速度的影响

Φa＝0.85~0.95：燃烧温度高，火焰速度最大，最高燃烧压力、温度达到最大值。

Φa＝1.05~1.15：火焰速度减小，燃烧完全，油耗最低，此时高温富氧，NOx排放最大。

Φa

<0.8或>1.2时，火焰速度缓慢，不完全燃烧，HC排放增加，且工作不稳定。

Φa值的范围0.2～0.6—

冷起动混合气；0.85～0.95—

功率混合气；1.05～1.15—

经济混合气。第三十五页，共七十七页，2022年，8月28日3.转速(1)

n

紊流、散热

、易吹散已形成的火焰中心。(2)n

紊流强度

火焰传播速度

爆燃趋势。(3)

n

每循环所用时间,以曲轴转角记的着火落后期

点火提前角调节装置使。第三十六页，共七十七页，2022年，8月28日4.负荷(1)负荷

节气门开度

进入气缸的混合气

废气的比例相对

混合气稀释，燃烧恶化传热损失(2)负荷

缸内p，T

爆燃趋势。第三十七页，共七十七页，2022年，8月28日（四）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，各循环之间的循环变动和各缸之间的燃烧差异。第三十八页，共七十七页，2022年，8月28日1各循环间的循环变动产生原因：燃烧过程、气流状态、气流速度、混合气浓度变动。第三十九页，共七十七页，2022年，8月28日2各缸间的燃烧差异产生原因：进入各缸的混合气的浓度和数量不同。第四十页，共七十七页，2022年，8月28日采取措施：1）加大点火能量，采用多点点火；2）组织进气涡流，加强进气运动；3）采用理论空燃比或较浓混合气。后果：油耗上升，功率下降，不正常燃烧倾向增加。不规则燃烧：第四十一页，共七十七页，2022年，8月28日思考：汽油机和柴油机在燃烧过程上会有什么不同？汽油机的不正常燃烧如何产生？第四十二页，共七十七页，2022年，8月28日二、汽油机的不正常燃烧爆燃：火花塞跳火后，末端可燃混合气的自燃现象。表面点火：气缸内的混合气不是被火花塞点燃，而是被气缸内的炽热表面点燃的现象。第四十三页，共七十七页，2022年，8月28日（一）爆震燃烧产生的原因—终端混合气自燃正常燃烧—30~70[m/s]轻微爆燃—100~300[m/s]强烈爆燃—800~1000[m/s]第四十四页，共七十七页，2022年，8月28日

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。第四十五页，共七十七页，2022年，8月28日正常燃烧与爆震燃烧的比较第四十六页，共七十七页，2022年，8月28日造成的危害（1）压力脉冲噪声：其频率在5000Hz以上；传热量增加，冷却系统过热，磨损，零件寿命。（2）高温分解局部温度,出现高温分解,生成CO,H2,O2,NO等，严重时析出游离炭粒。（3）促进表面点火发生

第四十七页，共七十七页，2022年，8月28日影响因素:燃料性质辛烷值高，抗爆能力强。末端混合气的压力和温度火焰前锋传播到末端混合气的时间第四十八页，共七十七页，2022年，8月28日（二）表面点火在火花点火式发动机中,凡是不依靠电火花点火,而是由于炽热表面（如过热的绝缘体电极、排气阀,尤其是燃烧室表面炽热的沉积物）点燃混合气的不正常燃烧现象。第四十九页，共七十七页，2022年，8月28日炽热表面第五十页，共七十七页，2022年，8月28日1

后火（后燃）在火花塞点燃混合气以后,炽热表面才点燃混合气的现象。2

早火（早燃）发生在火花塞点火以前。第五十一页，共七十七页，2022年，8月28日

表面点火示功图第五十二页，共七十七页，2022年，8月28日表面点火的危害早燃：火焰传播速度高，压力升高率高；压缩负功增加，功率下降；零件过热，着火提前。后燃：发生在正常火焰传播中，影响不大。第五十三页，共七十七页，2022年，8月28日爆燃和表面点火的比较：爆燃时火焰以冲击的速度传播，有尖锐的敲缸声，表面点火时火焰传播速度正常，敲缸声比较沉闷。爆燃促使以后循环的炽热表面易点火，而表面点火亦促使循环的爆燃倾向增加。第五十四页，共七十七页，2022年，8月28日第三节燃烧室决定汽油机性能的重要因素。要求：经济性、动力性好；工作平稳、噪声小；结构简单、制造方便。第五十五页，共七十七页，2022年，8月28日一、燃烧室设计原则1、结构紧凑：面容比（F/V）：燃烧室表面积与容积之比。结构紧凑：相对散热面积小，热损失少；火焰传播距离短，不易爆燃；熄火面积小，HC排放少。第五十六页，共七十七页，2022年，8月28日一、燃烧室设计原则2、火花塞位置安排适当及火花塞性质：影响火焰传播距离、燃烧速度变化率。

火花塞性质：点火能量，火花塞间隙（>1.1mm，宽间隙火花塞；一般，0.5~0.8mm。）考虑：1）能利用新鲜充量扫除火花塞周围废气；

2）尽量布置在使末端混合气受热少的位置；

3）火焰传播距离尽可能短;

4）使传播的火焰面变化分配合理。第五十七页，共七十七页，2022年，8月28日一、燃烧室设计原则3、燃烧室内的气体运动

1）增大火焰速度；

2）扩大着火界限；

3）减少循环间的燃烧变动；

4）冷却末端混合气区；

5）减小熄火厚度，降低HC排量。第五十八页，共七十七页，2022年，8月28日汽油机产生紊流的方法：涡流：利用进气口和进气道的形状在进气过程中造成气流绕气缸中心线的旋转运动，由于进气涡流加快了火焰传播速度，提高了燃烧速率，使热效率提高。第五十九页，共七十七页，2022年，8月28日汽油机产生紊流的方法：挤流：在接近压缩终点时，利用活塞顶部和缸盖底面之间的狭小间隙，将混合气挤入主要燃烧室内，形成涡流。第六十页，共七十七页，2022年，8月28日第六十一页，共七十七页，2022年，8月28日火球形燃烧室：第六十二页，共七十七页，2022年，8月28日一、燃烧室设计原则4、燃烧室形状合理分布决定燃烧放热率、火焰传播距离。

1）满足速燃；90％燃料燃烧2）考虑燃烧速度的变化率第六十三页，共七十七页，2022年，8月28日二、常用典型燃烧室1.楔形：1）燃烧室较紧凑，火焰传播距离较短。2）挤气面积较大，对末端混合气冷却作用较强，爆燃倾向减小，可采用较高的压缩比。HC排放量较多。3）气门斜置（6-30），有利于增大气门直径，气道转弯较少，使进气阻力减小，提高了充气性能。4）火花塞布置便于利用新气清除火花塞附近的废气，保证低速低负荷性能良好。但工作粗暴，NO，排出量较高。第六十四页，共七十七页，2022年，8月28日二、常用典型燃烧室2.浴盆型l）、气门尺寸受限制。2）挤气面积小，挤流效果比较差。3）燃烧室的面容比较大，火焰传播距离相对较长，不便于采用高的压缩比。4）制造工艺好，便于维修。第六十五页，共七十七页，2022年，8月28日二、常用典型燃烧室3.半球形1）结构紧凑，与前两种相比，面容比最小，火焰传播距离最短。2）进、排气门均斜置，允许较大气门直径，进气道转弯最小，充气效率最高。缺点：压力升高率过大，工作粗暴，紊流相对较弱，低速低负荷稳定性差，气门双行排列，使配气机构结构复杂。没有挤气面，被压缩的混合气涡流较弱，易在低速大负荷时发生爆燃。第六十六页，共七十七页，2022年，8月28日二、常用典型燃烧室4、碗型燃烧室紧凑的活塞顶凹坑，传播距离短，挤气面积大，紊流强，火花塞位于凹坑内。压缩比提高和挤流增加，滞燃期缩短，传播速度增加，使爆燃不易产生，有利稀燃。第六十七页，共七十七页，2022年，8月28日三、分层燃烧1、分层给气原则：1）量调节改成质调节；2）火花塞附近为浓混合气，保证形成稳定的着火核心；2、汽油机分层给气的特点：1）低负荷时不用过浓混合气，改善了低负荷经济性；2）缸内喷射，满负荷时混合气自燃倾向减小，提高压缩比；3）对燃料要求降低。第六十八页，共七十七页，2022年，8月28日三、分层燃烧3、美国德士古分层燃烧系统：部分负荷时经济性好；对燃料辛烷值不敏感。NOx含量高；分层不好使排放恶化；过渡工况及环境适应性差；技术要求高。